本文主要涉及紫外激光加工技術．通過實驗，將紫外／紅外兩(liang) 種激光設備對材料的加工結果進行比較，發現在特殊材料加工上，紫外激光相對於(yu) 紅外激光，加工邊沿更光滑、效率更高．對於(yu) 用紅外透過率較高的材料加工的紅外器件來說，紫外激光在加工中具有明顯的優(you) 勢。

     1引言
   
    激光技術是20世紀與(yu) 原子能、半導體(ti) 及計算機齊名的四項重大發明之一．四十多年來，隨著小型電子產(chan) 品和微電子元器件需求量的日益增長，對於(yu) 加工材料(尤其是聚合物材料以及高熔點材料)的精密處理日漸成為(wei) 激光在工業(ye) 應用中發展最快的領域之一．
   
    激光加工是激光產(chan) 業(ye) 的重要應用，與(yu) 常規的機械加工相比，激光加工更精密、更準確、更迅速．該技術利用激光束與(yu) 物質相互作用的特性對包括金屬與(yu) 非金屬的各種材料進行加工，涉及到了焊接、切割、打標、打孔，熱處理、成型等多種加工工藝。激光獨一無二的特性使之成為(wei) 微處理的理想工具，目前廣泛應用於(yu) 微電子、微機械和微光學加工三大領域。
   
    激光加工技術是利用激光束與(yu) 物質相互作用的特性對材料(包括金屬與(yu) 非金屬)進行切割、焊接、表麵處理、打孔及微加工等的一門加工技術．
   
    激光加工有其獨特的特點：
   
    (1)範圍廣泛：幾乎可以對任何材料進行雕刻切割。
    (2)安全可靠：采用非接觸式加工，不會(hui) 對材料產(chan) 生機械擠壓或機械應力．
    (3)精確細致；加工精度可達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：可立即根據電腦輸出的圖樣進行高速雕刻和切割，且激光切割的速度比線切割的速度要快很多．
    (6)成本低廉：不受加工數量的限製，對於(yu) 小批量加工服務，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)切割麵光滑：激光切割的切割麵無毛刺。
    (9)熱變形小；激光加工的激光割縫細、速度快、能量集中，因此傳(chuan) 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。鑒於(yu) 激光種類很多，我們(men) 主要涉及的是紅外激光設備和紫外激光加工係統。因此希望通過實驗，將紫外／紅外兩(liang) 種激光係統對同種材料的加工結果進行比較，從(cong) 而了解它們(men) 的特點與(yu) 區別，並確定出各自的適用範圍和優(you) 越性，為(wei) 今後更好地發展特殊材料加工作鋪墊。
   
    2實驗設備介紹
   
    本文采用的實驗設備是JHM-1GY-300B型YAG激光設備與(yu) PSV-6001型355nm全固態紫外激光鑽孔機。
   
    2．1 YAG激光設備
   
    YAG激光設備的激光波長為(wei) 1.06μm，輸出的最大單脈衝(chong) 激光能量為(wei) 60J，脈衝(chong) 頻率為(wei) 1Hz-100Hz(連續可調)。它將激光聚焦到一點，焦平麵上的功率密度可達到105-1013W／cm2。該設備還可以用於(yu) 激光焊接，激光焊接就是利用激光束優(you) 良的方向性和高功率密度等特點來進行工作的．通過光學係統將激光束聚集到很小的區域，在極短的時間內(nei) ，使被焊處形成一個(ge) 能量高度集中的局部熱源區，從(cong) 而使被焊物熔化並形成牢固的焊點和焊縫。圖1為(wei) 用YAG激光焊接不鏽鋼和鈦合金的焊縫實例。

    2．2紫外激光鑽孔機
   
    PSV-6001型紫外激光鑽孔機采用的是基於(yu) 半導體(ti) 泵浦固態激光器的高功率三倍頻(DPSS)激光，波長為(wei) 355nm，平均功率為(wei) 2.3W，最高頻率可達100kHz，工件上的光斑直徑可小到20μm以下。該機應用繪圖軟件並進行合理的參數設置，可執行鑽孔、刻線、切割等一係列操作。在已做的各項實驗中，利用該紫外激光鑽孔機進行加工的有機材料包括聚合物、紙製品等。無機材料包括金屬、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(波長為(wei) 1．06μm)是在材料處理方麵用得最為(wei) 廣泛的激光源。但是，許多塑料和大量用作柔性電路板基體(ti) 材料的一些特殊聚合物(如聚酰亞(ya) 胺)，都不能通過紅外處理或"熱"處理進行精細加工。因為(wei) "熱"使塑料變形，在切割或鑽孔的邊緣上產(chan) 生炭化形式的損傷(shang) ，可能導致結構性的削弱和寄生傳(chuan) 導性通路，而不得不增加一些後續處理工序以改善加工質量。因此，紅外激光器不適用於(yu) 某些柔性電路的處理。除此之外，即使在高能量密度下，紅外激光器的波長也不能被銅吸收，這更加苛刻地限製了它的使用範圍。
   
    然而，紫外激光器的輸出波長在0.4μm以下，這是處理聚合物材料的主要優(you) 點。
   
    與(yu) 紅外加工不同，紫外微處理從(cong) 本質上來說不是熱處理，而且大多數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麵的分子鍵，用這種"冷"光蝕處理技術加工出來的部件具有光滑的邊緣和最低限度的炭化。而且，紫外短波長本身的特性對金屬和聚合物的機械微處理具有優(you) 越性．它可以被聚焦到亞(ya) 微米數量級的點上，因此可以進行細微部件的加工，即使在不高的脈衝(chong) 能量水平下，也能得到很高的能量密度，有效地進行材料加工．
   
    微細孔在工業(ye) 界中的應用已經相當廣泛，主要形成的方式有兩(liang) 種：
   
    一是使用紅外激光：將材料表麵的物質加熱並使其汽化(蒸發)，以除去材料，這種方式通常被稱為(wei) 熱加工．主要采用YAG激光(波長為(wei) 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麵的分子鍵，使分子脫離物體(ti) ，這種方式不會(hui) 產(chan) 生高的熱量，故被稱為(wei) 冷加工，主要采用紫外激光(波長為(wei) 355nm)．
   
    表1是這兩(liang) 種加工方式的比較。

    3實驗結果與(yu) 討論
   
    3．1鑽孔實驗
   
    圖2為(wei) 采用JHM-1GY-300B型YAG激光設備與(yu) PSV-6001型355nm紫外激光鑽孔機分別在厚度同樣為(wei) lmm的陶瓷片上打出的咖2小孔。
   
    結果表明，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(cong) 實驗結果以及表1中的數據不難發現，紫外激光較紅外激光在加工速度、鑽孔精度上不止高出幾個(ge) 等級，而且質量效果也有明顯的優(you) 勢．#p#分頁標題#e#

    3．2切割實驗
   
    激光切割是利用聚焦的高功率激光照射加工材料表麵，當激光超過閾值功率密度後，引起照射點材料溫度急劇上升，溫度達到沸點後，材料產(chan) 生氣化並形成孔洞，隨著激光束與(yu) 工件的相對移動，最終在材料表麵形成切縫。切割質量(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(ti) 壓強和切割速度決(jue) 定。切割所需的激光功率直接正比於(yu) 材料的厚度，對於(yu) 黑色金屬更是一條典型的直線。最大切割厚度為(wei) 功率、會(hui) 聚透鏡焦距、激光波長、切割速度的函數。焦距及收斂角是切割質量、厚度、速度的重要參數。

    在理論上，切割厚度由激光高斯光束的瑞利區域所決(jue) 定，瑞利區在工業(ye) 界稱作焦深(DOF)，其物理表達式為(wei)

    式中，λ為(wei) 波長，f和D分別為(wei) 會(hui) 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(wei) 用紫外激光鑽孔機在0.1mm厚的高熔點金屬鉬片上進行切割的SEM照片，從(cong) SEM圖片可以看出，由於(yu) 高熔點金屬對紫外光的較高吸收，其切割邊緣平整。
   
    激光切割具有切縫窄、熱影響區小、效率高、切邊無機械應力、可適合多種不同薄膜材料的加工等優(you) 點，而且對孔徑以及特征尺寸的限製小．
   
    圖4為(wei) 紫外激光劃片與(yu) 機械劃片的對比情況，被切割濾光片介質膜的成分主要為(wei) 硫化鋅、錫化鋅等。紫外激光鑽孔機的加工頻率為(wei) 100kHz，切割速度為(wei) 10mm／s．

    從(cong) 圖4中可以看出，用紫外激光劃的濾光片邊緣光滑，損傷(shang) 小．而用機械劃片機則容易產(chan) 生"崩邊"，切割產(chan) 生的應力容易使介質膜脫落，損壞濾光片。我們(men) 知道，紅外激光切割是將材料表麵的物質加熱汽化，而濾光片介質膜在溫度超過130℃時很容易氧化變質．因而用紅外激光無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用於(yu) 某種型號的紅外器件。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、熱影響區小、切割效率高等優(you) 勢，適合於(yu) 多種不同高精度微細薄膜器件的研製。對高功率紫外激光切割技術的研究大大地促進了激光作為(wei) 萬(wan) 能加工工具的應用與(yu) 發展。

    3．3實驗比較
   
    (1)銅具有良好的導熱(熱擴散率為(wei) 1．19cm2／s，熱傳(chuan) 導係數為(wei) 4．01W／cm℃)、導電(導電率為(wei) 6×103s／m)及延展性能，而且在空氣中比較穩定[引．因此，這些優(you) 異的性能使得銅薄膜材料目前在薄膜器件生產(chan) 製造中得以廣泛應用。然而，銅在激光材料加工中屬於(yu) 難加工材料，這是因為(wei) 銅的熱反射率高，對激光的吸收率很低。因此即使在高能量密度下，使用普通的C02激光及Nd：YAG激光也很難對銅進行微細切割加工。

    但是銅對波長為(wei) 355nm的三倍頻固體(ti) 紫外激光卻具有較高的吸收率，而且由於(yu) 紫外激光的波長短，其聚焦點可小到亞(ya) 微米數量級，因此采用紫外激光對銅薄膜進行切割加工，將是研製這種高精度微細薄膜器件的有效方法．利用紫外激光鑽孔機在厚度為(wei) 0.05mm的銅片上鑽小孔，目標是小孔孔徑小、圓度和邊緣質量高．
   
    經過反複實驗，紫外激光鑽孔機的加工頻率為(wei) 25KHz，切割速度為(wei) 0.3mm／s．圖5是利用紫外激光鑽孔機加工出來的咖為(wei) 10μm的小孔．
   
    (2)在0.1mm厚生陶瓷上的加工實驗在郭棟等的《氧化鋁陶瓷基板過孔的新型激光打孔工藝》中，筆者選用了常見的氧化鋁陶瓷作為(wei) 研究對象，激光器為(wei) Nd：YAG撒光器。圖6是其加工出來的孔。

    圖6中，當打孔進行到激光脈衝(chong) 尾緣後，由於(yu) 光強和蒸汽壓銳減及光束的發散等，熔化而未來得及被攜帶走的液相會(hui) 重新凝聚在孔壁和孔入口處形成重鑄層和堆積物，陶瓷體(ti) 直接加工時孔的周圍會(hui) 形成大量不規則堆積物。而圖7中幾乎沒有堆積物，其表麵也更幹淨和平滑。
   
    4結論
   
    通過幾種實驗對比發現：
   
    (1)與(yu) 常規機械加工相比，激光加工更精密、更準確和更迅速．
   
    (2)通過鑽孔實驗可以看出：紫外激光較紅外激光在加工速度、鑽孔精度及質量效果上有較為(wei) 明顯的優(you) 勢．因此在某些孔徑精度高、孔的表麵質量要求高、加工材料熔點高的場合則可以用紫外激光來替代紅外激光．
   
    (3)從(cong) 切割實驗中不難發現：用紫外激光切割一些金屬，如銅薄膜、鉬片等，具有切縫窄、熱影響區小、切割效率高等優(you) 勢，適合於(yu) 多種不同高精度微細薄膜器件的研製。雖然固態半導體(ti) 泵紫外激光具有許多優(you) 勢，但如何通過加工參數的優(you) 化和調整，更好地利用固態半導體(ti) 泵紫外激光進行精密加工，是現階段需進一步探索的問題．