激光烧蚀 Laser ablation

2022-11-15 09:53:14 浏览:355

定义

使用强激光去除固体材料。

激光烧蚀是指使用强激光(通常以激光束的形式)从固体表面上去除一些材料。 该术语通常不被视为激光应用本身,而是在减材激光材料加工(激光加工)的特定应用上下文中使用的工艺,例如激光雕刻,切割或钻孔。

激光烧蚀的应用

激光烧蚀工艺用于激光材料加工的许多领域:

  • 在激光切割、钻孔和激光铣削等激光加工过程中,需要去除一定数量的材料。
  • 用于激光打标或其他目的的激光雕刻也是如此。 在这里,人们通常需要去除材料,直到明确的深度。 所获得的均匀性和所得降低表面的低粗糙度可能很重要。 通常,消融是通过一系列许多激光脉冲完成的,每个激光脉冲都略微相对于前一个脉冲的位置移动。 这种工艺可用于各种材料,例如金属、陶瓷、玻璃和聚合物。
  • 加工机器零件以获得微纹理表面,例如为了减少润滑部件的摩擦 - 例如在内燃机的气缸和活塞上。
  • 某些类型的激光表面改性也涉及烧蚀,通常在微观尺度上。
  • 激光清洗意味着去除一些不需要的材料,这些材料通常比下面的基板更好地吸收激光辐射。 在实践中,这种选择性通常非常有助于完全去除所有不需要的材料,同时保留基材。
  • 薄膜光伏板需要在其边界处绝缘,即需要烧蚀金属层。
  • 脉冲激光沉积利用材料的激光烧蚀将其沉积到其他地方。
  • 一个奇特的应用是激光推进,利用烧蚀材料的后坐力[6]。 对于远高于火箭废气速度的后坐力速度,激光推进在所需的推进剂质量方面可能更有效,同时需要更多的能量(例如来自核反应堆)。

在材料加工领域之外也有应用,例如激光诱导击穿光谱(LIBS)。 在这里,一个光谱分析产生的等离子体羽流的辐射。

激光消融的非技术应用主要在医学领域:

  • 激光手术可以非常准确地去除精细结构(例如恶性肿瘤的部分),而不会显着影响其邻里;但是,处理速度可能很低。
  • 激光消融也可用于牙科治疗龋齿;当使用具有适当长波长的激光时,可以选择性地去除受龋齿影响的组织,同时保留牙齿的未受影响的部分。

有关更多详细信息,请参阅百科全书文章的链接。

激光烧蚀的物理学

激光的吸收

一些入射的激光被吸收,其能量被转化为热量。 通常,激光的波长应选择使得吸收长度相当短。 这样,入射功率就会被吸收到很小的体积中,从而产生相应的强烈热量。 反射损耗通常也会相当小。

为什么近红外激光器如此频繁地使用?

激光烧蚀通常使用近红外光完成,主要是因为该光谱区域中有性能最好和最便宜的激光器。 然而,通常可以通过倍频来实现增加的吸收,例如从1μm波长区域到0.5μm左右的区域,有效地获得绿色激光。 例如,绿光对铜的吸收比原始红外光要好得多,因此尽管在倍频过程中脉冲能量损失很大(通常为50%),但烧蚀过程可以变得更加有效。 随着频率的三倍或四倍,人们甚至进入紫外线区域,在许多材料中获得非常强的吸收。 或者,可以直接从紫外激光开始,例如准分子激光。

非线性吸收过程通常与激光烧蚀非常相关。

一种特殊情况是用激光切割透明材料,例如光学玻璃,例如近红外光,通常不会被吸收到任何显着程度。 然而,当施加具有非常高光学强度的光时,可以通过非线性过程获得大量吸收;这可以通过应用放大的超短光脉冲来实现。 最初,该过程可能从多光子吸收开始,一旦材料的状态因沉积能量而发生实质性变化,吸收可能会进一步大幅上升(异常吸收)。

即使在低强度水平下已经获得了足够强的吸收,在激光烧蚀过程中也经常会发生明显的异常吸收。

在某些情况下,使用选择性吸收(材料依赖性吸收) - 例如,在激光清洁中(见下文)。 在这里,正确选择激光波长可能尤为重要。

材料喷射

通常涉及烧蚀材料的汽化。

例如,当仅对金属施加中等光学强度时,沉积的能量可能仅足以熔化。 少量产生的金属蒸气可用于通过其蒸气压排出液体(熔体)。 或者,可以为此目的使用气体喷射器;仅靠重力通常是不够的。 然而,更常见的是,人们施加更高的强度,使得所有去除的材料都被蒸发并以羽流的形式离开现场。 通常,与激光的相互作用进一步电离蒸汽,导致等离子体。

涌现的等离子体羽流可能与激光辐射发生实质性相互作用,在某些情况下会屏蔽工件免受激光的影响。 这种影响可能会大大降低过程的效率。 然而,在某些情况下,等离子体甚至通过吸收更多的激光(即通过反射减少功率损耗)和通过热辐射传递能量来支持烧蚀过程。

在这种情况下,经常使用术语升华。 本质上的意思是,任何时候都不存在大量的液相,因为快速的热量供应会相当快地蒸发任何材料。 这是实际意义上的升华,与热力学中的含义不完全一样。

导热;使用短激光脉冲

如果施加连续的激光或长脉冲,产生的大部分热量可以通过热传导扩散到材料中。 这通常是不需要的,因为即使加热仍然足够强以引起消融,在消融过程之后仍会残留较大的热影响区(HAZ)。 该区域可能表现出氧化、几何形状变化或其他类型的降解。 特别是在金属中,表现出高导热性(由于电子的额外热传导),热传导可能是非常有害的。 在陶瓷、聚合物和玻璃等绝缘体中,这不是一个问题。

限制热传导效应的一种简单方法是在很短的时间内施加能量。 对于激光,这意味着应用短脉冲甚至超短光脉冲,就像各种脉冲激光器可以产生的那样:

纳秒激光器提供了最便宜的解决方案,尽管效果并不理想。

  • 调Q激光器和其他一些激光器类型通常产生持续时间在几纳秒到约100纳秒之间的脉冲(→纳秒激光器)。 虽然这样的脉冲持续时间不能完全抑制热传导的影响,但它们已经大大改善了这种情况。 这种激光器可以提供的脉冲能量(例如数十毫焦耳,通常不依赖于复杂的技术)直接适用于许多消融过程,而无需使用额外的光放大器。

超短脉冲源(超快激光器)是优选的,特别是对于微加工。

  • 使用皮秒激光器和飞秒激光器可以实现更短的脉冲持续时间,并且使用如此短的脉冲持续时间,人们可以进入热传导仅起次要作用的状态。 因此,可以实现“冷烧蚀”(无热烧蚀)——不是在避免高温的意义上,而是紧邻的非烧蚀材料不会经历太多的热量;热影响区相当小,即使在制造相当精细的结构(→激光微加工)时也能实现非常高的加工质量。 但请注意,由于超短脉冲通常是从锁模激光器(或有时从皮秒二极管激光器)以相当小的能量获得的,并且只有使用高增益光放大器才能实现足够高的能量进行烧蚀(一些微焦耳用于微加工或毫焦耳用于宏观烧蚀)系统。 主要是由于这个原因,适用于激光烧蚀的皮秒和飞秒激光系统比纳秒激光器贵得多。 只有在低微焦耳区域,才能使用相对简单的光纤放大器技术。

有关激光源的更多详细信息,请参阅有关材料加工激光的文章。

如上所述,特别是飞秒脉冲可以同时提供有益的非线性吸收,扩大了可以烧蚀的材料范围。

另一个有趣的方面是,能量最初仅转移到材料的电子上。 它们迅速热化,相互交换能量,量级仅为100 fs。 然而,需要更长的时间,通常是几十皮秒,才能将能量转移到晶格,即引起热振动。 这意味着,在脉冲持续时间为飞秒或至少不超过几皮秒的情况下,人们可以将能量主要沉积在电子系统中,导致物质的高度激发状态,从而导致原始固体结构的“爆炸”。

当然,在皮秒或飞秒脉冲期间,物质(包括羽流)的实质性运动是不可能的。 即使是光在一皮秒内也只能传播超过0.3毫米(真空),材料速度远低于光速。

消融阈值

更高能量的脉冲会烧蚀更多的物质;低于某个阈值,不会发生太多事情。

材料的有效烧蚀通常仅在超过脉冲能量的某个阈值时才发生;低于该阈值,可能几乎没有消融。 烧蚀阈值的值取决于烧蚀材料的类型、表面粗糙度和表面上的杂质、激光束半径和脉冲持续时间。 对于较短的脉冲持续时间,阈值能量可以略小一些,因为热传导损耗会降低。

消融效率在阈值以上很差,但在非常高的强度下也不理想。

当施加的脉冲能量仅略高于消融阈值时,烧蚀材料的量相当小,因为材料内部略低的强度(通过吸收降低)已经低于阈值。 因此,只有一小部分沉积的能量可用于消融。 未使用的能量甚至可能导致不必要的热影响区(见下文)。

另一方面,更高的脉冲能量导致更深的穿透,即更多的材料消融,但它可能向某些材料(也进入羽流)注入比消融所需的能量多得多。 因此,消融效率不一定增加很多。

另请注意,高斯光束通常并不理想,尽管它们的光束质量最高。 问题是空间剖面的外部没有达到消融阈值,因此沉积了无用的能量。 因此,人们可能希望使用一种光束整形器来更接近平顶光束轮廓。

多脉冲的影响

虽然在某些情况下,小光斑上的激光烧蚀是用单个激光脉冲完成的,但人们经常将每块板的大量脉冲施加到更高的深度和/或更大的区域。 通常沿一条线扫描激光束,同时施加规则的脉冲序列,使得每个击中点的脉冲与最后一个有一定的距离。 使用合适的扫描模式,还可以覆盖整个区域。

通常,后续激光脉冲的时间间距非常大,以至于可以假设当下一个脉冲到来时,材料在很大程度上松弛到其原始状态 - 即使该脉冲再次击中同一点。 例如,可以使用具有1 kHz脉冲重复率的Q开关激光系统,即后续脉冲之间的间隔为1 ms;然后可能只剩下一些先前脉冲的加热效应。 从本质上讲,每个脉冲都会烧蚀一定体积的材料,而不会受到先前脉冲的影响。 脉冲重复率只能影响热影响区,如下所述。

然而,突发模式激光器可能会产生脉冲串(束、组),其中每个脉冲串内的时间脉冲间隔相当小,例如只有 1 ns。 在这种情况下,每个脉冲都会受到先前脉冲引起的效应的实质性影响。 顶部表面附近的一些剩余热量甚至可能允许在单脉冲消融阈值以下进行消融。 因此,该过程可能会变得更加高效。 尽管如此,通过允许束之间足够长的冷却时间,可以避免过多的热量积累。 另一方面,产生的羽流可能存在问题,这些问题无法在如此短的时间内消失,并且可能在某种程度上保护工件免受激光辐射。

相同的激光平均功率,当以脉冲而不是常规脉冲序列施加时,每秒可以烧蚀更多的材料,而不会在剩余材料中沉积更多的热量。 出于这些原因,开发了突发模式激光器。 从技术上讲,这并非微不足道,例如由于突发期间的增益饱和问题。

处理速度

激光烧蚀本质上是能量密集型的。

加工速度通常受到可实现的去除率的限制,例如以毫米为单位3每分钟。 通过考虑将原始固体材料转化为蒸汽等离子体状态所需的能量,以及各种功率损耗,例如通过激光辐射的不完全吸收、热传导、热辐射和等离子体屏蔽,可以粗略估计去除率。 即使上述类型的损耗相对较小,也需要大量的体积特定光能 - 远远超过其他消融方法,例如机械类型。 另一个因素是激光系统的墙插效率有限。

上一节中的考虑因素也与消融效率有关。 正如那里所解释的,部分去除的材料通常获得比消融实际所需的能量更多的能量,而一些能量在材料的一部分中损失,其中一部分能量保持在消融阈值以下。

排液更节能,但并不好。

如果大部分材料以液体形式排出,则可以实现更高的去除效率。 然而,这种做法往往在结果质量方面有缺点。例如,液滴可能沉积在其他地方,破坏物质。 此外,复杂的流动动力学可能导致不稳定的工艺条件。

在优化各种与效率相关的方面后,限制因素通常是所用激光系统的可用平均功率。 特别是对于超快激光器,挑战在于在不降低脉冲质量并过度增加成本的情况下提供更多的输出功率。

只要脉冲能量保持相当小,光纤激光系统就具有特别高的潜力,可以提供具有高平均功率的超短脉冲。 它们还可以与大容量放大器结合使用,作为具有中等增益的脉冲能量增强器。 预计这种激光系统的持续发展将为高加工速度提供经济可行的解决方案。

热影响区和其他有害影响

已经提到,消融后经常观察到热影响区。 通常不仅要考虑单个脉冲的热影响区,还要考虑在样品上应用大量脉冲的热影响区,例如在雕刻操作中。 尽管单个脉冲几乎不会引起任何热效应,但当在相对较短的时间内施加大量脉冲时,即具有高脉冲重复率时,可能会产生大量的热影响区。

请注意,即使热传导效应可以忽略不计,一些热量也会沉积在暴露于低于阈值强度水平的材料部分。 因此,使用超短激光脉冲并不是这个问题的完整解决方案,至少在高处理速度需要高脉冲重复率的情况下是这样。 但是,有时可以制定策略,在速度和热效应之间取得更好的权衡,例如,通过应用有用的扫描策略。

消融过程也可能产生其他不必要的副作用。 例如,烧蚀材料可能沉积在其他地方,并且可能必须在一些后处理操作中去除。 在一些脆性材料(如玻璃)中,由于热引起的机械应力,可能会形成裂纹。 一定量的应变可能会被“冻结”,并且过程效应(如应力引起的双折射)被“冻结”。

参考文献

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激光材料加工

作          者: 泮桥成像光电商城

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