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洪明辉教授:脉冲激光加工机理及进展

导读: 众所周知,激光的单色性、相干性以及方向性都非常好,在激光加工应用中最关键的科学问题就是激光与物质的相互作用,这是一个动态又很复杂的过程,相互作用时间也非常短。

众所周知,激光的单色性、相干性以及方向性都非常好,在激光加工应用中最关键的科学问题就是激光与物质的相互作用,这是一个动态又很复杂的过程,相互作用时间也非常短。

从物理上来讲,可以分成两个方面,一方面是光转换成热的过程,另一方面是光引起的化学变化过程。例如,光引起的化学变化已经应用于半导体上用来做晶圆的光刻,具体来说就是光照射在光刻胶上使化学键断裂,然后使之硬化,最后通过对光刻胶的处理,掩模的信息就被传递到了晶圆上。

从纳秒、皮秒到飞秒,对于不同脉冲宽度的激光加工,其机理完全不一样。

现在我们做的大部分激光微纳加工甚至高功率激光加工,是由脉冲模式的光照射在衬底表面上,衬底吸收能量以后,电子首先跟晶格发生相互作用,这个过程大概是在皮秒时间量级。对纳秒来讲,电子跟晶格的相互作用在一个脉冲激光结束以前,就会把能量传递给晶格,所以温度是相同的,但如果脉冲宽度变成飞秒或者皮秒量级,这两个温度就会不一样,那就需要用双温度模型来研究加工过程。

洪明辉教授在LTO2017会议上做特邀报告

不管用哪个量级的脉冲激光来做加工,它都会使衬底表面受热升温,如果我们能精确调控激光能量,就可以选择让衬底熔化,即从固态变成液态的过程。如果再调控更高的激光能量,可以使材料发生气化,就是从固态、液态到气态的变化过程。如果能量更高,气态就会衍生出第四态的等离子体,形成离子化的气体。

材料蒸发以后就溅射出去,在飞行过程中与轨道上的物质发生相互作用,形成很多的纳米颗粒,这也是纳米颗粒制造的新手段。而材料受辐射蒸发过程中,在等离子的冲压下可以在衬底的表面形成一个坑,利用这个方法,通过控制激光的能量,能够得到各种各样的加工效果。

下面就用四个工作来说明我们在激光精密加工方面的一些应用。

第一个,是用激光照射产生的等离子体来辅助玻璃的加工,可以用纳秒脉宽的可见光波段激光来加工。玻璃在工业上有很多应用,这种应用在微电子方面相当广阔。现在我们手机用到的玻璃是300 μm厚,下一代就是200 μm了,就是两根头发丝那么薄,绝对不能用金刚刀去切,也不能用化学法,只能用激光来做。

方法其实很简单,在透明的玻璃底下放上衬底,光透过玻璃,衬底是金属的,那么金属会被蒸发,蒸发后产生等离子体,等离子体在空气里面,会飞行到玻璃的背面,等离子体是一种温度很高的气体,它会在玻璃背面跟玻璃表面相互作用,控制它们之间的距离,可以把材料沉积在玻璃表面上,甚至使蒸发出来的材料掺杂到玻璃里面,后面的光再照射就可以加工这个玻璃,基于这个方法,现在普通的打标机就能加工了。

实验装置示意图(作者供图)

一般来说,激光聚焦了非常大的能量密度,玻璃被打坏了就会产生裂纹,但我们的方法和现在一般的激光打标完全不一样,那是在玻璃正面加工,而我们做的是在玻璃背面加工,可以做到非常完美的加工过程。这是金属淀积到玻璃背面的过程,可以通过调控加工参数从而实现对颜色的深度、对比度的调整。通过置放不一样的衬底,比如碳化硅,可以在玻璃上打标出黑色的图像,如果是用铝可以得到白色的,如果用铜可以得到红色,用黄金则可以得到黄色。

通过控制激光能量,金属材料甚至可以被镀到玻璃里面去,基于元素分析测试,在衬底表面硅和氧的成分非常少,只有铜的成分,但深度到了7 μm左右,铜的含量就很低了。这个事实告诉我们,这种激光加工方法可以把铜颗粒镀到玻璃里面大概10 μm的深度。基于此就可以产生很多应用,例如直接在玻璃上制备电路的金属线。高质量的激光器为加工方法的提升提供了基础,而独特的加工工艺则可创造意想不到的加工效果。

第二个,是用飞秒激光器加工一层超薄的生物薄膜——人造皮肤,厚度只有1~10 μm,相当于头发丝直径的大概十分之一。

人造生物薄膜(引用自:周锐, 李峰平, 洪明辉. 激光与物质相互作用及其精密工程应用. 中国科学: 物理学力学天文学, 2017, 47: 024201)

也可以做人造血管,血管分两层,里外两层的分子是不一样的,中间有聚己内酯(PCL)薄膜层,我们利用生物降解的材料来做这层,用飞秒激光进行加工。先用薄膜生长以后,根据人的细胞生长方向,钻出各种各样的孔,然后把它卷起来,细胞在孔上生长,最后两层细胞融合在一起,做出人造血管,现在这项技术正在动物身上做实验。

不仅可以做人造血管,还可以做人造心肌,心肌比较厚,不能只做一层,所以就做多层。根据不一样的细胞的纤维移动的方向,我们做5层出来,每一层钻孔的方向都是不一样的,每一层之间进行生长细胞,然后再进行培养,就可以做出来。这就说明飞秒激光是一种非常好的加工手段,它是一种非常少热的加工过程,跟生物医学结合可以做出一些非常好的工作。

第三个,是解决激光加工的速度问题。

微透组镜加工装置示意图

(引用自:周锐, 李峰平, 洪明辉. 激光与物质相互作用及其精密工程应用. 中国科学: 物理学力学天文学, 2017, 47: 024201)

激光加工是一个透镜、一束光,像一支笔在写字,做微纳加工的时候可以做得很漂亮,但是怎么样能把速度加快?我们采用并行的加工方法。上图是我们最近开发的微透组镜,利用激光辅助光刻技术可以制备出一块2 cm×2 cm大小排列100万个微透镜阵列,利用此微透镜阵列可以并行加工在几分钟内成功制造百万个开口谐振环。

那怎么并行做呢?首先飞秒激光器通过扩束器,使光束覆盖全部微透镜阵列,依靠7轴纳米平移台可以快速完成高精度的微纳米结构并行加工。

最后一个,是用纳秒脉冲激光制造复合微纳构造。

(引用自: Xu K. C., Zhang C. T., Zhou R., Ji R., and Hong M. H., Hybrid micro/nano-structure formation by angular laser texturing of Si surface for surface enhanced Raman scattering, Optics Express, 2016, 24(10): 10352-10358.)

例如,可以做表面增强型的拉曼光谱,用黑硅可以做到波长300~1200 nm,每一个波长的反射率都小于1%,基本就不反射了。

上文提到金属原子蒸发,到了空气里面冷却后,原子和原子间抱团生成纳米颗粒,在重力作用下掉到衬底表面上,它此时温度还很高,会和衬底表面很密合地粘结在一起。调整粒子入射角度,就可以更好地控制这个颗粒。上图是我们做的一个结果,中间的材料被打走,镀上一层10~20 nm的金属,用表面等离子体可以增加拉曼光谱信号,信号可以增加10倍。

注:本文根据新加坡国立大学洪明辉教授在“光学前沿——第十二届全国激光技术与光电子学学术会议(LTO 2017)”的大会报告内容整理。

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