超快激光精密制造技術(shù)的研究與應(yīng)用

杜 洋,趙 凱,朱忠良,王 江,鄧文敬,梁旭東

(上海航天設(shè)備制造總廠有限公司,上海 200245)

1 引 言

近年來,隨著激光行業(yè)的飛速發(fā)展,激光器成本逐漸降低,激光脈沖寬度逐漸從以前的納秒(10-9s)突破到皮秒(10-12s)、飛秒(10-15s)、甚至阿秒(10-18s)[1],其中皮秒和飛秒激光可統(tǒng)稱為超快激光,它具有極高的峰值強(qiáng)度,與材料的作用速度比熱擴(kuò)散速度更快,使得超快激光可以非常精確地控制材料的加工狀態(tài),在打孔、切割、劃線、沉積成形等高精度微加工領(lǐng)域有著巨大潛力[2-3]。同時,由于超快激光的峰值強(qiáng)度極高,可在透明材料中產(chǎn)生非線性多光子吸收現(xiàn)象,使得超快激光能夠以超高精度加工透明材料。此外,若將超快激光焦點(diǎn)位置設(shè)置在透明材料內(nèi)部,多光子吸收現(xiàn)象可限制發(fā)生在靠近焦點(diǎn)的極小區(qū)域內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)透明材料的內(nèi)部改性和三維微納加工[4]。

基于以上特性,超快激光精密制造技術(shù)的研究和應(yīng)用迅速發(fā)展。本文首先梳理了超快激光精密制造技術(shù)的發(fā)展歷史,綜述了超快激光精密制造技術(shù)在表面加工(包括表面鉆孔、劃線、切割、焊接和表面構(gòu)型)及增材制造加工領(lǐng)域的工藝研究及應(yīng)用進(jìn)展,同時介紹了超快激光精密制造裝備在國內(nèi)外的研制情況,并探討了國內(nèi)裝備同國外裝備存在的研制差距,最后總結(jié)了當(dāng)前超快激光精密制造技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

2 發(fā)展歷史

超快激光精密制造技術(shù)的發(fā)展歷程可追溯到50多年前。1964年,DiDomenico等人在激光腔中固定縱向模式之間的相位,首次實(shí)現(xiàn)皮秒脈沖的產(chǎn)生[5]。隨后,研究人員在如何進(jìn)一步放大皮秒脈沖能量及提取更高的能量做出了大量工作[6-8]。1987年,Srinivasan R和Kuper S等人分別作做了兩組飛秒激光燒蝕聚合物試驗(yàn),試驗(yàn)表明:燒蝕區(qū)幾乎沒有形成熱影響區(qū)[9-10]。1989年,stuke等人試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超快激光帶來的多光子吸收現(xiàn)象可對透明材料進(jìn)行清潔燒蝕[11]。90年代初期,為保證超快激光帶來的非線性效應(yīng)不破壞晶體的前提下放大脈沖,啁啾脈沖放大技術(shù)迅速發(fā)展,使得超快激光變得更容易被更多的研究人員使用。1997年,Maruo S等人利用近紅外飛秒激光進(jìn)行立體光刻,直接制備透明材料三維微納米結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了超快激光在3D打印中的應(yīng)用[12]。2003年,Hashida M等人發(fā)現(xiàn)線偏振超快激光可與材料作用在表面產(chǎn)生納米波紋,之后研究人員基于此發(fā)現(xiàn),在納米尺度材料加工領(lǐng)域?qū)Τ旒す馀c材料的作用進(jìn)行了廣泛研究[13]。

國內(nèi)的上海光機(jī)所和西安光機(jī)所在超快激光與物質(zhì)的相互做和在交叉學(xué)科的前沿基礎(chǔ)研究等方面也取得了重要進(jìn)展。如上海光機(jī)所成功建成具有國際一流水平的5.4 TW、46 fs級小型超強(qiáng)超快激光實(shí)驗(yàn)裝置,同時在超強(qiáng)超快激光與小分子相互作用的動力學(xué)行為、與高溫高密等離子體作用行為及超強(qiáng)超快激光驅(qū)動的高次諧波輻射等研究方面取得了諸多成果。

隨著啁啾脈沖放大技術(shù)的逐漸成熟,超快激光系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高,超快激光精密制造技術(shù)在全新的實(shí)驗(yàn)室尺度上,直接推動了激光科學(xué)、分子物理學(xué)、等離子體物理學(xué)、凝聚態(tài)物理、非線性科學(xué)等一系列基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展,同時為化學(xué)動力學(xué)、微結(jié)構(gòu)材料科學(xué)、生命科學(xué)等前言交叉學(xué)科的發(fā)展提供了創(chuàng)新手段。

3 超快激光精密制造技術(shù)工藝應(yīng)用研究進(jìn)展

3.1 表面加工

超快激光可以最大限度地減少激光與材料作用的熱影響區(qū),從高導(dǎo)熱金屬材料到低熱阻聚合物及脆性透明材料,均可以進(jìn)行精確地?zé)g,實(shí)現(xiàn)超高清潔性精度加工?；谶@種優(yōu)良的微加工特性,超快激光在表面加工領(lǐng)域工可應(yīng)用于表面鉆孔、劃線、切割、焊接及表面微構(gòu)型。

鉆孔:超快激光在工業(yè)加工中的重要應(yīng)用是材料的鉆孔或銑削。由于飛秒激光燒蝕不涉及熱效應(yīng),可以獲得比其他方法更好的微加工特性,與納秒激光相比,飛秒激光打孔可產(chǎn)生更精確的孔,且殘余損傷及再沉積材料較少。德國弗朗霍夫研究所通過開發(fā)的超快激光螺旋鉆孔光學(xué)系統(tǒng),生產(chǎn)具有高縱橫比的精密孔(圖1),最大縱橫比約20∶1,脈沖持續(xù)時間為12 ps,焦距直徑為25 μm?？蓱?yīng)用在鋼、玻璃和陶瓷中的高縱橫比精密微孔加工,制造噴絲頭,噴射器及通氣孔等。目前,這種精密微孔加工技術(shù)越來越多地用于傳感器和過濾系統(tǒng)領(lǐng)域。

圖1 皮秒激光加工微孔Fig.1 picosecond laser processing of micropores

在航空航天領(lǐng)域,西安光機(jī)所利用超快激光極端制造技術(shù)對高壓渦輪葉片氣膜孔進(jìn)行“超精細(xì)冷加工”,完成小空腔(0.5 mm)葉片對壁無損傷微孔加工,實(shí)現(xiàn)超高精度(2 μm)及異型氣膜孔的高品質(zhì)加工(見圖2),為新型航空發(fā)動機(jī)葉片的研制提供了重要的技術(shù)支撐。同時,西安光機(jī)所使用飛秒激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)航天霍爾推進(jìn)器中流量控制板微小孔的精確加工(見圖3),可以使其控制精度由原來的mg/s提升至μg/s,減少燃料攜帶量約20 %,目前其部分關(guān)重件已成果完成在軌驗(yàn)證,促進(jìn)了航天推進(jìn)系統(tǒng)升級。

圖2 某發(fā)動機(jī)噴油嘴噴孔(孔徑0.35±0.05 mm)Fig.2 Nozzle hole of an engine(aperture 0.35 ± 0.05 mm)

圖3 流量控制板(50±2 μm)微孔制備Fig.3 Micropore fabrication of flow control board(50±2 μm)

表面劃線:表面劃線是指將聚焦的激光掃描在材料的表面上形成連續(xù)的線或槽,而沒有穿透材料,應(yīng)用于光伏行業(yè),如用于晶體硅模塊中的邊緣隔離。大多數(shù)晶體硅光伏制造商使用磷擴(kuò)散法,在摻雜p的硅晶片上涂覆一層摻雜n的外層來形成電池p-n結(jié),其中摻雜n的外層可能在組件的前后觸電之間形成有害電連接,因此需要邊緣隔離的方式,即在摻雜n的外層上形成連續(xù)凹槽,隔離電流。目前用于實(shí)現(xiàn)邊緣隔離的方法包括有納秒刻蝕、等離子體刻蝕及化學(xué)刻蝕等,而使用超快激光在邊緣層劃線開槽具有凹槽窄、精度高、效率高和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),同時與傳統(tǒng)的納秒激光處理相比,隔離槽更為干凈,其應(yīng)用示意圖如圖4所示。

圖4 激光劃線在電池p-n結(jié)邊緣隔離上的應(yīng)用[14]Fig.4 application of laser scribing on edge isolation of p-n junction of battery

切割:超快激光不僅用于加工槽或孔,也可以直接切割這些材料。在微電子工業(yè)中,切割用來分離多個單獨(dú)的集成電路芯片。圖5所示的是有多模晶圓片的圖像。微電子工業(yè)界使用的厚晶圓片(大于150 μm),可以通過帶有金剛石涂層的金屬絲刀片加工制成,而現(xiàn)在工業(yè)需要50 μm甚至更薄的晶圓片,那么使用原有的加工方法可能會產(chǎn)生裂紋。然而,非接觸式激光切割,可以有效地切割這些晶圓片,同時具有更高的精度和產(chǎn)量。此外,超快激光切割小切割線允許更多的電路芯片放置在光刻加工晶圓上,可有效降低加工每個芯片的平均成本[15]。

圖5 一種光刻加工晶圓片的原理圖Fig.5 Schematic diagram of a photolithographic wafer

焊接:對于異種材料的焊接一直是材料加工行業(yè)的難題,其中,玻璃和金屬的焊接更鮮有報(bào)道,美國NASA的戈達(dá)德團(tuán)隊(duì)使用飛秒激光進(jìn)行實(shí)驗(yàn),成功將玻璃焊接到銅上,將玻璃焊接到玻璃上。傳統(tǒng)的方法是使用環(huán)氧樹脂粘合這兩種材料,但它會釋放出氣體并將污染物沉積在鏡子和其他敏感的儀器組件上。因此,使用超快激光可以以一種獨(dú)特的方式與材料相互作用,而不熔化目標(biāo)材料。目前,其團(tuán)隊(duì)在將研究范圍擴(kuò)大到更奇異的材料,如藍(lán)寶石和Zerodur,以及鈦、因瓦、科伐爾和鋁等金屬——這些材料通常用于航天儀器，如圖6所示。

圖6 非金屬材料焊接在金屬材料上的例子Fig.6 Examples of non-metallic materials being welded to metallic materials

表面構(gòu)型:根據(jù)激光強(qiáng)度、偏振度、時空光束分布、激光波長和加工氣氛等條件,通過與超快激光束的相互作用,可以在各種材料表面形成不同類型的微納米結(jié)構(gòu)。目前,國內(nèi)外學(xué)者使用飛秒激光在材料表面產(chǎn)生的結(jié)構(gòu),包括圓錐峰[16],周期光柵[17]和波紋等。利用飛秒激光制成的表面微結(jié)構(gòu)具有一些特殊應(yīng)用,比如材料表面的抗反射性和疏水性。其中抗反射性能,一方面有助于提高材料表面對特定電磁輻射的耦合和利用效率以及對特征電磁信號的辨別能力,另一方面可以屏蔽或消除有害電磁波的干擾,在太陽能高效吸收和利用、光電子產(chǎn)品、紅外傳感和成像、軍事隱身、以及機(jī)載/星載設(shè)備等諸多領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景[18]。

美國羅切斯特大學(xué)郭春雷研究組[19-20]用飛秒激光處理高反射金屬表面(如Au、Ag、Pt、Ti、Al、W 等),制備了周期約100 μm 的溝槽結(jié)構(gòu),溝槽表面覆蓋有發(fā)達(dá)的納米顆粒團(tuán)簇,從而構(gòu)成了微納米雙尺度復(fù)合的表面結(jié)構(gòu)形式。在250～2500 nm 的波譜范圍內(nèi),其總反射率下降到5 %～10 %,使原本高反射的光澤金屬表面在可見光下呈現(xiàn)為黑色,被稱為“黑色金屬”,見圖7。

圖7 飛秒激光制備的Ti表面微納米結(jié)構(gòu)Fig.7 microstructure of Ti surface produced by femtosecond laser

對于非金屬,在硅的表面添加抗反射涂層,通常是氮化硅,但仍然會留下約10 %的未吸收光[21]。正是由于這個原因,使用飛秒激光對硅表面進(jìn)行紋理處理已成為一個重要的研究領(lǐng)域。納秒激光器也被用于在Si中創(chuàng)建用于抗反射性的結(jié)構(gòu)。由飛秒激光在鹵素氣體(如SF6和Cl2)中的幾百個脈沖照射形成,并產(chǎn)生微米大小的準(zhǔn)有序錐形結(jié)構(gòu)陣列,所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)可以強(qiáng)烈地減少入射光的反射,從而使硅表面的金屬鏡面光潔度改變?yōu)樯顏喒夂谏鐖D8(a)所示,稱為黑硅,這種織構(gòu)化的硅表面有利于提高光伏太陽能電池應(yīng)用的效率[22]。

除了抗反射性,同樣的激光輻照硅表面具有疏水性,在航空航天和海軍的防冰、減阻、自清潔和高效吸光等領(lǐng)域顯示出顯著潛力,具有高加工精度和靈活性的優(yōu)點(diǎn)。研究表明,飛秒激光可對材料進(jìn)行紋理處理,通過改變激光強(qiáng)度,有可能控制表面紋理上的尖峰大小,從而控制材料表面的疏水性,這種結(jié)構(gòu)定量地模擬了天然荷葉的結(jié)構(gòu)和拒水特性,從而表現(xiàn)出超疏水性,如圖8(b)[23]所示。

圖8 超快激光表面加工微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光捕獲性和疏水性Fig.8 light trapping and hydrophobicity produced by ultrafast laser surface processing microstructure

3.2 增材制造

使用超快激光代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光進(jìn)行增材制造,主要應(yīng)用于立體光刻技術(shù)及激光粉末熔化成形技術(shù)。其中,使用近紅外飛秒激光進(jìn)行的立體光刻被稱為TPP,該技術(shù)基于雙光子吸收的內(nèi)部改性,將近紅外飛秒激光聚焦在可光固化環(huán)氧樹脂中,能夠形成三維微觀和納米結(jié)構(gòu)。圖9示出了使用TPP制造的3D微納米結(jié)構(gòu)的例子:(a)光子帶隙晶體[24],(b)集成到開放微流控通道中的流體混合部件[25]；(c)設(shè)計(jì)用于藥物傳遞裝置的微針陣列裝置[26]；(d)通過外加磁場旋轉(zhuǎn)的微渦輪機(jī)[27]；(e)2×2的平凸微透鏡陣列[28]；(f)設(shè)計(jì)用于防止人體靜脈血流回流的微孔[29],設(shè)計(jì)用于藥物傳遞裝置的微針陣列裝置。

使用飛秒光纖激光對鎢材料的粉末進(jìn)行熔化成形時,與長皮秒激光和連續(xù)波激光相比,飛秒光纖激光器不僅可以制作3D零件,還可以改變微觀結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸,獲得了晶粒細(xì)化、硬度提高的全致密鎢制件(見圖10、11[30]),綜上,飛秒光纖激光以其可控的加熱速度及快速熔化等特點(diǎn),在制備以前無法實(shí)現(xiàn)的高熔點(diǎn)材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具有巨大的潛力。

圖9 使用TPP制造的3D微納米結(jié)構(gòu)的例子Fig.9 Example of 3D micro nanostructures made with TPP

圖10 飛秒激光成型鎢粉Fig.10 Femtosecond laser shaped tungsten powder

圖11 飛秒激光成型鎢粉橫截面(左) 與普通連續(xù)激光(右)對比Fig.11 Cross section comparison of femtosecond laser shaped tungsten powder with ordinary continuous laser

4 超快激光精密制造裝備研究進(jìn)展

目前國內(nèi)外學(xué)者使用超快激光精密制造技術(shù)在材料加工領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用。隨著技術(shù)需求的不斷擴(kuò)大,超快激光精密制造裝備的研制也變得十分重要。

德國DMG公司研制的皮秒激光精密制造裝備LASERTEC 50(圖12(a)),其加工尺寸為500 mm×500 mm×700 mm,使用5軸技術(shù)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)精細(xì)輪廓的加工、腔體零件的加工及三維激光雕刻等功能,具有高動態(tài)性、高精度及長期穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

德國ACSYS公司研制的緊湊型超快激光雕刻系統(tǒng)PIRANHAμPICO(圖12(b))配備了最新一代的光線激光系統(tǒng)及飛秒激光系統(tǒng),占地面積小于2.5 m2。其內(nèi)部支架由溫度穩(wěn)定且低振動的花崗巖設(shè)計(jì)組成,定位精度達(dá)10 μm以內(nèi),可在不同材料上進(jìn)行激光雕刻。

德國GFH GmbH公司新開發(fā)的緊湊型GL compact II(圖12(c))超快激光設(shè)備工作行程為400×400 mm,配備高精度定位系統(tǒng),重復(fù)定位精度在3 μm內(nèi),該設(shè)備的應(yīng)用幾乎覆蓋了從微鉆、精密銑削到激光車削的整個激光減材加工領(lǐng)域。

德國3D MICROMAC公司研制可用于微結(jié)構(gòu)診斷的桌面級超快激光精密裝備microPREPTM(圖12(d))。可以使用它加工復(fù)雜的3D形狀樣本,通過皮秒微加工處理微米級精度的產(chǎn)品,可保證幾乎不損壞結(jié)構(gòu),且無污染。同時這種新工藝與純離子束加工工藝相比,燒蝕速率高了三個數(shù)量級。

國內(nèi)投入到多軸超快激光精密裝備研制領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)極少,其中,西安中科微精光子制造科技有限公司研制的多軸飛秒激光微孔加工設(shè)備MicroDrill 100(圖12(e))具有特征點(diǎn)自適應(yīng)定位功能,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的空間角度微結(jié)構(gòu)加工,實(shí)現(xiàn)金屬、非金屬及復(fù)合材料的高精度微結(jié)構(gòu)加工,其加工微孔的最大深徑比為20∶1,表面粗糙度達(dá)0.4 μm,已在航天動力、電子、汽車等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

圖12 超快激光精密制造裝備Fig.12 ultrafast laser precision manufacturing equipment

綜上,可以看出,目前國外掌握超快激光多軸聯(lián)動精密裝備研制技術(shù)的生產(chǎn)單位主要以德國為主,以DMG、ACSYS、3D MICROMAC等公司為代表。國內(nèi)一些單位目前也在研制相關(guān)裝備,但核心研制技術(shù)及應(yīng)用仍然存在一定差距,主要集中在以下幾個方面:

(1)裝備加工規(guī)格偏小,不能適宜地滿足型號研制需求；

(2)裝備專用軟件功能不足,難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的表面加工；

(3)工程應(yīng)用范圍不多,目前還不能形成多批次的產(chǎn)業(yè)鏈；

(4)裝備精度、穩(wěn)定性及輔助功能方面亟待提高；

(5)激光光源的穩(wěn)定控制技術(shù)尚未成熟。

5 結(jié) 論

現(xiàn)有的研究成果表明,超快激光在精密制造方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,其超短脈沖寬度和極高的峰值強(qiáng)度是現(xiàn)有微加工技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的,它可以對各種材料(包括金屬、半導(dǎo)體、陶瓷及聚合物材料等)進(jìn)行高質(zhì)量、高精度的表面微納加工,在航空、航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。根據(jù)近年來超快激光精密制造技術(shù)的發(fā)展情況,可以看出后續(xù)的研究應(yīng)主要關(guān)注以下幾個方向:

(1)超快激光精密制造技術(shù)與減材、增材制造技術(shù)的結(jié)合有待提高,可提供幾何形狀多樣化的能力,有助于提高超快激光的加工性能。

(2)開發(fā)高功率、穩(wěn)定、可靠、價格合理的超快激光系統(tǒng),可加快超快激光精密制造技術(shù)在民用行業(yè)中的應(yīng)用。

(3)通過超短脈沖激光加工金屬,精確控制結(jié)構(gòu)形貌和尺寸仍然是研究的難點(diǎn),未來激光加工微細(xì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用取決于對于微納米結(jié)構(gòu)尺寸的有效控制。

(4)目前超快激光在航空航天領(lǐng)域里多用于金屬表面微孔加工,后續(xù)可重點(diǎn)研究超快激光作用在材料表面所體現(xiàn)的抗反性及疏水性在航空航天上的應(yīng)用。