由于透明材料具有優(yōu)異的透光性、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和耐腐蝕性等特性，因此在航空航天、微電子、光通信、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。目前，工業(yè)用透明材料主要包括結(jié)晶硅、金剛石、光學(xué)晶體、非晶石英玻璃、光學(xué)玻璃等材料。由于透明材料具有硬度高、熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性差、易碎等特點(diǎn)，因此在使用傳統(tǒng)的機(jī)械和化學(xué)方法進(jìn)行加工時(shí)，很容易出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。因此，很難滿足微納尺度的精密加工要求。

隨著脈沖激光技術(shù)的發(fā)展、激光光束質(zhì)量的提高以及調(diào)Q開關(guān)技術(shù)和鎖模技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)用激光器的脈寬也從毫秒級(jí)大大縮短到目前的皮秒級(jí)和飛秒級(jí)，峰值功率甚至可以達(dá)到 10²²W/cm²，使得高質(zhì)量、高效率的透明材料激光加工成為可能。

圖1：飛秒激光與固態(tài)材料的相互作用過程

作為一種非接觸、高能量/高功率密度的新型制造方法，在激光加工過程中，激光能量可快速聚焦于部件表面或內(nèi)部，并在極短的時(shí)間內(nèi)被材料吸收。與傳統(tǒng)加工方法相比，激光加工方法具有材料污染小、精度和效率高、非接觸等優(yōu)點(diǎn)。超快激光因其獨(dú)特的物理特性，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)制，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。在時(shí)間尺度上，超快激光可抑制熱效應(yīng)，有利于形成更高質(zhì)量的形態(tài)。在空間尺度上，超快激光可用于實(shí)現(xiàn)納米級(jí)微結(jié)構(gòu)制造，并利用各種非線性過程打破光學(xué)衍射極限。

近年來，基于納秒激光的透明材料加工受到了實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)線研究人員的極大關(guān)注。在使用納秒激光進(jìn)行加工的過程中，可以觀察到明顯的熱效應(yīng)，并可能導(dǎo)致一些加工缺陷，如崩裂和裂紋。隨著加工參數(shù)的優(yōu)化和各種輔助程序的使用，使用低成本納秒激光加工透明材料的質(zhì)量不斷提高。納秒激光加工已成為透明材料鉆孔和研磨的可行技術(shù)。與其他傳統(tǒng)的透明材料加工方法相比，激光加工已成為透明材料加工的尖端核心技術(shù)，具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

圖 2：激光與物質(zhì)之間的相互作用示意圖

迄今為止，有關(guān)透明材料激光加工的研究已經(jīng)發(fā)表了很多，基本上都集中在超快激光的加工過程和分析結(jié)果上；但納秒激光加工的研究成果卻很少涉及大脈寬的激光加工。本文提到了脈沖激光與透明材料的相互作用過程，闡述了透明材料物理和化學(xué)性質(zhì)變化的相關(guān)機(jī)理，并介紹了在加工透明材料時(shí)影響納秒激光器加工效率和質(zhì)量的主要因素，最后總結(jié)了近年來利用超快激光在透明材料上制備各類器件的研究成果，并探討激光透明材料加工方法的未來發(fā)展和技術(shù)趨勢(shì)。

激光加工的機(jī)理

激光與物質(zhì)的相互作用過程可分為四個(gè)部分：載流子激發(fā)、熱化、載流子清除以及熱效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)，如圖1所示。激光與物質(zhì)的相互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，但其相對(duì)機(jī)理可以概括為激光激發(fā)材料內(nèi)部的電子。激光通過光子將能量傳遞給聚焦區(qū)域內(nèi)能量/功率密度較高的材料，隨后發(fā)生一系列相關(guān)的熱力學(xué)過程。

在激光能量/功率密度最高的焦點(diǎn)處，材料中的電子在吸收光子后被激發(fā)至高能狀態(tài)。由于透明材料的帶隙普遍較大，單個(gè)光子的能量不足以激發(fā)電子躍遷。此時(shí)，自由電子的產(chǎn)生模式是多光子電離和隧道電離。如果某些電荷載流子被激發(fā)的速率遠(yuǎn)高于帶隙，撞擊電離也會(huì)產(chǎn)生受激發(fā)的電荷載流子。

在激光與物質(zhì)相互作用的整個(gè)過程中，多光子吸收和隧道電離在飛秒時(shí)間范圍內(nèi)起著主導(dǎo)作用。在皮秒時(shí)間范圍內(nèi)，電子吸收光子能量，然后通過電子-聲子耦合將能量轉(zhuǎn)移到晶格，最后轉(zhuǎn)化為熱能。在納秒時(shí)間范圍內(nèi)，激光聚焦區(qū)周圍材料的溫度急劇上升，產(chǎn)生壓力波并迅速向周圍傳遞。在亞微秒時(shí)間范圍內(nèi)，熱能沿著激光聚焦區(qū)域的溫度梯度擴(kuò)散，導(dǎo)致材料熔化和微爆炸。相應(yīng)的過程如圖2所示。

納秒激光脈沖加工原則上很難消除熱影響，在這種情況下可以觀察到明顯的沉積層和重鑄層。此外，加工區(qū)域周圍也存在一些明顯的改性區(qū)域，因此很難應(yīng)用于復(fù)雜的微納加工領(lǐng)域。不過，由于納秒脈沖激光器價(jià)格低廉、平均功率高，在精度要求相對(duì)較低的鉆孔、表面蝕刻和切割等領(lǐng)域受到歡迎。

利用飛秒脈沖激光可以從原理上抑制熱區(qū)的形成，并通過各種非線性效應(yīng)打破光衍射極限，因此被廣泛應(yīng)用于各種微納器件的制造。然而，實(shí)際的激光加工方法并非單脈沖加工方法，而是一系列脈沖共同作用的加工方法，因此即使使用了超快激光，仍會(huì)受到熱效應(yīng)的影響。

圖3：激光脈沖加工示意圖。(A)納秒濕法蝕刻。(B)皮秒加工。(C) 空間形狀飛秒激光加工

同時(shí)，超快激光器的平均功率相對(duì)較低，時(shí)間重復(fù)率也很難提高，因此提高處理效率應(yīng)該是超快激光器的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。
圖3顯示了分別使用納秒脈沖激光器、皮秒脈沖激光器和飛秒脈沖激光器加工透明材料的示意圖。基本加工設(shè)備包括激光光源、光路控制系統(tǒng)和掃描路徑控制器。納秒脈沖激光器的單脈沖能量通常在mJ范圍內(nèi)，重復(fù)頻率為幾百kHz。在實(shí)際加工應(yīng)用中，熱效應(yīng)明顯，激光修改范圍大，加工精度低。為了減少熱效應(yīng)的影響，通常選擇紫外波段的激光源。

同時(shí)，為了減少熱應(yīng)力的影響，在使用納秒脈沖激光器進(jìn)行加工時(shí)，通常會(huì)采用濕法蝕刻。濕蝕刻可降低材料邊緣斷裂和開裂的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，通過選擇適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)溶液，可以利用化學(xué)反應(yīng)來輔助激光蝕刻，并可將激光波長擴(kuò)展到近紅外激光，從而擺脫光源波長的限制。納秒脈沖激光加工的效率非常高，蝕刻尺度通常在毫米級(jí)。

皮秒激光器通過減小脈沖寬度，大大降低了加工過程中的熱效應(yīng)。然而，加工過程中的熱積累仍然是影響加工質(zhì)量的主要因素。皮秒激光器的單脈沖能量也可達(dá)到mJ級(jí)，脈沖頻率也在數(shù)百kHz范圍內(nèi)。與納秒脈沖激光加工類似，皮秒脈沖激光加工通常也要選擇短波長光源，并采用空氣冷卻、增加水膜等輔助方法來降低材料的熱應(yīng)力，以減少熱效應(yīng)的影響。

飛秒脈沖激光器的單脈沖能量相對(duì)較低，通常為μJ級(jí)，重復(fù)頻率較低，通常在幾千赫茲范圍內(nèi)，蝕刻尺度大多為μm級(jí)。極高的峰值功率使得飛秒脈沖激光器不受激光波長的限制，光源的選擇范圍比納秒和皮秒脈沖激光器大得多。同時(shí)，冷燒蝕的特性使加工形態(tài)更可控，加工尺寸更小。

由于飛秒脈沖激光器的特性，傳統(tǒng)的高斯光束空間整形可以通過吸收器、光束積分器和場映射來實(shí)現(xiàn)，從而產(chǎn)生具有特定和特殊空間形狀的脈沖，如平頂光束、貝塞爾光束和艾里光束。這大大改善了孔錐度的減小，并提高了加工形態(tài)的質(zhì)量。

同時(shí)，飛秒脈沖激光器可以形成時(shí)域形狀，大大提高了加工孔的深度與直徑比。這些研究有望應(yīng)用于制備特殊的微流控、光波導(dǎo)等器件。

用納秒激光加工透明材料

目前，利用納秒激光加工透明材料的研究，主要集中在鉆孔、切割、制備微通道等應(yīng)用領(lǐng)域。由于納秒激光的固有特性，激光與材料相互作用時(shí)的熱區(qū)非常明顯。瞬時(shí)高溫會(huì)在激光聚焦區(qū)域周圍造成明顯的溫度梯度。由此產(chǎn)生的巨大熱應(yīng)力將導(dǎo)致加工過程中出現(xiàn)邊緣塌陷、裂縫和浮渣等問題。一般來說，要提高納秒激光的加工質(zhì)量，最重要的是抑制熱區(qū)對(duì)加工的影響。

為了減少激光加工過程中的熱區(qū)，2002年H. Niino等人使用波長為248nm的納秒脈沖KrF準(zhǔn)分子紫外激光器激發(fā)純甲苯溶液，在硅玻璃板上進(jìn)行激光誘導(dǎo)背面濕蝕刻（LIBWE）。在傳統(tǒng)激光加工方法中，材料在空氣-固體加工界面上被直接燒蝕。非線性效應(yīng)和熱區(qū)的影響使得激光加工在硬脆材料上非常困難。

為了克服這些困難，將加工界面改為液固界面。結(jié)果表明，熱影響區(qū)和碎片堆積對(duì)加工的影響已成功減小。同時(shí)，他們還通過液固界面上的透明材料聚焦激光，發(fā)現(xiàn)液體對(duì)激光能量的吸收減少了，材料也得到了預(yù)熱。

圖4：硅玻璃表面網(wǎng)格圖案的掃描電鏡圖像

通過這種方法，可以減少材料中的熱應(yīng)力，從而抑制碎屑和裂紋的產(chǎn)生。如圖4所示，他們制作出了清晰的網(wǎng)格微圖案，蝕刻區(qū)域周圍沒有碎屑或微裂紋。在實(shí)驗(yàn)中，他們成功地在硅玻璃、石英、氟化鈣和氟碳樹脂等透明材料內(nèi)部創(chuàng)建了不同的微通道。在隨后的研究中，他們?cè)诮档图す馔康耐瑫r(shí)提高了蝕刻率，并且沒有產(chǎn)生裂縫和碎片，這對(duì)于促進(jìn)激光加工透明材料的規(guī)?；团可a(chǎn)意義重大。

2002年，X. Ding等人和R. Böhme等人使用納秒激光在石英材料上完成了高質(zhì)量的濕蝕刻。次年，K. Zimmer等人使用納秒激光完成了對(duì)玻璃的高質(zhì)量加工。這些技術(shù)可用于對(duì)透明材料進(jìn)行無裂紋的高質(zhì)量表面加工。2005年，J.Y. Cheng等人在微流控芯片制造中使用了紫外LD泵浦固體激光器，以6kHz的高重復(fù)頻率和266nm的脈沖寬度在玻璃上進(jìn)行LIBWE加工。他們?cè)诓Ａ蠈?shí)現(xiàn)了無裂紋直接寫入，并在12分鐘內(nèi)創(chuàng)建了寬100微米、深10微米、長100毫米的溝槽。

2013年，D. Nieto等人使用Nd:YVO4激光在鈉鈣玻璃上制備微通道，獲得的微通道最小直徑為8毫米，深度為1.5毫米。他們?cè)诩す馕g刻后對(duì)樣品進(jìn)行了熱回流處理，以消除激光蝕刻產(chǎn)生的玻璃碎片。他們將激光燒蝕產(chǎn)生的平均粗糙度降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了玻璃材料加工前的粗糙度水平。

2015年，Jiajun Shen等人利用532nm納秒激光器，通過改變激光器的加工參數(shù)，進(jìn)行了玻璃切割實(shí)驗(yàn)。他們重點(diǎn)研究了激光加工參數(shù)對(duì)玻璃切割效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過優(yōu)化電流大小、填充間隔、分層切割、切割速度等激光參數(shù)，他們可以加工出邊緣光滑、無橫向微裂紋、無碎屑的玻璃基板，并獲得良好的產(chǎn)品良率。

同年，Yan Hu等人使用532nm綠色納秒激光器，探索了石英玻璃激光刻蝕的基本規(guī)律，以及在加工過程中改變激光能量密度、散焦量、掃描次數(shù)和掃描速度等四個(gè)參數(shù)的影響。加工結(jié)果如圖5所示。

影響蝕刻深度的主要參數(shù)之一是激光能量密度。蝕刻深度與激光能量密度的對(duì)數(shù)近似成線性關(guān)系。值得注意的是，當(dāng)激光功率遠(yuǎn)小于材料燃燒閾值時(shí)，激光不會(huì)對(duì)玻璃靶造成任何損傷。此外，散焦系數(shù)也是激光透明材料加工的關(guān)鍵因素之一。

當(dāng)離焦值為0時(shí)，蝕刻深度最大，正離焦和負(fù)離焦都會(huì)降低蝕刻深度。同時(shí)，當(dāng)掃描頻率較小時(shí)，掃描頻率的增加會(huì)減緩蝕刻過程，并使玻璃靶達(dá)到近似平整的趨勢(shì)。當(dāng)掃描頻率較大時(shí)，過多的熱量積聚會(huì)增加熱應(yīng)力，導(dǎo)致玻璃產(chǎn)生裂紋和過度熔化。

事實(shí)上，掃描速度也是激光加工透明材料的關(guān)鍵參數(shù)之一。掃描速度過快時(shí)，掃描路徑上的熱沉積相對(duì)較少，去除率也會(huì)變低。如果掃描速度過低，則會(huì)積累額外的熱量，降低蝕刻質(zhì)量。Yan Hu等人還研究了石英在熱水、冷水和壓縮空氣等三種環(huán)境下的激光加工質(zhì)量。

圖5：通孔的正面和背面形態(tài)

他們還研究了不同加工起始表面的激光加工質(zhì)量。結(jié)果表明，三種環(huán)境下的加工質(zhì)量均優(yōu)于在空氣中直接加工的質(zhì)量。同時(shí)，在玻璃中將焦點(diǎn)從下往上移動(dòng)時(shí)的加工質(zhì)量明顯高于將焦點(diǎn)從上往下移動(dòng)時(shí)的加工質(zhì)量，這應(yīng)歸功于激光束對(duì)去除區(qū)域的預(yù)熱。

2020年，Yong Jiang等人以 BK7（K9）玻璃元件的激光誘導(dǎo)損傷為研究對(duì)象，利用在線成像技術(shù)獲得了激光誘導(dǎo)損傷的側(cè)面和正面圖像。他們分析了絲狀損傷和體狀損傷的特征，以及成核損傷裂紋對(duì)損傷生長的影響。同年，W.Y. Li等人使用532nm納秒脈沖激光切割厚度為2.5mm的太陽能浮法玻璃。他們使用混合自下而上多層增量和螺旋線（HBMISL）方法重新規(guī)劃了切割路徑，如圖6所示。

圖6：混合自下而上多層增量法和螺旋線法。(A)激光鉆孔和切割示意圖。(B)實(shí)驗(yàn)裝置

這些作者使用了一種名為“混合自下而上多層增量和螺旋線（HBMIS）”的方法，來研究掃描速度、激光脈沖重復(fù)率、螺旋寬度和螺旋重疊率等參數(shù)如何影響穿孔結(jié)果。他們?cè)O(shè)計(jì)并進(jìn)行了37組單因素切割實(shí)驗(yàn)，以探索表面質(zhì)量和切割效率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)激光脈沖重復(fù)頻率為55kHz時(shí)，相應(yīng)的激光功率為22.6W，單脈沖能量為0.41 mJ，掃描速度為300 mm/s，螺旋軌跡參數(shù)分別為0.45mm和70%。此外，最小切割寬度為 104.81μm，切割去除率為4.712 mm³/s。

與皮秒激光和飛秒激光相比，納秒激光的成本更低，相對(duì)加工效率更高，但熱效應(yīng)嚴(yán)重限制了其實(shí)用性。無論是將納秒激光的波長擴(kuò)展到紫外波長、改變加工界面環(huán)境、進(jìn)行熱回流處理、改變加工組合參數(shù)，還是改變激光掃描路徑，研究人員都希望減少納秒激光與目標(biāo)之間相互作用產(chǎn)生的熱區(qū)的影響。

目前，利用納秒激光加工透明材料的研究，主要集中在探索熱積累對(duì)加工效果的影響以及選擇不同的參數(shù)組合。通過這些研究，可以為各種透明材料實(shí)現(xiàn)更高的加工質(zhì)量，包括低粗糙度、低裂紋、低邊緣塌陷、低錐度等，以及更高的加工效率和更低的加工成本。

與此同時(shí)，使用納秒激光加工透明材料呈現(xiàn)出“去輔助”的趨勢(shì)，這意味著在激光加工過程中許多輔助工序變得不必要。如何減少加工過程中對(duì)輔助技術(shù)的依賴，正成為科研部門和工業(yè)界的主要研究課題之一。

來源：榮格-《國際工業(yè)激光商情》

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