李　星

(中國(guó)民航大學(xué)，天津 300300)

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基于飛秒激光誘發(fā)前向轉(zhuǎn)移技術(shù)的研究

李星

(中國(guó)民航大學(xué)，天津 300300)

在激光誘導(dǎo)的作用下實(shí)現(xiàn)微量物質(zhì)的轉(zhuǎn)移技術(shù)即為激光誘發(fā)前向轉(zhuǎn)移技術(shù)。飛秒激光具有激光脈寬極短、峰值功率極高的特點(diǎn)，其在與材料作用過(guò)程中的特性不同于長(zhǎng)脈沖激光。在利用傳統(tǒng)長(zhǎng)脈沖激光對(duì)材料進(jìn)行加工時(shí)，材料是通過(guò)固相、液相和氣相這3個(gè)熱熔過(guò)程而逐層剝離的，從而導(dǎo)致熱擴(kuò)散十分嚴(yán)重，進(jìn)而對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生了很大的影響。飛秒激光燒蝕材料時(shí)間非常短，基體內(nèi)的熱傳導(dǎo)可以被忽略，這就從根源上避免了長(zhǎng)脈沖激光加工過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊波、熱影響區(qū)和熔融區(qū)等不利影響，從而在一定意義上使冷加工得以實(shí)現(xiàn)。針對(duì)飛秒激光的特點(diǎn)、飛秒激光加工機(jī)理和飛秒誘發(fā)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了研究，希望對(duì)飛秒激光誘發(fā)前向轉(zhuǎn)移技術(shù)有一個(gè)全面的了解。

激光誘發(fā)轉(zhuǎn)移技術(shù)；飛秒激光；薄膜

在使用飛秒激光進(jìn)行微精細(xì)加工方面，除了在微米或納米領(lǐng)域內(nèi)的去除材料及局部改性這2種機(jī)制，還有第3種機(jī)制，即利用飛秒激光對(duì)材料進(jìn)行燒蝕、誘導(dǎo)，使微量物質(zhì)發(fā)生定向轉(zhuǎn)移或沉積，最終制作出微納米級(jí)尺度的圖形，這也就是激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)(Laser Induced Forward Transfer，LIFT)。該技術(shù)最初于1986年由美國(guó)學(xué)者Bohandy等提出[1-2]，他們利用納秒激光第1次實(shí)現(xiàn)了銅薄膜的前向轉(zhuǎn)移和沉積。該技術(shù)的加工過(guò)程示意圖如圖1所示，在透明基板上鍍上所需要的薄膜，當(dāng)激光透過(guò)透明基板，且聚焦在所要轉(zhuǎn)移的源膜上時(shí)，激光作用于薄膜材料；薄膜由于受到激光照射，就會(huì)從基板上脫離下來(lái)，從而在距離基板很近的接收基底材料上沉積。因?yàn)轱w秒激光脈沖時(shí)間與材料內(nèi)部的電子晶格耦合時(shí)間相比較小，所以在飛秒激光膜轉(zhuǎn)移過(guò)程中，薄膜是直接以氣相的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到接收基底材料上的，沒(méi)有液相的形成。

圖1　LIFT過(guò)程示意圖

1　飛秒激光的特點(diǎn)及其應(yīng)用

與傳統(tǒng)的長(zhǎng)脈沖激光加工相比，飛秒激光加工有許多優(yōu)勢(shì)，主要包括如下幾方面[3-4]。

1)熱影響區(qū)小。飛秒激光的脈沖寬度極短，其與材料作用時(shí)，脈沖能量被限制在材料表面的很淺范圍內(nèi)，能夠瞬間在極小的作用空間傳遞能量，材料在瞬間達(dá)到很高的溫度，從固態(tài)變?yōu)榈入x子態(tài)。由于飛秒激光作用的脈沖作用時(shí)間較短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶格的熱傳導(dǎo)作用時(shí)間，能量只存在于光斑的輻射范圍內(nèi)，幾乎不會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，因而采用飛秒激光加工，材料的邊緣更加整潔、光滑，而且沒(méi)有熔渣堆積的現(xiàn)象。能量利用效率得到極大提高。使用不同量級(jí)的激光脈沖對(duì)不銹鋼表面進(jìn)行打孔處理的形貌如圖2所示，從圖中可知，飛秒激光打孔后的材料表面整齊，加工邊緣光滑，熱影響范圍較小，加工精度較高。

圖2　激光在鋼表面加工的表面形貌圖

2)燒蝕閾值精確。當(dāng)飛秒激光與材料之間發(fā)生作用時(shí)，非線性吸收占主要地位，飛秒激光對(duì)材料進(jìn)行加工時(shí)，各種材料均表現(xiàn)出穩(wěn)定的破壞閾值，只有當(dāng)激光能量達(dá)到材料的閾值時(shí)，材料表面才發(fā)生破壞。當(dāng)普通長(zhǎng)脈沖激光作用于材料上時(shí)，能量變動(dòng)范圍十分廣，有可能會(huì)導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象。

3)加工能量的低耗性。和普通長(zhǎng)脈沖激光相比，飛秒激光的脈沖時(shí)間極短，單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)目較多，當(dāng)激光能量相等時(shí)，飛秒激光的峰值強(qiáng)度約是納秒長(zhǎng)脈沖強(qiáng)度的105倍。一般情況下采用飛秒激光對(duì)材料進(jìn)行處理時(shí)，材料破壞需要的脈沖能量閾值較普通長(zhǎng)脈沖激光所需閾值低，大概為毫焦耳甚至微焦耳量級(jí)，因此對(duì)材料進(jìn)行加工所需要消耗的激光能量較低。

4)加工材料的廣泛性。對(duì)比納秒、皮秒等長(zhǎng)脈沖激光，飛秒激光脈沖可以在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的峰值功率。在高功率激光脈沖作用下，材料能對(duì)輻照激光進(jìn)行多光子吸收，所以飛秒激光可以對(duì)有機(jī)透明材料、半導(dǎo)體以及金屬等各種材料的表面或者內(nèi)部進(jìn)行加工，如燒蝕、改性和破壞等微加工。普通長(zhǎng)脈沖激光的脈沖持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從而削弱了它的峰值功率密度；因此，對(duì)于相對(duì)透明的材料，無(wú)法用普通的長(zhǎng)脈沖激光進(jìn)行加工，加工材料的種類(lèi)范圍受到限制。飛秒激光在聚合物材料內(nèi)部加工的三維納米牛的圖像如圖3所示。此外飛秒脈沖激光對(duì)材料進(jìn)行加工處理時(shí)，材料對(duì)輻照激光進(jìn)行多光子吸收，這種多光子吸收的程度及電離閾值只與材料的原子特性有關(guān)，而和自由電子的濃度毫無(wú)關(guān)系；因此，采用飛秒脈沖激光可以對(duì)所有材料進(jìn)行精細(xì)加工。

圖3　用飛秒激光在聚合材料內(nèi)部加工的三維納米牛

2　飛秒激光加工機(jī)理及特征優(yōu)勢(shì)

利用激光對(duì)材料進(jìn)行表面處理時(shí)，材料中的內(nèi)部電子吸收能量，從平衡態(tài)轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)或者電離態(tài)，可能會(huì)通過(guò)單光子共振躍遷、雙光子躍遷、多光子躍遷、隧道電離和超勢(shì)壘電離過(guò)程發(fā)生躍遷[5]，這些過(guò)程中只有單光子共振躍遷是一個(gè)線性過(guò)程，其余過(guò)程均依賴(lài)于材料的非線性特征。物質(zhì)的電離需要一定的能量值，當(dāng)這個(gè)能量值大于單個(gè)光子的能量時(shí)，材料的內(nèi)部電子不可能通過(guò)單光子共振躍遷過(guò)程被激發(fā)。此時(shí)通過(guò)改變激光強(qiáng)度，材料可以通過(guò)多光子吸收過(guò)程發(fā)生躍遷，在電子躍遷過(guò)程中，會(huì)生成自由電子，此時(shí)的電子具有一定的動(dòng)能，會(huì)與周?chē)脑踊蛘唠x子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生2個(gè)電子，這種重復(fù)發(fā)生，如同雪崩一樣倍增電子的過(guò)程叫做雪崩電離。如果脈沖激光的波長(zhǎng)確定，那么激光與材料的作用機(jī)理主要和材料種類(lèi)、激光的強(qiáng)度有關(guān)。如果脈沖激光的強(qiáng)度較大，在進(jìn)行材料加工過(guò)程中，材料內(nèi)部電子吸收能量表現(xiàn)出非常強(qiáng)的非線性效應(yīng)。飛秒激光脈沖寬度極短，峰值功率高，加工材料時(shí)，這種非線性效應(yīng)非常明顯。因而加工機(jī)理區(qū)別于普通長(zhǎng)脈沖激光。

在20世紀(jì)90年代初，美國(guó)Michigan大學(xué)超快光學(xué)科技中心的G．Mourou教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)始了飛秒激光燒蝕生物組織、金屬和半導(dǎo)體等材料的研究。在1997年，其系統(tǒng)闡述了超短脈沖激光與材料的作用機(jī)理：對(duì)于金屬材料，主要靠離子雪崩來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖能量的吸收；對(duì)電介質(zhì)材料，帶隙較寬，采用飛秒激光加工材料時(shí)，材料主要通過(guò)非線性吸收能量過(guò)程被燒蝕破壞。由于非線性電離產(chǎn)生的種子電子不會(huì)產(chǎn)生劇烈的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，因此飛秒激光燒蝕材料時(shí)會(huì)表現(xiàn)中精確的燒蝕閾值。這種特殊的燒蝕材料的非線性物理機(jī)制決定了飛秒激光在材料加工中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

3　飛秒激光誘發(fā)前向轉(zhuǎn)移技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

飛秒激光誘發(fā)前向轉(zhuǎn)移技術(shù)作為微細(xì)加工的一種手段，能夠制作細(xì)小結(jié)構(gòu)和精細(xì)圖形。其具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)飛秒激光脈寬極短，峰值功率高，與普通長(zhǎng)脈沖激光相比，加工過(guò)程中熱影響效應(yīng)比較小，加工精度較高。

2)不需要制備掩模，在透明基片上預(yù)先制備薄膜，飛秒激光聚焦透明基片與薄膜材料作用后，材料沉積在基底上，可以制備各種微結(jié)構(gòu)，程序簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)周期短，可以一次成型，能降低成本，而且加工精度高。

3)可以加工的薄膜材料范圍很廣。

4)加工與基底材料無(wú)關(guān)，加工過(guò)程可以在室溫環(huán)境中進(jìn)行，不需要特殊的環(huán)境和處理系統(tǒng)。

5)在材料加工過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生污染，環(huán)保。

6)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛使用，將數(shù)控加工技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)與飛秒激光誘發(fā)前向轉(zhuǎn)移技術(shù)結(jié)合，可以加工更加復(fù)雜的圖形和微結(jié)構(gòu)[6-7]。

4　結(jié)語(yǔ)

飛秒激光脈寬極短，峰值功率高。采用飛秒激光誘發(fā)前向轉(zhuǎn)移技術(shù)，能達(dá)到普通長(zhǎng)脈沖激光所不能達(dá)到的極端加工條件。飛秒激光誘發(fā)前向轉(zhuǎn)移技術(shù)對(duì)加工薄膜材料沒(méi)有限制，操作簡(jiǎn)單，沉積的薄膜與基地粘接良好，且沒(méi)有環(huán)境污染等問(wèn)題，這一技術(shù)在電子器件加工制作領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。近年來(lái)，國(guó)外已經(jīng)大力開(kāi)展了該方面的研究，但是目前還處于研究階段，距離實(shí)際的應(yīng)用階段還有很長(zhǎng)的路要走；國(guó)內(nèi)關(guān)于該方面的研究報(bào)道還很少。

[1] Bohandy J, Kim B F, Adrian F J. Metal deposition from a supported metal film using an excimer laser[J]. Journal of Applied Physics, 1986, 60(4):1538-1539.

[2] Bohandy J, Kim B F, Adrian F J, et al. Metal deposition at 532 nm using a laser transfer technique[J]. Journal Applied Physics, 1988, 63(4):1158-1162.

[3] 賈威，王清月，傅星，等.飛秒激光在材料微加工中應(yīng)用[J]. 量子電子學(xué)報(bào)，2004,21(2):194-201.

[4] 楊建軍.飛秒激光超精細(xì)“冷”加工技術(shù)及其應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2004,33(3):42-50.

[5] Mevel E, Breger E, Traunham R, et a1. Atoms in strong optical fields: Evolution from multiphoton to tunnel ionization[J]. Phys. Rev. Lett., 1993, 70:406-409.

[6] 劉明艷.秒激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移技術(shù)與應(yīng)用[D].天津:天津大學(xué)，2012.

[7] 殷志雄，肖海兵. 大功率碟片激光切割汽車(chē)零件工藝研究[M].新技術(shù)新工藝,2015(5):4-6.

責(zé)任編輯鄭練

Research on the Forward Transfer Technique based on Femtosecond Laser

LI Xing

(Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

The transfer of trace substance is realized under the action of laser induced. This technology is the laser induced forward transfer. Femtosecond laser has the characteristic of short pulse width, high peak power. Its characteristic is different from that of the long pulse laser in the process of the materials. Materials are being burnt out by solid phase, liquid phase and gas phase in use of the traditional long pulse laser processing of materials. This leads to the heat diffusion is very serious. The quality has a great impact. Time is very short when femtosecond laser ablas the material. The heat conduction in the matrix can be neglected. This avoids the adverse effects of the long pulse laser processing, such as the shock wave, the heat affected zone and the molten zone. The cold processing can be achieved in the some extent. The characteristic of the femtosecond laser, femtosecond laser processing mechanism, and the advantages of femtosecond laser induced forward transfer technology are summarized in this paper. Hope to have a comprehensive understanding of the technology of laser induced forward transfer.

laser induced transfer technology, femtosecond laser, thin film

TG 456.9

A

李星(1990-)，男，碩士研究生，主要從事飛秒激光材料改性及應(yīng)用等方面的研究。

2015-12-25