本文主要涉及紫外激光加工技術(shù)．通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將紫外／紅外兩種激光設(shè)備對(duì)材料的加工結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在特殊材料加工上，紫外激光相對(duì)于紅外激光，加工邊沿更光滑、效率更高．對(duì)于用紅外透過(guò)率較高的材料加工的紅外器件來(lái)說(shuō)，紫外激光在加工中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

     1引言
   
    激光技術(shù)是20世紀(jì)與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)齊名的四項(xiàng)重大發(fā)明之一．四十多年來(lái)，隨著小型電子產(chǎn)品和微電子元器件需求量的日益增長(zhǎng)，對(duì)于加工材料(尤其是聚合物材料以及高熔點(diǎn)材料)的精密處理日漸成為激光在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一．
   
    激光加工是激光產(chǎn)業(yè)的重要應(yīng)用，與常規(guī)的機(jī)械加工相比，激光加工更精密、更準(zhǔn)確、更迅速．該技術(shù)利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)包括金屬與非金屬的各種材料進(jìn)行加工，涉及到了焊接、切割、打標(biāo)、打孔，熱處理、成型等多種加工工藝。激光獨(dú)一無(wú)二的特性使之成為微處理的理想工具，目前廣泛應(yīng)用于微電子、微機(jī)械和微光學(xué)加工三大領(lǐng)域。
   
    激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料(包括金屬與非金屬)進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)．
   
    激光加工有其獨(dú)特的特點(diǎn)：
   
    (1)范圍廣泛：幾乎可以對(duì)任何材料進(jìn)行雕刻切割。
    (2)安全可靠：采用非接觸式加工，不會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力．
    (3)精確細(xì)致；加工精度可達(dá)0．01mm．
    (4)效果一致：保證同一批次的加工效果一致．
    (5)高速快捷：可立即根據(jù)電腦輸出的圖樣進(jìn)行高速雕刻和切割，且激光切割的速度比線切割的速度要快很多．
    (6)成本低廉：不受加工數(shù)量的限制，對(duì)于小批量加工服務(wù)，激光加工更加便宜。
    (7)切割縫隙小：激光切割的割縫一般在0.02mm-0.05mm．
    (8)切割面光滑：激光切割的切割面無(wú)毛刺。
    (9)熱變形??；激光加工的激光割縫細(xì)、速度快、能量集中，因此傳到被切割材料上的熱量小，引起材料的變形也非常小。
   
    紅外器件技術(shù)中所用的材料(寶石等)、加工條件(精度，變形等)要求采用激光加工。鑒于激光種類很多，我們主要涉及的是紅外激光設(shè)備和紫外激光加工系統(tǒng)。因此希望通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將紫外／紅外兩種激光系統(tǒng)對(duì)同種材料的加工結(jié)果進(jìn)行比較，從而了解它們的特點(diǎn)與區(qū)別，并確定出各自的適用范圍和優(yōu)越性，為今后更好地發(fā)展特殊材料加工作鋪墊。
   
    2實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹
   
    本文采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是JHM-1GY-300B型YAG激光設(shè)備與PSV-6001型355nm全固態(tài)紫外激光鉆孔機(jī)。
   
    2．1 YAG激光設(shè)備
   
    YAG激光設(shè)備的激光波長(zhǎng)為1.06μm，輸出的最大單脈沖激光能量為60J，脈沖頻率為1Hz-100Hz(連續(xù)可調(diào))。它將激光聚焦到一點(diǎn)，焦平面上的功率密度可達(dá)到105-1013W／cm2。該設(shè)備還可以用于激光焊接，激光焊接就是利用激光束優(yōu)良的方向性和高功率密度等特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行工作的．通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚集到很小的區(qū)域，在極短的時(shí)間內(nèi)，使被焊處形成一個(gè)能量高度集中的局部熱源區(qū)，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。圖1為用YAG激光焊接不銹鋼和鈦合金的焊縫實(shí)例。

    2．2紫外激光鉆孔機(jī)
   
    PSV-6001型紫外激光鉆孔機(jī)采用的是基于半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光器的高功率三倍頻(DPSS)激光，波長(zhǎng)為355nm，平均功率為2.3W，最高頻率可達(dá)100kHz，工件上的光斑直徑可小到20μm以下。該機(jī)應(yīng)用繪圖軟件并進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置，可執(zhí)行鉆孔、刻線、切割等一系列操作。在已做的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，利用該紫外激光鉆孔機(jī)進(jìn)行加工的有機(jī)材料包括聚合物、紙制品等。無(wú)機(jī)材料包括金屬、寶石、玻璃、陶瓷等．

    2．3紫外／紅外激光器的比較
   
    紅外YAG激光器(波長(zhǎng)為1．06μm)是在材料處理方面用得最為廣泛的激光源。但是，許多塑料和大量用作柔性電路板基體材料的一些特殊聚合物(如聚酰亞胺)，都不能通過(guò)紅外處理或"熱"處理進(jìn)行精細(xì)加工。因?yàn)?quot;熱"使塑料變形，在切割或鉆孔的邊緣上產(chǎn)生炭化形式的損傷，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性的削弱和寄生傳導(dǎo)性通路，而不得不增加一些后續(xù)處理工序以改善加工質(zhì)量。因此，紅外激光器不適用于某些柔性電路的處理。除此之外，即使在高能量密度下，紅外激光器的波長(zhǎng)也不能被銅吸收，這更加苛刻地限制了它的使用范圍。
   
    然而，紫外激光器的輸出波長(zhǎng)在0.4μm以下，這是處理聚合物材料的主要優(yōu)點(diǎn)。
   
    與紅外加工不同，紫外微處理從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)不是熱處理，而且大多數(shù)材料吸收紫外光比吸收紅外光更容易。高能量的紫外光子直接破壞許多非金屬材料表面的分子鍵，用這種"冷"光蝕處理技術(shù)加工出來(lái)的部件具有光滑的邊緣和最低限度的炭化。而且，紫外短波長(zhǎng)本身的特性對(duì)金屬和聚合物的機(jī)械微處理具有優(yōu)越性．它可以被聚焦到亞微米數(shù)量級(jí)的點(diǎn)上，因此可以進(jìn)行細(xì)微部件的加工，即使在不高的脈沖能量水平下，也能得到很高的能量密度，有效地進(jìn)行材料加工．
   
    微細(xì)孔在工業(yè)界中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，主要形成的方式有兩種：
   
    一是使用紅外激光：將材料表面的物質(zhì)加熱并使其汽化(蒸發(fā))，以除去材料，這種方式通常被稱為熱加工．主要采用YAG激光(波長(zhǎng)為1.06μm)。
   
    二是使用紫外激光：高能量的紫外光子直接破壞許多非金屬材料表面的分子鍵，使分子脫離物體，這種方式不會(huì)產(chǎn)生高的熱量，故被稱為冷加工，主要采用紫外激光(波長(zhǎng)為355nm)．
   
    表1是這兩種加工方式的比較。

    3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
   
    3．1鉆孔實(shí)驗(yàn)
   
    圖2為采用JHM-1GY-300B型YAG激光設(shè)備與PSV-6001型355nm紫外激光鉆孔機(jī)分別在厚度同樣為lmm的陶瓷片上打出的咖2小孔。
   
    結(jié)果表明，用紅外激光打的小孔圓度較差，且邊緣被"燒"黑．而用紫外激光加工的陶瓷片，小孔圓度較好且邊緣光滑。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及表1中的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，紫外激光較紅外激光在加工速度、鉆孔精度上不止高出幾個(gè)等級(jí)，而且質(zhì)量效果也有明顯的優(yōu)勢(shì)．#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

    3．2切割實(shí)驗(yàn)
   
    激光切割是利用聚焦的高功率激光照射加工材料表面，當(dāng)激光超過(guò)閾值功率密度后，引起照射點(diǎn)材料溫度急劇上升，溫度達(dá)到沸點(diǎn)后，材料產(chǎn)生氣化并形成孔洞，隨著激光束與工件的相對(duì)移動(dòng)，最終在材料表面形成切縫。切割質(zhì)量(包括切縫寬度、邊緣的直線度、光潔度)由激光功率、激光束模式、輔助氣體壓強(qiáng)和切割速度決定。切割所需的激光功率直接正比于材料的厚度，對(duì)于黑色金屬更是一條典型的直線。最大切割厚度為功率、會(huì)聚透鏡焦距、激光波長(zhǎng)、切割速度的函數(shù)。焦距及收斂角是切割質(zhì)量、厚度、速度的重要參數(shù)。

    在理論上，切割厚度由激光高斯光束的瑞利區(qū)域所決定，瑞利區(qū)在工業(yè)界稱作焦深(DOF)，其物理表達(dá)式為

    式中，λ為波長(zhǎng)，f和D分別為會(huì)聚透鏡的焦距和直徑，焦深給出的是切割厚度的上限。圖3為用紫外激光鉆孔機(jī)在0.1mm厚的高熔點(diǎn)金屬鉬片上進(jìn)行切割的SEM照片，從SEM圖片可以看出，由于高熔點(diǎn)金屬對(duì)紫外光的較高吸收，其切割邊緣平整。
   
    激光切割具有切縫窄、熱影響區(qū)小、效率高、切邊無(wú)機(jī)械應(yīng)力、可適合多種不同薄膜材料的加工等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)孔徑以及特征尺寸的限制?。?br />    
    圖4為紫外激光劃片與機(jī)械劃片的對(duì)比情況，被切割濾光片介質(zhì)膜的成分主要為硫化鋅、錫化鋅等。紫外激光鉆孔機(jī)的加工頻率為100kHz，切割速度為10mm／s．

    從圖4中可以看出，用紫外激光劃的濾光片邊緣光滑，損傷?。脵C(jī)械劃片機(jī)則容易產(chǎn)生"崩邊"，切割產(chǎn)生的應(yīng)力容易使介質(zhì)膜脫落，損壞濾光片。我們知道，紅外激光切割是將材料表面的物質(zhì)加熱汽化，而濾光片介質(zhì)膜在溫度超過(guò)130℃時(shí)很容易氧化變質(zhì)．因而用紅外激光無(wú)法形成濾光片的劃片工藝。目前，用紫外激光切割的濾光片已經(jīng)用于某種型號(hào)的紅外器件。用高功率紫外激光切割一些金屬，如銅薄膜、鉬片等，具有切縫窄、熱影響區(qū)小、切割效率高等優(yōu)勢(shì)，適合于多種不同高精度微細(xì)薄膜器件的研制。對(duì)高功率紫外激光切割技術(shù)的研究大大地促進(jìn)了激光作為萬(wàn)能加工工具的應(yīng)用與發(fā)展。

    3．3實(shí)驗(yàn)比較
   
    (1)銅具有良好的導(dǎo)熱(熱擴(kuò)散率為1．19cm2／s，熱傳導(dǎo)系數(shù)為4．01W／cm℃)、導(dǎo)電(導(dǎo)電率為6×103s／m)及延展性能，而且在空氣中比較穩(wěn)定[引．因此，這些優(yōu)異的性能使得銅薄膜材料目前在薄膜器件生產(chǎn)制造中得以廣泛應(yīng)用。然而，銅在激光材料加工中屬于難加工材料，這是因?yàn)殂~的熱反射率高，對(duì)激光的吸收率很低。因此即使在高能量密度下，使用普通的C02激光及Nd：YAG激光也很難對(duì)銅進(jìn)行微細(xì)切割加工。

    但是銅對(duì)波長(zhǎng)為355nm的三倍頻固體紫外激光卻具有較高的吸收率，而且由于紫外激光的波長(zhǎng)短，其聚焦點(diǎn)可小到亞微米數(shù)量級(jí)，因此采用紫外激光對(duì)銅薄膜進(jìn)行切割加工，將是研制這種高精度微細(xì)薄膜器件的有效方法．利用紫外激光鉆孔機(jī)在厚度為0.05mm的銅片上鉆小孔，目標(biāo)是小孔孔徑小、圓度和邊緣質(zhì)量高．
   
    經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，紫外激光鉆孔機(jī)的加工頻率為25KHz，切割速度為0.3mm／s．圖5是利用紫外激光鉆孔機(jī)加工出來(lái)的咖為10μm的小孔．
   
    (2)在0.1mm厚生陶瓷上的加工實(shí)驗(yàn)在郭棟等的《氧化鋁陶瓷基板過(guò)孔的新型激光打孔工藝》中，筆者選用了常見(jiàn)的氧化鋁陶瓷作為研究對(duì)象，激光器為Nd：YAG撒光器。圖6是其加工出來(lái)的孔。

    圖6中，當(dāng)打孔進(jìn)行到激光脈沖尾緣后，由于光強(qiáng)和蒸汽壓銳減及光束的發(fā)散等，熔化而未來(lái)得及被攜帶走的液相會(huì)重新凝聚在孔壁和孔入口處形成重鑄層和堆積物，陶瓷體直接加工時(shí)孔的周圍會(huì)形成大量不規(guī)則堆積物。而圖7中幾乎沒(méi)有堆積物，其表面也更干凈和平滑。
   
    4結(jié)論
   
    通過(guò)幾種實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：
   
    (1)與常規(guī)機(jī)械加工相比，激光加工更精密、更準(zhǔn)確和更迅速．
   
    (2)通過(guò)鉆孔實(shí)驗(yàn)可以看出：紫外激光較紅外激光在加工速度、鉆孔精度及質(zhì)量效果上有較為明顯的優(yōu)勢(shì)．因此在某些孔徑精度高、孔的表面質(zhì)量要求高、加工材料熔點(diǎn)高的場(chǎng)合則可以用紫外激光來(lái)替代紅外激光．
   
    (3)從切割實(shí)驗(yàn)中不難發(fā)現(xiàn)：用紫外激光切割一些金屬，如銅薄膜、鉬片等，具有切縫窄、熱影響區(qū)小、切割效率高等優(yōu)勢(shì)，適合于多種不同高精度微細(xì)薄膜器件的研制。雖然固態(tài)半導(dǎo)體泵紫外激光具有許多優(yōu)勢(shì)，但如何通過(guò)加工參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整，更好地利用固態(tài)半導(dǎo)體泵紫外激光進(jìn)行精密加工，是現(xiàn)階段需進(jìn)一步探索的問(wèn)題．