已有幾種激光器可被用於(yu) 切割，打孔，焊接，以及改變相對厚的金屬的表麵，這些技術被廣泛用於(yu) 各種工業(ye) ，包括了汽車，造船，以及醫療器械工業(ye) 。然而，許多最近新興(xing) 的應用方麵要求使用很薄的金屬薄膜來進行激光加工，並且要求很高的精確度和光潔的邊緣。近幾年來，人們(men) 提出了許多用於(yu) 激光微加工的新激光技術。這些激光器具有很好的模式質量及可聚焦性，這兩(liang) 個(ge) 因素對於(yu) 獲得很小的特征尺寸以及很光潔的邊緣來說是很重要的。

在本研究中，我們(men) 比較了使用幾種不同類型的低功率激光得到的結果，這些激光波長包括了355 nm, 532 nm, 1064 nm以及 1.085 μm。本文主要關(guan) 注將不同厚度複雜形狀的金屬薄膜切割成多個(ge) 部分。

激光的優(you) 勢

雖然用來加工金屬有很多不同的技術，但是他們(men) 都具有一些缺陷，尤其是與(yu) 激光相比的時候更是如此。比如，你可以利用EDM（電火花加工）來很有效的加工金屬，但是這個(ge) 過程在加工對象的最小特性尺寸上存在著限製。此外，與(yu) 激光相比，EDM越小的電極越昂貴而且越容易故障，頻繁的更換更增加了開支。

蝕刻技術也被用於(yu) 加工金屬，這些技術在某些情況下可能十分經濟，但是這種加工方法也有著一些嚴(yan) 重的缺陷。首先，蝕刻加工需要很多步的加工工序，而激光加工隻需一步便可完成。其次，人們(men) 不得不處理蝕刻技術導致的一些腐蝕性化學製品和有毒廢品。最後，縱橫比局限為(wei) 1:1,在這種情況下甚至會(hui) 出現底切作用或者錐形側(ce) 壁。與(yu) 此同時，機械打孔或者刻槽特征直徑局限在250 μm。雖然有100 μm的鑽頭出售，但是這些鑽頭不僅(jin) 價(jia) 格昂貴而且使用壽命短。

使用激光來將金屬切割成不同的形狀和樣式帶來了許多了便利。利用了激光以後，不再需要考慮鑽頭破損和工具磨損的問題。此外，利用激光技術對可達到的孔直徑以及特征尺寸的限製小的多。激光技術也使在有角度或者彎曲的表麵鑽孔成為(wei) 可能，而且不論材料是硬質還是軟質均適用。另外，激光設備的可編程特性也使得在很短周期時間內(nei) 高速完成數千個(ge) 這類的高速打孔和常規應用成為(wei) 可能。

在這個(ge) 研究中，我們(men) 評估了許多難以加工的薄膜金屬，包括了銅（Cu），銅鈹合金（BeCu），磷青銅（Pbronze） ，鉬（Mo），不鏽鋼（SS），鎳（Ni），鋁（Al），鈦（Ti），回火鋼（TS），以及具金屬性質的氧化銦錫（ITO）薄層（在軟與(yu) 硬材料基片上）和其它金屬的薄覆蓋層。在要求光潔邊緣和特征尺寸小的主流加工和外來加工應用方麵目前都使用著上述的金屬。厚度很薄的金屬膜目前倍受關(guan) 注。隨著電路不斷的變小而且更加集成，絕緣體(ti) 和導體(ti) 的厚度也在不斷變薄。在這些方麵有些很有趣的應用，其中之一就和很薄（通常為(wei) 幾百個(ge) 埃）的導體(ti) 材料有關(guan) ，例如 Cu， Au， Ag，和 ITO。這些金屬在薄膜的形態下表現出很有趣的特性，它們(men) 受到激光的作用時，其表現與(yu) 它們(men) 在塊狀下反應稍有不同。比如，燒蝕“厚”金屬時（厚度約大於(yu) 1微米）需要的能量密度在幾個(ge) 到幾十個(ge) 的J/cm2數量級，而同樣的金屬在薄膜形態下隻用1 J/cm2的幾分之一就足以從(cong) 基片上剝離該金屬。這些薄膜被用於(yu) 許多產(chan) 品，如，觸摸屏，平板顯示，飛機駕駛艙，以及醫療器械，這隻是幾個(ge) 例子，而更多的應用尚在研究開發中。

在每個(ge) 例子中，我們(men) 都使用了低功率的激光（小於(yu) 100 W，大部分情況下都是遠小於(yu) 這個(ge) 值）。因此，我們(men) 把金屬的厚度限製在小於(yu) 20密耳（500微米）。研究中，我們(men) 使用相幹公司（加州，Santa Clara）Avia 355nm，3W的激光器，Photonics Industries公司（紐約州，Bohemia）532nm， 7W的激光器，光譜物理公司（加州，Mountain View）1064nm, 3W的激光器。在研究中，我們(men) 沒有使用CO2激光器或準分子激光器。這是由於(yu) 對我們(men) 所研究的金屬來說，CO2激光發生了反射，而準分子激光器的商業(ye) 化程度還不足以滿足此類工作。

我們(men) 還使用了1.085微米波長，100W的光纖激光器進行了一些實驗並對結果進行了討論。二極管泵浦的固態激光器在短波長時有著優(you) 良的光束質量，可被聚焦成20微米或更小的光斑。由於(yu) 這比我們(men) 在實驗中所要研究的特征尺寸小的多，因此我們(men) 需要多次進行打孔或者刻槽。我們(men) 將DXF文件導入光學加工軟件並且加上激光參數。這樣，我們(men) 便得到了一個(ge) 存有所有加工信息的加工文件，這便於(yu) 日後的參考和使用。需要指出的是，這裏所附的所有圖片（除了特別指出的一張），即高分辨率的照片都是用40倍放大的立體(ti) 照相設備在激光加工完成後直接拍攝的，並未經加工後的清洗。因此，這裏給出的圖片可以認為(wei) 是“最差”的情況。此外，所有的附圖都是利用檢流計掃描光束得到的，並未利用輔助氣體(ti) 。

圖1a：355nm激光在125μm厚的銅上的切口
圖1b：532nm激光在125μm厚的銅上的切口
圖2a：355nm激光在150μm厚的鈹銅合金上的切口
圖2b：532nm激光在150μm厚的鈹銅合金上的切口
圖3a：355nm激光在50μm厚的鉬上的切口
圖3b：532nm激光在50μm厚的鉬上的切口
圖4a：355nm激光在100μm厚的不鏽鋼上的切口
圖4b：532nm激光在100μm厚的不鏽鋼上的切口
圖5a：355nm激光在125μm厚的回火鋼上的切口
圖5b：532nm激光在125μm厚的回火鋼上的切口
圖6a：355nm激光在330μm厚的鎳上的切口
圖6b：532nm激光在330μm厚的鎳上的切口

激光加工結果

這裏我們(men) 給出了一些激光加工的結果，其中包括了兩(liang) 種不同激光的對比：355 nm激光（所有的圖a）和532 nm（所有的圖b）。圖1給出了一個(ge) 典型的切割，它利用這兩(liang) 種激光來切割125微米厚度的銅；所有情況中，切口均在大約75到85微米範圍內(nei) 。雖然兩(liang) 種激光的切割結果都很不錯，但是532nm激光耦合得非常好，而且與(yu) 355nm激光的結果相比，加工時間更快而且更加光潔。355nm激光適合用在印刷電路板加工方麵，因為(wei) 532nm激光與(yu) 電介質的耦合不如355nm的紫外激光好。

圖2給出了同樣的兩(liang) 束激光作用在150微米厚的銅鈹合金上。這些結果與(yu) 銅的結果進行了很好的對比（磷青銅的結果也是如此，這裏並未給出）。所有這些金屬銅和金屬合金都與(yu) 兩(liang) 種激光耦合的很好。這裏我們(men) 需要指出的是，我們(men) 用1.085微米的光纖激光器無法得到銅的光潔加工，這是由於(yu) 在1.085微米波長時反射率太大了。

圖3給出了激光切割鉬同樣的圖樣。532nm激光與(yu) 鉬的耦合並不如它與(yu) 銅的耦合，雖然這種激光仍然可用。將這些結果與(yu) 100微米厚的不鏽鋼（圖4），回火鋼（圖5），鎳（圖6）的結果進行對比。這裏需指出，鋁對532nm激光響應並不是很好，而355nm激光倒可以在300微米厚的鋁板上進行很好的切割（圖7）。作為(wei) 比較，圖8給出了與(yu) 圖6a一樣的切口，就是使用355nm激光切割鎳，但是圖8中我們(men) 還使用了在弱酸條件下，用超聲波進行激光加工後的清洗，這就給出了一個(ge) 非常光潔的最終產(chan) 品。圖9給出了355nm激光切割125微米厚的鉬得到的圖樣。圖中的“臂”延伸到圖中給出的以下約25毫米處。由於(yu) 切割口隻有稍許加熱，因此我們(men) 沒有看到表麵的不平，而這種現象在使用很多“熱”激光器時是很常見的。#p#分頁標題#e#

圖7：355nm激光在300μm厚的鋁上的切口
圖8：圖6a所示樣品經過超聲波清潔的結果

圖9：激光在鉬上的指狀切口

我們(men) 也觀察了使用1.5微米的光纖激光器的效果。我們(men) 使用它無法刻蝕任何銅基金屬。然而，對其他金屬，如不鏽鋼，回火鋼，以及鎳，其加工速度快（相對），刻蝕質量好，結果很令人滿意。我們(men) 注意到在這裏，實驗室設備是處在堿性條件下的，所以我們(men) 使用了一個(ge) 固定光束傳(chuan) 輸係統，並使用了高度的氣體(ti) 輔助。我們(men) 也研究了13ps，1064nm激光的使用效果。我們(men) 發現切割質量非常的好，雖然我們(men) 並未將這種激光進一步對其他金屬進行驗證，但是可以相信，這種激光將對相當大範圍內(nei) 的物質有效。圖10a給出的是利用光纖激光器切割不鏽鋼的圖，圖10b給出的是利用皮秒激光器在不鏽鋼上產(chan) 生的25微米的切口。注意到光纖激光器的結果與(yu) 其他的結果相比不太均勻，但是這是由於(yu) 人為(wei) 設置倉(cang) 促產(chan) 生的原因，不是由於(yu) 激光光源本身的缺陷。

圖10a：1.085μm光纖激光在100μm厚的不鏽鋼上的切口
圖10b：1064nm皮秒激光在不鏽鋼上的切口
圖11：塑料上金的鍍膜的複合圖樣

最後，圖11給出了刻蝕噴鍍在聚酯薄膜上的黃金的複合圖樣。利用激光我們(men) 可以很容易且幹淨的將很複雜而密集的圖樣薄膜剝離，使用355nm或者532nm激光取決(jue) 於(yu) 基片以及要求的特征尺寸。基於(yu) 檢流計的光束傳(chuan) 輸可以使傳(chuan) 輸更為(wei) 簡單並且使精確度達到10到20微米的量級（固定光束傳(chuan) 輸精確度可以達到微米量級，但是處理速度較慢）。

結論

下麵是我們(men) 的得到的結論：

355nm的調Q激光器在我們(men) 所測試的所有金屬中都表現了很好的加工性能，特征尺寸小（點距為(wei) 25微米）。任何厚度薄於(yu) 125微米的金屬均可以進行快速且光潔的加工。在5到10密耳（250微米）厚的金屬其加工結果十分光潔，但是塊狀體(ti) 的加工可能會(hui) 比較慢。加工中還可能有近20密耳（500微米）厚的金屬，這些加工速度會(hui) 降低。而大於(yu) 20密耳的金屬就不適合用調Q激光器來進行加工了。我們(men) 認為(wei) 這個(ge) 結論對目前可使用的如10W或者15W的激光器來說都不會(hui) 有很大的變化。

532nm的激光器在很多金屬上也同樣給出很好的結果，尤其是對含銅的金屬。因為(wei) 它波長更長，所以對一個(ge) 給定的光學設備，它可以達到的最小光斑大小比355nm激光器要大一些。這些激光器可用範圍達到15W，其M2值較小（也有更大的激光器可用，但是M2值也上升了），這些激光器比355nm激光器的購買(mai) 和運行成本要低。

532nm和355nm激光器在從(cong) 各種不同基片上剝離薄膜方麵表現出很好的特性。可以利用532nm激光穿過透明基片如玻璃。355nm激光即使在基片對紫外光有吸收的情況下，也可以剝離頂麵的覆蓋層，而對基片的損壞則很少或幾乎沒有。

皮秒激光器也值得關(guan) 注，它提供了非常光潔的加工結果。但是由於(yu) 目前其成本相對比較昂貴，使得皮秒激光器除了在某些特殊場合外幾乎未能被使用。
簡言之，光纖激光器似乎是金屬加工的又一可利用方案，其激光切割光潔而且迅速，甚至對幾毫米厚的金屬也是如此。固有的頻率無法應用於(yu) 含銅金屬，但是以後二倍頻和三倍頻技術的發展可能促使這些激光器對所有的金屬都適用。