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飞秒激光材料加工的应用解析

本文作者肖凯恒,李明翱,谢扬,张翔博,乔军,辽宁科技大学材料与冶金学院,由激光行业观察整理,仅供交流学习之用,感谢分享!

红宝石激光器在1960年的成功研制促进了激光器领域的迅速发展,随之开始了激光对材料的作用机制研究。1976年,人们在超短脉冲激光领域取得了重大突破,成功研制出了飞秒激光(Femtosecond laser)。从此,飞秒激光进入人们的视野,并广泛应用于航空、航天和医学等领域。飞秒激光是脉宽为几飞秒至几百飞秒的脉冲激光。

当飞秒激光作用于材料时,会发生复杂的能量传递及扩散现象,如电子-电子驰豫及电子-晶格驰豫等过程,电子-电子驰豫及电子-晶格驰豫的时间大于飞秒激光的脉冲宽度,因此晶格在脉冲作用的时间内基本保持原来的温度,不发生明显的升温,此过程称为飞秒激光“冷加工”。相较于长脉冲的激光,飞秒激光作用于固体材料时热量扩散很小、可控性好,因此被广泛地应用于生物医疗,光电信息,材料表面结构等多个领域。

一、飞秒激光与材料的相互作用
飞秒激光与不同材料的作用机理不尽相同。金属材料中含有大量的自由电子,当飞秒激光辐射材料基体时,自由电子吸收激光能量使材料温度迅速上升,进而实现材料去除。非金属材料中的自由电子数量很少,作用机理也因此不同。
1.1 飞秒激光和金属的相互作用
(1)双温方程。为了研究超短脉冲激光与金属的相互作用,Anisimov等在1974年提出了经典的研究模型。该模型主要分析电子温度 Te 和晶格温度 Tl 随时间的变化,故称双温模型(Two tem-perature model)

飞秒激光与NiTi合金作用时电子和晶格温度随时间的演变过程如图1所示。当脉冲宽度为200fs时,电子温度上升的最快,并很快到达峰值,而此时的晶格还处于“冷状态”。这也说明了激光与金属材料作用时,主要通过自由电子吸收大量的激光能量,升温后去除材料。当辐射结束后,电子与晶格通过耦合过程达到平衡温度。

(2)阈值理论。Mourou等于1997年提出了阈值理论:在金属的烧蚀过程中必须达到其烧蚀阈值,即材料被烧蚀所需要的最小能量,才能确保材料被烧蚀。张伟等通过飞秒激光烧蚀镍合金的实验分析了不同加工参数下的损伤机制和损伤阈值,认为该合金在飞秒激光烧蚀时有非热熔性烧损和热熔性烧损两种形态。董志伟等用不同脉宽的飞秒激光和纳秒激光烧蚀了金刚石,分析了二者加工金刚石的阈值。 
(3)液相爆破理论。当脉冲激光辐射金属材料时,材料温度上升,达到熔点后发生熔化。在较低的激光能量下,材料能够发生正常的熔化、沸腾和汽化。可用图2中平衡条件下蒸发的双节固熔曲线表示,平衡曲线之上为液相,平衡曲线之下为汽相,即液-汽平衡共存线。

当高功率的飞秒激光辐射金属时,材料表面的温度上升十分迅速。液态金属的温度极高,而表面的蒸气压不能达到正常曲线对应的压力值,使得材料在A点时不能沿平衡曲线达到临界点(CP)处,此时的液态金属为过热状态,如图2中的过热线所示。液态金属的加热速度越快,到达旋节熔线的时间越短。系统具有向平衡发展的自趋性,旋节熔线会不断向平衡曲线靠近。Doring和Volmer理论提出:当温度大于0.9 TCP ,自发成核率会随温度的上升呈指数增长。所以,当过热线交于旋节熔线后,液态金属内部开始大量形核,突增的压力会以液体和蒸汽的形式喷发出来,发生液相爆炸。 
1.2 飞秒激光和非金属的相互作用
当超高的激光能量聚焦于材料表面时,会在材料表面上形成等离子体,等离子体通过吸收光子能量达到材料的烧蚀阈值进而去除材料。在此过程中涉及的物理现象主要包括多光子电离和雪崩电离。
在飞秒激光辐射非金属材料的过程中,电子吸收多个光子后,将由基态跃迁到高能量的激发态并发生电离,这个过程为多光子电离。非金属材料中的电子数量很少,通常电子以逆韧致辐射的形式吸收激光能量,成为种子电子。由于种子电子的能量较高,当不受限制的电子与原子碰撞后,会产生两个自由电子。此过程反复进行,形成雪崩电离现象,使材料拥有大量种子电子。当种子电子密度达到临界密度时,形成等离子体。等离子体以逆韧致辐射的方式吸收激光能量。
二、飞秒激光与材料作用的研究现状
随着激光器研究的不断进步,成功将光斑直径缩减至0.1µm。在21世纪初期成功将脉宽压缩到了4fs以下。激光与材料的作用过程和机制研究也在不断的深入,如表面热效应、飞秒激光抛光和微纳米结构。
2.1 表面热效应
在多脉冲激光辐射下,受辐射区域的材料温度在短时间内迅速升高。在下个脉冲到来之前,受辐射区域通过热扩散的形式向周围传递热量,并降低温度。如采用高重复频率的飞秒激光加工,由于脉冲间隔时间短,前面的脉冲作用材料后,热量来不及扩散,新的脉冲就到达材料表面,形成热量积累。在多个脉冲后,材料表面的温度因热量的积累而逐渐升高,这就是热积累效应。
当激光作用于材料,激光辐射的能量并不能被材料全部吸收。激光的能量通常可表示为

目前,对热效应的研究主要有实验法、理论模型分析法和数值计算法。实验法的结果较为准确,但成本较高。理论模型分析方法通常需要做多种的假设,因此很难指导实际的应用。数值模拟法能够考虑多个激光和材料的参数,提供较为精确的模拟结果,且所需成本低。LAUREN等利用MATLAB软件和三维热传导方程建立温度场数值模型,模拟了飞秒激光加工硅的表面热效应。通过不同激光加工参数的选择,预测了材料表面的热积累过程。之后通过耦合热传导方程模型与双温方程模型建立了新的耦合模型,显著减少了模拟时间。耦合模型与双温方程模型的模拟结果较为吻合,如图5所示。曹婷婷等通过模拟飞秒激光烧蚀K24高温合金材料,预测了单脉冲激光烧蚀K24高温合金的深度为10.50 nm,并进行了实验验证。

2.2 飞秒激光抛光
在传统的工业生产中,通常采用机械抛光、化学抛光和磁流体等技术对材料进行抛光加工。这些抛光技术虽能满足大多数的加工要求,但难以实现微米或纳米级别的高精度抛光。化学抛光和机械抛光可以大幅度提升光滑度且对材料的损伤度很低,但对加工材料有一定限制,其加工产物也有一定的污染性。
飞秒激光抛光具有高能量的激光脉冲,能实现对超硬材料、精密光学器件和薄材的精密抛光。此外,飞秒激光抛光对辅助加工设备的要求较低,可控性好,具有更广泛的加工范围;且无需特殊的气体氛围,对环境的污染较小。
根据激光和材料相互作用时热效应的大小,可将其划分成热抛光和冷抛光。热抛光去除材料的机理是利用高热量使材料熔化,实现抛光或去除。热抛光对材料的热物理性能也有一定的要求,如连续激光或长脉冲激光利用光斑处的超高能量烧蚀材料时,由于热传导的存在,会在其周围形成温度梯度,从而形成热应力使材料表面产生裂纹,对材料的表面质量造成影响。冷抛光的作用机理是在激光辐射过程中,材料接受大量光子的能量,达到化学键断裂或晶格结构破坏的能量阈值,进而发生材料去除。冷抛光加工过程中的热效应很小,所以热应力也很小,材料表面的加工质量好,且可加工的范围广泛。飞秒激光抛光技术能较好地实现冷抛光,提高抛光精度。
随着精密光学和集成电路的不断发展,相关行业对材料表面质量的要求不断提高,普通的抛光技术很难满足其要求。飞秒激光抛光技术能够满足材料的表面粗糙度要求,实现器件的高精度加工。
晶体元器件对其表面完整性有着较高的标准。通常,离子束抛光晶体表面时,会在改变表面结构的同时造成表面的热积累,对晶体表面的完整性造成影响。此外,离子束对实验环境的要求较高。飞秒激光抛光技术在加工时的热积累很小,能满足晶体表面完整性的要求。 
2.3 微纳米结构
微纳米结构在自然界普遍存在,如荷叶的自净、壁虎脚底的自净、北极熊毛发的保暖性。通过自然界的启示,认识了微纳米结构,并运用连续激光对微纳米结构进行研究。随着激光器的发展,纳秒激光、飞秒激光制备微纳米结构的研究也相继进行。研究发现了微纳米结构的一些特性。如微纳米结构可以改变光学表面特征、材料表面润湿性以及提高表面生物的相容性等。因此在此方面的研究具有重大意义。

Vorobyev等利用激光在硅表面成功获得了一种改变材料光学性质的微纳米结构,如图6所示。张会臣等人利用激光辐射MB8镁合金表面,制备了周期性的结构,并通过化学处理得到了超疏水镁合金表面。孟维艳等制备了微纳米结构的纯钛,并通过实验证明电解蚀刻形成的粗糙表面具有良好的生物相容性,无毒副作用。体内动物实验研究表明,具有微纳米结构的材料能刺激骨骼形成、加速骨骼生长和促进早期成骨。
微纳米结构可按有无规则分为周期性波纹结构和无规则结构。研究发现,当激光的能量达到材料的烧蚀阈值及以上时,材料表面通常会产生一种周期性波纹结构。无规则结构通常根据其形状划分有孔洞结构、突起结构。
目前,微纳米结构制备时采用的方法有:(1)通过材料去除,经过一定的方法去除表面结构,最终留下目标结构。(2)通过材料的生长,经过一定的物理化学方法实现在材料的表面形成目标结构。(3)利用飞秒激光扫描材料制备微纳米结构。相较于其他制备微纳米结构的方法,飞秒激光有自己独特优势。如可加工材料广泛,加工过程可以避免“热效应”,加工的参数可调控,实验的环境可在常温常压下进行。 
三、结 论
飞秒激光加工材料的研究已有20多年的历史,目前在材料加工及制备领域的应用比较广泛。通过大量的研究及实践,已有很多飞秒激光加工材料的研究经验和基础数据,但部分研究还存在问题。下面总结了目前研究中突出的问题,并展望未来的研究方向。
 (1)飞秒激光广泛运用于各种精密加工,但精准选取激光参数仍然具有较大的难度。目前研究可以较好地预测出实验所需的激光参数,但将实验结果运用于实际仍然需要进一步努力。在此基础上对模型做更准确的优化也是将来需要完成的工作。
(2)飞秒激光抛光技术是全新高效的新加工技术,但仍然存在问题与挑战。飞秒激光抛光技术所需的设备及加工成本较高,而且对材料精确加工控制技术的要求很高。未来集成电路的超大化、表面质量的高要求,也是飞秒激光抛光要面临的又一重大挑战。 
(3)利用飞秒激光扫描材料制备表面微纳米结构材料,能改善材料表面的光学性能、润湿性及提高表面生物的相容性等。在微纳米结构的运用范围方面,有待做进一步的扩展研究。

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