皮秒激光在微納加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

剛肖

【摘 要】皮秒激光作為超短脈沖激光的典型代表，具有超短脈寬、超高峰值功率的特點(diǎn)，其加工對象廣泛，在加工制造過程中可用于加工金屬、有機(jī)材料（含透明材料）、陶瓷以及復(fù)合材料。基于其熱損傷小且加工精度高等優(yōu)點(diǎn)目前被廣泛應(yīng)用于微納加工領(lǐng)域，在制備親/疏水（油）表面、彩色表面等功能化表面以及清洗涂層、光柵、微焊接等實(shí)踐方面取得了進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】皮秒激光；微納加工；功能化表面；應(yīng)用現(xiàn)狀

【Abstract】As a typical ultrashort pulse laser，picosecond laser has the characteristics of ultrashort pulse width and high peak power，it can be used in various materials such as metal，torganic materials （including transparent material），ceramic and composite materials in the manufacturing process.Based on the advantages of low thermal damage and high machining accuracy，picosecond laser has been widely used in the micro nano processing field and has made some progress in the aspects below：fabrication of functional surface such as hydrophilic/hydrophobic surface （or oil） and color surface，cleaning the coating，grating，micro welding and so on.

【Key words】Picosecond laser；Micro and nano processing；Functional surface；Application status

0 前言

微納加工技術(shù)是一種前沿加工技術(shù)，主要用于特殊零部件或者特殊表面的制備，是目前尖端領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是反映一個國家制造業(yè)水平和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展程度的重要方面。盡管目前已有許多較為成熟的微納加工技術(shù)，如微注塑成型技術(shù)、超聲波微加工技術(shù)等，但它們都或多或少存在一些問題，例如微注塑成型技術(shù)手受模具影響其加工精度提升起來很困難，且主要加工對象為有機(jī)材料，范圍有限[1]。激光自20世紀(jì)60年代誕生以來就一直是國內(nèi)外廣泛重視的一門技術(shù)和研究方向，關(guān)于激光的應(yīng)用也是逐步從光學(xué)延伸到了光電、機(jī)械加工、醫(yī)療等領(lǐng)域。隨著超短脈沖激光（ultrashort pulse laser）的誕生，圍繞超短脈沖激光作用于材料表面制備微-納米結(jié)構(gòu)、精確控制材料去除的研究就一直是熱點(diǎn)和領(lǐng)域前沿，這些微-納米結(jié)構(gòu)帶來了許多獨(dú)特的性質(zhì)：超疏水性[2]、減阻特性[3]、強(qiáng)耐磨性[4]、陷光效應(yīng)及表面結(jié)構(gòu)色[5]等。傳統(tǒng)的激光加工熱輸入大，在加工過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力使得金屬等薄板材料發(fā)生變形，影響了微納加工的效果。皮秒激光（picosecond laser）介于納秒激光和飛秒激光之間，既有著類似于飛秒激光的典型的超短脈寬、超高峰值功率特性，也具備飛秒激光所不具備而又有別于長脈沖激光的加工效率[6]。因此，皮秒激光在微納加工領(lǐng)域具有獨(dú)一無二的特點(diǎn)，目前也被廣泛應(yīng)用于這一領(lǐng)域，在許多方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展[7]。

1 皮秒激光加工機(jī)理與特點(diǎn)

激光照射到材料表面時，除一部分光被反射外，其余光能基本都進(jìn)入材料內(nèi)部，這其中的一部分被材料本身吸收，另一部分則透過材料（對于不透明物質(zhì)，透射光則被吸收）。普通的長脈沖激光在與材料的相互作用過程中，隨作用時間的推移，通常經(jīng)歷以下幾個階段：1）固態(tài)加熱及表層熔化階段；2）形成增強(qiáng)吸收等離子體云階段；3）形成小孔和阻隔激光的等離子體云階段[8]。對于金屬材料，皮秒激光的能量被材料內(nèi)的自由電子線性吸收，激發(fā)之后產(chǎn)生等離子體，在等離子體與皮秒激光共同作用下，材料內(nèi)部膨脹、爆炸產(chǎn)生沖擊波，使得受作用區(qū)域材料脫離母材，完成材料加工過程。對于有機(jī)材料，當(dāng)聚合物的多鍵所吸收激光的能量過多時，鍵發(fā)生斷裂從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。一般地，皮秒激光的熱損傷極小，在適當(dāng)工藝條件下可實(shí)現(xiàn)無損傷加工，但是當(dāng)同一部位皮秒激光加工重復(fù)進(jìn)行時則容易出現(xiàn)損傷和破壞。

皮秒激光用于微納加工有很多優(yōu)點(diǎn)。一方面，皮秒激光可加工材料范圍廣。從理論上來講，只要皮秒激光的脈沖足夠短、能量足夠大，可以對任何材料進(jìn)行精細(xì)加工和處理。另一方面，皮秒激光微納加工精度高。激光的準(zhǔn)直度好，皮秒激光光斑大小又是微米量級，因此在實(shí)際加工過程中易于控制，可重復(fù)性較好。同時，皮秒激光加工所需的脈沖能量一般為毫焦耳或微焦耳量級，相比于傳統(tǒng)激光加工消耗的能量大大降低，具有能耗低的優(yōu)點(diǎn)。

2 皮秒激光在微納加工中的應(yīng)用

2.1 皮秒激光制備功能化表面

仿生學(xué)是人類模仿生物進(jìn)行相關(guān)特性研究的一門學(xué)科，基于生物的進(jìn)化理論和生物的多樣性，生物體本身有很多值得我們學(xué)習(xí)和研究的內(nèi)容，大多數(shù)功能化表面的研究也都是從仿生這一角度入手。

自然界中，荷葉表面具有許多絨毛狀凸起的微細(xì)結(jié)構(gòu)，而這些微細(xì)結(jié)構(gòu)與材料表面自身的物理化學(xué)性能一道共同決定了材料表面的潤濕性，潤濕性可分為親水和疏水兩種，當(dāng)表面靜態(tài)接觸角大于150°時我們稱其為超疏水表面。荷葉等自然界中植物的葉子表面的自清潔現(xiàn)象就是來源于此，水珠滴在葉子表面后由于無法良好浸潤而發(fā)生滾落，在滾落過程中帶走了表面的灰塵，通過仿生制備網(wǎng)格狀、乳狀或者點(diǎn)陣微結(jié)構(gòu)可以獲得所需疏水/疏油性能，較好的工藝下可達(dá)170°左右的靜態(tài)接觸角。鯊魚表面同樣具有類似微細(xì)結(jié)構(gòu)，顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)其表皮存在有盾形鱗次櫛比的微細(xì)結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)減小了表面上流動的液體的流動阻力。

2.2 皮秒激光用于表面清洗

許多零部件在使用或維護(hù)階段需要對表面進(jìn)行清洗。例如焊釘作為大量應(yīng)用于大型建筑鋼架的緊固件，在焊接開始之前需要將其表面的氧化層去除，同樣的，鋁合金焊接的一個難點(diǎn)就在于表面氧化層的去除，傳統(tǒng)的清洗法主要有機(jī)械刮除和化學(xué)酸洗法，不僅操作環(huán)境惡劣，而且還會對基體造成損傷。利用皮秒激光、納秒激光去除氧化層是一種清潔、有效的方法，去除氧化層的同時還增加了表面粗糙度，進(jìn)而促進(jìn)了焊接過程中的能量吸收。在比如船體表面在維修過程中需要將原本被部分破壞掉的涂層去除掉，然后除銹之后進(jìn)行重新噴涂，激光清洗技術(shù)的應(yīng)用可以充分滿足去涂層和除銹任務(wù)，同時保證了再噴涂前的表面清潔度和粗糙度。

2.3 皮秒激光用于微焊接

傳統(tǒng)玻璃焊接技術(shù)中，因?yàn)樗砑拥暮噶系木壒士偸谴嬖谝桌匣?、易腐蝕等問題，且焊接質(zhì)量較差。超短脈沖激光引起玻璃的非線性吸收，能量的輸入引起了材料的熔化和固化，吸收的強(qiáng)弱受激光參數(shù)影響。皮秒激光峰值能量較高的特點(diǎn)可以輕易滿足焊接的能量需求，同時脈沖激光的形式可以實(shí)現(xiàn)小部位的點(diǎn)焊接、線掃加工的線焊接等多種方式。通過調(diào)節(jié)激光的重復(fù)頻率、點(diǎn)陣間隔、激光功率、加工速率等參數(shù)可以最終實(shí)現(xiàn)較好的無焊料玻璃疊焊。但是，由于皮秒激光的平均功率較低，尚無法滿足大型零件或者大厚板的焊接加工，這也是皮秒激光用于焊接的局限性之一所在。

2.4 皮秒激光用于外觀設(shè)計(jì)

智能與電子產(chǎn)品的流行滿足了人們?nèi)粘Ｉ畹闹T多需求，在追求便利實(shí)用的同時人們也在追求設(shè)備產(chǎn)品的美觀，一個美麗的外殼更加被人們看重和欣賞。研究人員通過調(diào)控激光工藝參數(shù)間接控制微-納米級結(jié)構(gòu)的形貌，以實(shí)現(xiàn)類似于蝴蝶表面的彩色外觀，現(xiàn)彩色技術(shù)已可應(yīng)用于鋁、鉑、鈦等多種金屬表面。手機(jī)外殼、智能手環(huán)表框等諸多零部件均可利用此技術(shù)進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)和美化，在不損傷材料的基礎(chǔ)上帶來色彩的變幻會給人們帶來不小的驚喜。

3 展望

超短的脈沖寬度、超高的峰值功率、超快的反應(yīng)時間，這些都賦予了皮秒激光等超短脈沖激光以獨(dú)特的魅力，通過激光燒蝕、直寫等方式，皮秒激光可以制備表面微結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)功能化表面，可以去除表面涂層及氧化層，可以定點(diǎn)焊接，可以帶來金屬表面色彩的改變。雖然目前關(guān)于皮秒激光在微納加工領(lǐng)域的一些應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但其巨大的潛力伴隨著激光器成本的降低一定會成為市場上的一匹黑馬，也會給社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]