刘颂豪院士_《激光微加工》

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1、激光微加工刘颂豪华南师范大学7/24/2021激光微加工的概念激光微加工的应用领域飞秒激光微加工的优点飞秒微加工的重要应用光纤激光在精细加工中的应用展望7/24/2021微加工的概念微加工的概念Microfabrication微细加工（结构，功能，性能）Micromachining精细加工（尺寸精确，机械加工）起源于半导体制造工艺传统微加工技术多用于硅材料，并限于平面结构，由于这种基于传统光刻和各向异性腐蚀硅微机械，结晶学取向性限制了能获得的形状。微加工作为微机械的关键技术目前常用的工艺方法有：半导体IC加工工艺的硅微细加工，微细电火

2、花精密加工，LIGA技术，微组装技术等等。微加工几何尺寸的偏差比例（比传统的结构）大一般传统加工偏差1%，MEMS加工尺寸偏差大于10％7/24/2021区别于传统的激光加工激光微加工区别于传统得奖激光焊接、切割、打孔、表面改性等，包含范围非常广，能无限激发人的创造力。微加工特点激光功率小：mW～W量级；功率密度高；加工尺寸小，分辨率高；脉冲、连续两种方式。加工精度衍射极限（横向分辨率约等于波长量级）Rayleigh长度（焦长）7/24/2021激光微加工应用领域激光微加工技术主要应用于以下三个重要领域：微电子学（ME）——薄膜的局部

3、沉积及去除，即激光修整、激光光刻、激光微机械加工，以及退火、局部掺杂及焊接等。微机械学（MM）——在设备制造业、汽车以及航空精密制造业和各种微细加工业中可用激光进行切割、钻孔、打标、雕刻、划线、热渗透、焊接、硬化处理等。微光学（MO）——利用诸如微压型、打磨抛光等激光表面处理来加工多种微型光学元件，也可通过诸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化来改变组织结构，然后，通过调和外部机械力，再在软化阶段依靠等离子体辅助进行微成形来加工微光学元件。激光在上述领域的应用推动了它在许多新兴的工程方面的应用，例如：信息、通讯、医药、微型机器人和其他

4、一些集光、电、机械为一体的微型系统。7/24/2021飞秒激光加工的优点飞秒脉冲与长脉冲加工效果比较7/24/2021长脉冲作用与短脉冲作用比较材料光学击穿的过程可以分为五个主要过程：（1）通过热激发或光激发（包括单光子和多光子电离）产生导带电子；（2）导带电子通过焦耳加热和雪崩电离在光场中吸收能量，形成等离子体；（3）等离子体通过电子声子耦合，把能量传递给晶格；（4）晶格被加热，物质熔化和升华；（5）物质的热扩散和声冲击波引起周围物质结构变化。纳秒～微秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含（1）～（5）；皮秒～纳秒脉冲：光脉冲与物质作用时

5、间包含（1）～（4）；飞秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含（1）～（3）。7/24/2021飞秒激光加工是一种高强度脉冲激光加工，具有如下优点：飞秒激光加工的优点无接触；非真空条件（与X射线、电子束、离子束）；深入体内（三维加工）；作用区域小于衍射极限（多光子）。7/24/2021飞秒激光微细加工应用飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率正在打破以往传统的激光加工方法，开创了材料超精细、低损伤和空间3D加工和处理的新领域。该技术已在多个领域得到非常广泛应用。7/24/2021在材料微细加工领域的应用（a）（b）德国汉诺威激光中心的

6、B.N.Chichkov研究小组在真空靶室中放置100mm厚的钢片，然后分别将能量为lmJ、宽度为3.3ns和能量为120μJ、宽度为200fs的聚集激光对其表面进行加工，经过104个脉冲照射后，比较两者的处理结果具有显著的不同。下图（a）和（b）分别为各自处理结果的SEM图像。7/24/2021对于一些难熔性金属如：钼、钽、铼、钨等，其相应的熔点位于高达2610-3410℃范围，若采用传统的长脉冲激光很难完成对它们的精细加工。但由于飞秒激光作用基于多光子吸收和电离机制，避免了热传导效应，因此成为对这些金属成功实现高精度处理的唯一选择

7、。最近美国Clark公司应用150fs激光在100μm厚、熔点温度为3180℃的铼材料上实现了直径为110μm的精确钻孔，与应用8ns激光进行加工的情况相比，避免孔径周围热应力导致的裂纹产生，如图下图所示。纳秒（a）和飞秒（a）激光对高熔点金属铼的加工7/24/2021对于一些超高硬度的材料如金刚石，由于它具有独特的力学、热学和光电特性，在机械摩擦、切割、光学和装饰方面具有重要的应用价值。金刚石的能带间隔为5.4eV，目前主要采用波长小于230nm准分子纳秒脉冲激光进行加工，在材料加工边缘容易形成炭化区域和机械应力，如图下图(a)所示

8、。最近，瑞士G.Dumitru和英国M.Gower等人采用脉宽为150fs、能量为54mJ的钛宝石激光（输出波长为800nm）对lmm厚的人造CVD金刚石进行了钻孔和切割处理，如图下图(b)所示。纳秒（a）和飞秒（b）激