連載《激光，一種工具》丨第四章：激光微加工

來源 | 通快

2013 年 12 月通快公司和來自博世公司以及耶拿大學的合作夥伴一起獲得了德國未來獎，以表彰他們在工業超短脈衝激光精加工技術應用領域的突出貢獻。通過該技術，汽車生產商可以對汽車發動機燃料噴油嘴進行精細的鑽孔，進而提高燃油的燃燒率。在激光技術發達的今天，為什麼要採用超短脈衝激光來加工？這就是我們今天要介紹的激光微加工。

人們很早就嘗試利用激光進行微加工。但是由於激光的長脈衝寬度和低激光強度造成材料熔化並持續蒸發，雖然激光束可以被聚焦成很小的光斑，但是對材料的熱衝擊依然很大，限制了加工的精度。唯有減少熱影響才能提高加工質量。當激光以皮秒量級的脈衝時間作用到材料上時，加工效果會發生顯著變化。隨著脈衝能量急劇上升，高功率密度足以剝離外層電子。由於激光與材料相互作用的時間很短，離子在將能量傳遞到周圍材料之前就已經從材料表面被燒蝕掉了，不會給周圍的材料帶來熱影響，因此也被稱為「冷加工」。憑藉冷加工帶來的優勢，短與超短脈衝激光器進入到工業生產應用當中。

短脈衝激光器產生的脈衝寬度定義在皮秒和飛秒量級。1 皮秒等於 10-12 秒，1 飛秒等於 10-15 秒。也許比較抽象，但是我們可以轉化成距離的形式來比較。舉個例子，光的速度是 3x10-8 米每秒，光從地球到月球所需要的時間大約是 1.3 秒， 而1皮秒的時間裡光運動的距離是 0.3 毫米！

短脈衝激光技術的迅速發展使得其在工業範圍的應用非常廣泛，幾乎每天都會發現新的應用。目前短脈衝主要集中在下面幾個應用領域。

1鑽孔

電路板設計中人們開始用陶瓷基底代替常規的塑料基底以實現更好的導熱效果。為了連接電子元件，一般需要在板上鑽高達數十萬個直徑 40100 μm 的小孔。因此保證基底的穩定性不會受到鑽孔過程時熱輸入的影響就變得十分重要，皮秒激光正是這個應用的理想工具。皮秒激光能以衝擊鑽探的方式完成孔的加工，並保證孔的均勻性。除了電路板，皮秒激光還可以對塑料薄膜、半導體、金屬膜和藍寶石等材料進行高質量鑽孔。

2劃線，切割

通過掃描的方式疊加激光脈衝可以形成線。通常要通過大量的掃描可以深入到陶瓷內部，直到線的深度達到材料厚度的 1/6。然後沿著這些刻線從陶瓷基底上分離單個模塊。這種分離方法叫做劃線。另一種分離方法是使用超短脈衝激光燒蝕切割，也稱為消融切割。激光對材料進行燒蝕，去除材料直到它被切透。這個技術的好處是加工的孔的形狀和尺寸具有較大的靈活性。所有的工藝步驟可以通過一台皮秒激光器完成。

3線燒蝕（去除鍍層）

另外一種經常被視作微加工的應用是在不損害或輕微損害基底材料的情況下精確去除塗層。燒蝕既可以是幾微米寬的線，也可以是幾平方厘米的大面積去除。由於塗層的厚度通常遠小於燒蝕的寬度，以至於熱量不能在側面傳導。因此可以使用納秒級脈衝寬度的激光。高平均功率激光、方形或矩形傳導光纖、平頂光強分布，這幾項技術的結合使得激光面燒蝕得以在工業領域得到應用。例如：使用通快公司的 TruMicro 7060 激光器去除薄膜太陽電池玻璃上的塗層。同樣的激光器也可以應用在汽車工業中對抗腐蝕塗層進行去除，為後續焊接做準備。

4表面結構化

結構化可以改變材料表面的物理特性。根據荷花效應，疏水性表面結構讓水從表面流掉。用超短脈衝激光器在表面創造亞微米結構可以實現這個特性，並可以通過改變激光參數對所要創造的結構進行精確控制。相反的效果，例如親水性表面，同樣可以實現，而且微加工還可以創造更大尺寸的結構。這些工藝可以用於發動機中的油箱來製造一些降低磨損的微結構，或者在金屬表面結構化實現與塑料的焊接。

5雕刻成型

雕刻成型是通過燒蝕材料創造三維形狀。儘管燒蝕的尺寸可能會超過傳統意義上所說的微加工的範疇，但是它所需的精度還是使它被劃分到這類激光應用領域。皮秒激光可以用於加工銑床的多晶金剛石刀具邊緣。激光是加工多晶金剛石的理想工具，多晶金剛石是可以製作銑刀刀刃的極為堅硬的材料。使用雕刻成型技術來加工銑刀的切屑槽和齒，這種情形下激光的好處是非接觸和高加工精度。

總之，微加工具有非常廣闊的應用前景，越來越多的生活用品正通過激光微加工進入我們的視野。