飞秒激光在材料微加工中ppt课件.pptx

《飞秒激光在材料微加工中ppt课件.pptx》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、飞秒激光在材料微加工中的应用地球与空间科学学院1100012448侯竣泷飞秒激光在材料微加工中的应用引言飞秒激光与物质相互作用飞秒激光微加工的应用引言激光加工技术：自1960年第一台红宝石激光器问世以来,人们就开始进行激光与材料相互作用的研究。经过40多年的发展,为了满足不同的需要,各种激光器应运而生并被广泛应用于工业加工和医疗领域。激光加工可以克服其他加工技术的一些缺点,如需要接触式加工(如传统机械加工)、昂贵的真空设备(X射线、电子束、离子束加工等)、无法加工致密材料(粒子束加工)和非平版样品(平版刻蚀技术）等,在工业加工领域备受青睐。而飞秒激光微加工技术则

2、有望克服传统激光加工技术所面临的各种困难,可以突破光学微加工方法中由于衍射极限给加工精度带来的限制.引言飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率,与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应,它主要依靠多光子吸收机制来加工一些长脉冲激光无法作用的透明材料。飞秒脉冲作用时间极短,热效应小(几乎可以忽略)，因而可以大大提高加工精度。近红外区的飞秒激光又能避免紫外激光对大多数材料不透明的缺点,可以深入透明材料内部实现真正意义上的三维立体微加工。飞秒激光与物质相互作用飞秒激光与金属相互作用飞秒激光与介质相互作用飞秒激光与金属相互作用由于绝大多数金属对可见光不透明,激光处理

3、金属材料时能量首先沉积在穿透深度范围ls=1/α(α为吸收系数)内。在光脉冲作用时间内能量逐渐转移到热扩散深度ld=Dτ(D为热扩散系数,τ为激光脉宽)的范围。对于长脉冲加工,ld>ls,热扩散效应较明显。超短脉冲可以使ld

4、焦到透明材料内部进行三维加工。在透明介质中传输时,极高的场强会导致诸多非线性效应。聚焦后的飞秒脉冲能够在瞬间将作用区的物质变成等离子体,等离子体进一步吸收激光能量导致局部加热或光损伤。多电子电离雪崩电离飞秒激光与介质相互作用多电子电离：由于透明介质中束缚电子的电离势远大于单个近红外光子的能量,一般情况下不会吸收单个光子而电离。只有在极高的光子简并度下,半导体或介质的价带电子才可以同时吸收多个光子获得高于带隙的能量而发生电离,这一过程叫做多光子电离。飞秒激光与介质相互作用水分子同时吸收4个光子发生的多光子电离过程飞秒激光与介质相互作用雪崩电离:在半导体或介质中总会

5、有极少数的自由电子,通过逆向轫致辐射过程吸收激光的能量,这些自由电子又称为种子电子。当种子电子的动能大于束缚电子的电离势时,如果它与原子碰撞则会发生碰撞电离并产生两个较低动能的自由电子。这一过程的重复发生将导致雪崩电离。飞秒激光与介质相互作用雪崩电离过程示意图飞秒激光微加工的应用金属材料加工薄膜材料加工透明材料加工高分子材料生物组织爆炸性材料加工金属材料加工由于长脉冲激光存在很强的热扩散,在激光辐照区及周围的大范围内发生熔化和飞溅现象,使得加工区边缘不清晰,为再凝固材料所包围,加工精度低;超短脉冲激光能量集中在趋肤深度范围之内且热影响区非常小,没有熔化及再凝固痕

6、迹,呈现锐利的加工边缘,加工精度高。由飞秒激光加工的精密微孔已成功用于汽油发动机喷嘴。此外,飞秒激光还能对金属基非晶材料进行精密加工,而且周围没有明显的晶化现象。金属材料加工飞秒激光加工的精密微孔及微机械零件薄膜材料加工光掩模是微(光)电子制备工业的支柱,成本极高。光掩模是由光刻工艺制备的,但由于结构极其复杂,且为多步工艺,经常存在缺陷需要修改。修改光掩模要求:l)不能损伤衬底材料;2)不能影响修改位置周围区域膜层的质量,并且不能有残渣形成;3)不能影响修改位置衬底的透明性;4)修改方法应能去除最小尺度的缺陷。飞秒激光具有最小尺度和最小热影响区,以及不影响周围区

7、域和衬底层的能力,因此,飞秒激光在光掩模修改上有着极大的优势。薄膜材料加工透明材料加工透明材料加工必须避免热扩散引起的加工区域周围的损伤和裂纹,一直是困扰激光加工技术的一个难题。飞秒激光的热影响区小,已经被实验证明可以作为透明材料的精密加工工具.透明材料加工玻璃样品的飞秒激光加工照片可以看到加工边缘清晰,无熔化和飞溅的痕迹。飞秒激光辐照还可引起辐照区域透明材料的折射率变化,这一现象已用于制备光波导和微光栅。高分子材料长脉冲激光加工热扩散效应引起周围材料损伤,材料性能明显下降,而飞秒激光加工热影响区小,周围材料没有损伤,性能也就不会下降。含氟高分子材料具有高的抗化

8、学腐蚀性,在化学微分析方