《激光，一种工具》：激光微加工

2013 年12月通快公司和来自博世公司以及耶拿大学的合作伙伴一起获得了德国未来奖，以表扬他们在工业超短脉冲激光精加工技术应用领域的突出贡献。借助该技术，汽车生产商可以对汽车发动机燃料喷油嘴进行精细的钻孔，进而提高燃油的燃烧率。然而在激光技术发达的今天，为什么要采用超短脉冲激光来加工？这就是今天要介绍的激光微加工。

激光微加工

事实上，人们很早就尝试利用激光进行微加工。但是由于激光的长脉冲宽度和低激光强度造成材料熔化并持续蒸发，虽然激光束可以被聚焦成很小的光斑，但是对材料的热冲击依然很大，限制了加工的精度。唯有减少热影响才能提高加工质量。当激光以皮秒量级的脉冲时间作用到材料上时，加工效果会发生显著变化。随着脉冲能量急剧上升，高功率密度足以剥离外层电子。由于激光与材料相互作用的时间很短，离子在将能量传递到周围材料之前就已经从材料表面被烧蚀掉了，不会给周围的材料带来热影响，因此也被称为“冷加工”。凭借冷加工带来的优势，短与超短脉冲激光器进入到工业生产应用当中。



图1 超短脉冲冷加工在火柴头上进行烧蚀工艺

超快可以有多快？

短脉冲激光器产生的脉冲宽度定义在皮秒和飞秒量级。1 皮秒等于 10-12 秒，1 飞秒等于 10-15 秒。也许比较抽象，但是我们可以转化成距离的形式来比较。举个例子，光的速度是 3x10-8 米每秒，光从地球到月球所需要的时间大约是 1.3 秒， 而1皮秒的时间里光运动的距离是 0.3 毫米！

超快可以做什么？

短脉冲激光技术的迅速发展使得其在工业范围的应用非常广泛，几乎每天都会发现新的应用。目前短脉冲主要集中在下面几个应用领域。



图2 激光细微加工的分类

钻孔

电路板设计中人们开始用陶瓷基底代替常规的塑料基底以实现更好的导热效果。为了连接电子元件，一般需要在板上钻高达数十万个直径 40100 μm 的小孔。因此保证基底的稳定性不会受到钻孔过程时热输入的影响就变得十分重要，皮秒激光正是这个应用的理想工具。皮秒激光能以冲击钻探的方式完成孔的加工，并保证孔的均匀性。除了电路板，皮秒激光还可以对塑料薄膜、半导体、金属膜和蓝宝石等材料进行高质量钻孔。

划线，切割

借助扫描的方式叠加激光脉冲可以形成线。通常要通过大量的扫描可以深入到陶瓷内部，直到线的深度达到材料厚度的 1/6。然后沿着这些刻线从陶瓷基底上分离单个模块。这种分离方法叫做划线。另一种分离方法是使用超短脉冲激光烧蚀切割，也称为消融切割。激光对材料进行烧蚀，去除材料直到它被切透。这个技术的好处是加工的孔的形状和尺寸具有较大的灵活性。因此所有的工艺步骤可以通过一台皮秒激光器完成。



图3 透明材料上零切缝切割

线烧蚀（去除镀层）

另外一种经常被视作微加工的应用是在不损害或轻微损害基底材料的情况下精确去除涂层。烧蚀既可以是几微米宽的线，也可以是几平方厘米的大面积去除。由于涂层的厚度通常远小于烧蚀的宽度，以至于热量不能在侧面传导。因此可以使用纳秒级脉冲宽度的激光。高平均功率激光、方形或矩形传导光纤、平顶光强分布，这几项技术的结合使得激光面烧蚀得以在工业领域得到应用。例如：使用通快公司的 TruMicro 7060 激光器去除薄膜太阳电池玻璃上的涂层。同样的激光器也可以应用在汽车工业中对抗腐蚀涂层进行去除，为后续焊接做准备。



图4 去除抗腐蚀涂层

表面结构化

结构化可以改变材料表面的物理特性。根据荷花效应，疏水性表面结构让水从表面流掉。用超短脉冲激光器在表面创造亚微米结构可以实现这个特性，并可以通过改变激光参数对所要创造的结构进行精确控制。相反的效果，例如亲水性表面，同样可以实现，而且微加工还可以创造更大尺寸的结构。这些工艺可以用于发动机中的油箱来制造一些降低磨损的微结构，或者在金属表面结构化实现与塑料的焊接。



图5 短脉冲进行表面结构化

雕刻成型

雕刻成型是通过烧蚀材料创造三维形状。尽管烧蚀的尺寸可能会超过传统意义上所说的微加工的范畴，但是它所需的精度还是使它被划分到这类激光应用领域。皮秒激光可以用于加工铣床的多晶金刚石刀具边缘。激光是加工多晶金刚石的理想工具，多晶金刚石是可以制作铣刀刀刃的极为坚硬的材料。使用雕刻成型技术来加工铣刀的切屑槽和齿，这种情形下激光的好处是非接触和高加工精度。

总而言之，微加工具有十分广阔的应用前景，越来越多的生活用品正通过激光微加工进入我们的视野。