飞秒激光金属加工中的形状及形貌控制研究

论文摘要

二十多年来,飞秒超短脉冲激光技术迅速发展起来,凭借其超快时间分辨和超高峰值功率的特征,在微/纳加工、微电子学、无线电通讯、测量系统、医学和材料科学等各个领域开拓出了广泛的应用范围。飞秒激光金属微细加工技术出现于上世纪九十年代中末期,以其极小的热影响区、极高的加工分辨率等显著优势,逐渐取代了传统的机械加工技术,在微细加工方面占据着越来越重要的地位。但是,在将飞秒激光金属微加工技术真正应用到MEMS加工领域的过程中,还存在一些问题尚未得到很好地解决。其中较为常见的是加工形状单一以及如何在保证加工效率的前提下提高加工形貌两方面的问题。本论文从理论和实验出发,针对上述两类问题进行了研究。具体研究内容如下:1、利用一维双温方程数值模拟了飞秒激光与金属材料的相互作用,计算了能量传递随材料自身特性、激光参数以及深度的变化。模拟计算了由金铬膜构成的掩模母版与飞秒激光的相互作用,比较了前向烧蚀和后向烧蚀的优劣,认为飞秒激光直写加工掩膜版时应选用前向烧蚀,实现高加工效率和高加工精度。建立二维双温方程,计算了能量沿材料径向的传递和径向热影响区,发现径向的热扩散不能忽略。2、在双温方程理论计算的基础上,建立飞秒激光加工实验系统,实验研究了基本加工参数（能量密度、脉冲数、扫描速度）对加工尺寸的影响及其局限性,提出一种多特征尺寸微结构图形高效加工的工艺方法,改变加工表面和焦平面之间的相对距离（即相对焦点位置）和能量密度实现从纳米到微米不同特征尺寸图形的加工。该方法避免了加工过程中频繁更换数值孔径和不同特征图形之间的多次缝合和叠层,提高了飞秒激光加工的效率和整体图形的加工精度,有利于实现自动和高效加工。最后,在优化参数精确控制尺寸的基础上,加工出了纳米级微光栅。3、提出一种飞秒激光多脉冲烧蚀的理论模型,以双温方程和对数烧蚀为基础,利用激光空间传播特性确定烧蚀过程中的能量密度分布和烧蚀方向,实现飞秒激光加工形状的准确预测。该模型的优点在于考虑了烧蚀过程中的束斑变化特性,克服了传统预测方法（简单累加）的缺陷,可准确预测任意加工参数下的烧蚀形状。在孔形仿真的基础上,提出扫描加工模型,针对微槽结构的扫描加工进行仿真,能够通过预测获得更准确的加工深度,拓展了模型的应用范围。该模型能够为飞秒激光微纳制造过程中的参数选择提供依据。4、全面揭示了飞秒激光金属加工中微结构的形状特征。在讨论了基本加工参数对加工形状的影响的基础上,从实验和理论上证实了激光光束特性是决定微结构形状的重要参数。研究发现,采用会聚光束、发散光束和平行光束进行烧蚀,能够分别形成V型、U型和抛物线型微结构;提出一种采用双层材料结构和两步倾斜烧蚀实现微结构形状精确控制的加工工艺方法,充分利用飞秒激光烧蚀的材料选择性,采用烧蚀阈值不同的双层材料结构,避免了激光加工中宽度和深度的相互关联,使不同宽度的微结构都具有相同深度和平整底面;再结合能够在更大范围内改变微结构侧壁角的两步倾斜烧蚀工艺,突破了改变激光参数调整形状的局限。该研究结果将有效扩展飞秒激光烧蚀技术在微纳制造领域的应用。另外,通过对工件与光束间三维运动轨迹的优化,也能够有效提高加工深度以及控制微结构形状。为满足多种复杂三维形状微结构的加工要求,可以将各种形状控制工艺相结合,制定综合加工工艺。5、系统讨论了飞秒激光金属烧蚀的表面形貌特征及其控制方法。首先,研究加工参数和激光非线性传播对加工形貌的影响,发现能量密度是决定加工形貌质量的主要因素,而扫描速度和扫描次数的合理选择,也能够显著提高加工质量;光丝效应会导致激光束的锥角辐射,产生波浪形底面。在此基础上,全面分析了焦点位置对形貌的影响,提出了利用焦点位置提升加工形貌的工艺方法。另外,利用线偏振激光产生纳米级周期结构的特点,提出了采用飞秒激光制备超疏水表面的工艺方法,产生周期性“微米结构（槽宽）+纳米结构（波纹宽度）”的复合结构,满足疏水表面的要求。这些结果为研究项目的顺利完成和该领域研究工作的深入发展打下了良好的基础。此外,本文还对该技术的发展方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 激光微加工技术及应用
• 1.1.1 激光直写微细加工
• 1.1.2 激光LIGA技术
• 1.2 飞秒脉冲激光及其应用现状
• 1.2.1 飞秒激光的能量吸收机制
• 1.2.2 飞秒激光应用现状
• 1.3 飞秒激光金属微加工的研究现状
• 1.3.1 飞秒激光与金属材料相互作用的理论模型
• 1.3.2 飞秒激光微细加工的研究现状
• 1.4 论文的主要工作
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 2 飞秒激光与金属材料的相互作用机理研究
• 2.1 双温模型的建立
• 2.2 用有限差分法求解双温方程
• 2.2.1 适用于飞秒激光的双温方程
• 2.2.2 有限差分法
• 2.3 计算结果与分析
• 2.3.1 材料体积为无限大情形
• 2.3.2 金属薄膜情形
• 2.4 二维双温方程
• 2.5 烧蚀率的确定
• 2.6 本章小结
• 3 加工尺寸的精确控制方法及其应用
• 3.1 飞秒激光微加工的实验系统
• 3.1.1 飞秒激光放大系统
• 3.1.2 其它光学器件
• 3.1.3 运动控制系统
• 3.2 激光能量密度对微结构尺寸的影响
• 3.2.1 能量密度对微孔直径的影响
• 3.2.2 能量密度对烧蚀深度的影响
• 3.3 脉冲数对烧蚀微孔尺寸的影响
• 3.4 扫描速度对烧蚀微槽尺寸的影响
• 3.4.1 扫描速度对微槽宽度的影响
• 3.4.2 扫描速度对微槽深度的影响
• 3.5 多特征尺寸微结构图形加工方法
• 3.5.1 更换聚焦光学元件调节烧蚀尺寸
• 3.5.2 改变焦点位置调节烧蚀尺寸
• 3.6 尺寸控制的应用实例
• 3.6.1 能量密度的选择
• 3.6.2 扫描速度的选择
• 3.6.3 聚焦元件和焦点位置的选择
• 3.6.4 加工结果
• 3.7 本章小结
• 4 飞秒激光多脉冲烧蚀形状仿真模型
• 4.1 形状仿真综述
• 4.2 激光系统的空间传播
• 4.2.1 高斯光束的特性
• 4.2.2 高斯光束的传播
• 4.3 仿真模型与步骤
• 4.3.1 分布在加工表面上的能量密度确定
• 4.3.2 烧蚀率和累积效应
• 4.3.3 烧蚀方向
• 4.3.4 仿真的具体步骤
• 4.4 仿真结果与实验结果的比较
• 4.4.1 一致性
• 4.4.2 相异性
• 4.5 改进的扫描加工仿真模型及仿真结果
• 4.6 本章小结
• 5 飞秒激光金属烧蚀的微结构形状特征及其控制方法
• 5.1 调节基本加工参数控制加工形状
• 5.1.1 能量密度
• 5.1.2 脉冲数/扫描速度
• 5.2 调节光束特性控制加工形状
• 5.2.1 光束传播特性
• 5.2.2 聚焦光斑尺寸
• 5.3 两步倾斜加工工艺
• 5.4 平整底面控制工艺
• 5.5 不同材料的加工形状差异分析
• 5.6 通过三维运动控制加工形状
• 5.7 本章小结
• 6 飞秒激光金属烧蚀的表面形貌特征及其控制方法
• 6.1 基本过程参数对加工形貌的影响
• 6.1.1 能量密度
• 6.1.2 扫描速度
• 6.1.3 扫描次数
• 6.2 激光束空间分布特性的影响
• 6.3 光丝对形貌的影响
• 6.4 激光偏振对形貌的影响及其应用
• 6.4.1 激光偏振对形貌的影响
• 6.4.2 偏振的控制及应用
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 论文的主要创新点
• 7.3 研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果和获奖情况