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小火龙果

2024-08-10 15:08

激光烧蚀 | RP 系列激光分析设计软件

激光烧蚀的应用

激光烧蚀工艺应用于激光材料加工的许多领域:
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· 在激光切割、钻孔和激光铣削等激光加工过程中，需要去除一定数量的材料。
· 这同样适用于用于激光打标或其他目的的激光雕刻。在这里，人们通常需要去除材料直到一个明确定义的深度。获得的均匀性和由此降低的表面的低粗糙度可能是重要的。通常，烧蚀是通过一系列的激光脉冲来完成的，每一个激光脉冲都在前一个激光脉冲的位置上轻微移动。这一过程适用于各种材料，如金属、陶瓷、玻璃和聚合物。
· 机器零件是经过加工得到的显微组织表面。例如，为了减少润滑部件的摩擦，例如内燃机的汽缸和活塞。
· 某些类型的激光表面修饰还涉及烧蚀，通常在微观尺度上。
· 激光清洗意味着去除某些不需要的材料类型，这些材料通常比底层基材更好地吸收激光辐射。这种选择性在实践中通常非常有助于完全去除所有不需要的材料，同时保留衬底材料。
· 薄膜光伏电池需要在其边界处绝缘，即需要烧蚀金属层。此外，接触它们通常需要烧蚀一些绝缘层。
· 脉冲激光沉积利用激光烧蚀材料，以便将其沉积到其他地方。
· 一个奇特的应用是将激光推进，利用烧蚀材料的后坐力。对于远高于火箭废气速度的反冲速度，激光推进在所需推进剂质量方面可能更有效，同时需要更多的能量（例如来自核反应堆）。
在材料加工领域之外也有应用，例如激光诱导击穿光谱（LIBS）。这里，一个光谱分析产生的等离子体羽流的辐射。

激光消融的非技术应用主要在医学领域:
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· 激光手术可以非常准确地切除精细结构（例如，恶性肿瘤的部分），而不会显著影响其邻近区域；然而，处理速度可能相当低。
· 激光消融也可用于牙科治疗龋齿，当使用波长合适的激光时，可以选择性地去除受蛀牙影响的组织，同时保留牙齿未受影响的部分。

激光烧蚀的物理学

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激光的吸收
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一些入射激光被吸收，其能量转化为热量。通常，应选择激光的波长以使吸收长度相当短。这样，入射功率就会被吸收在一个小体积中，从而引起相应的强烈加热。反射损耗通常也相当小。
为什么近红外激光被如此频繁地使用?
激光烧蚀通常使用近红外光完成，主要是因为在该光谱区域可以找到性能最好且最便宜的激光器。然而，增加的吸收通常可以通过倍频来实现，例如从1μm波长区域到0.5μm左右的区域，从而有效地获得绿色激光。
例如，铜对绿光的吸收比对原始红外光的吸收要好得多，因此尽管在倍频过程中脉冲能量损失很大（通常为50%左右），但烧蚀过程可以变得更加有效。当频率增加三倍或四倍时，甚至可以进入紫外线区域，许多材料在该区域获得非常强的吸收。或者，可以直接从紫外激光开始，例如准分子激光。
非线性吸收过程通常与激光烧蚀密切相关。
一种特殊情况是用激光切割透明材料，如光学玻璃，例如在近红外波段，通常不会被吸收到任何显著程度。然而，当施加非常高光强的光时，可以通过非线性过程获得大量吸收，这可以通过应用放大的超短光脉冲来实现。
最初，该过程可能以多光子吸收开始，一旦材料的状态被沉积的能量实质性地改变，吸收可能进一步实质性地上升(反常吸收)。
即使在低强度水平下已经获得足够强的吸收，在激光烧蚀过程中也经常发生显著的异常吸收。
在某些情况下，利用选择性吸收(依赖于材料的吸收)，例如，在激光清洗中(见下文)。在这里，正确选择激光波长就显得尤为重要。

物料喷射
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通常涉及烧蚀材料的汽化。
例如，当仅对金属施加中等光强度时，沉积的能量可能仅足以熔化。少量产生的金属蒸气可用于通过其蒸气压排出液体（熔体）。或者，可以为此目的使用燃气喷射器，通常只有重力是不够的。
然而，更频繁的是，人们施加更高的强度，这样所有被移除的物质都蒸发了，并以羽流的形式离开了现场。通常，与激光的相互作用进一步电离蒸汽，导致等离子体。
出现的等离子体羽流可能实质上与激光辐射相互作用，在某些情况下屏蔽工件免受激光照射。这种效应可能会大大降低该工艺的效率。然而，在某些情况下，等离子体甚至通过吸收更多的激光（即通过反射减少功率损失）和通过热辐射传递能量来支持烧蚀过程。
在这种情况下，经常使用升华一词。这意味着在任何时候都没有大量的液相存在，因为热量的快速供应会很快使任何物质蒸发。这是实际意义上的升华，与热力学的意义不完全相同。

热传导，使用短激光脉冲
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如果施加连续的激光或长脉冲，产生的大部分热量可以通过热传导扩散到材料中。这通常是不希望的，因为即使加热仍然足够强，导致烧蚀，在烧蚀过程后可能会有一个大的热影响区（HAZ）。该区域可能表现出氧化、几何形状的变化或其他形式的退化。特别是在金属中，表现出高导热性（由于电子的额外热传导），热传导可能是相当有害的。在像陶瓷、聚合物和玻璃这样的绝缘体中，这反而很简单。
限制热传导影响的一个简单方法是在很短的时间内施加能量。对于激光，这意味着应用短甚至超短的光脉冲，可以用各种脉冲激光产生：
纳秒激光提供了最便宜的解决方案，尽管效果并不理想。
· 调q激光器和一些其他类型的激光器通常产生持续时间在几纳秒到大约100纳秒之间的脉冲（→纳秒激光器）。虽然这样的脉冲持续时间不能完全抑制热传导的影响，但它们已经大大改善了这种情况。这种激光器可以提供的脉冲能量（例如几十毫焦耳，通常不依赖于复杂的技术）直接适用于许多烧蚀过程，而无需使用额外的光学放大器。
超短脉冲源（超快激光），尤其适用于微加工。
· 皮秒激光器和飞秒激光器的脉冲持续时间可能要短得多，而且在这种极短的脉冲持续时间下，热传导只起很小的作用。因此，人们可以实现“冷烧蚀”（非热烧蚀）不是在避免高温的意义上，而是直接邻近的非烧蚀材料不会经历太多的热量；因此，热影响区相当小，即使在制造相当精细的结构（→激光微加工）时，也可以实现非常高的加工质量。
然而，请注意，由于超短脉冲通常以相当小的能量从锁模激光器（或有时从皮秒二极管激光器）获得，并且只有高增益光放大器系统才能实现足够高的烧蚀能量（用于微加工的微焦耳或用于宏烧蚀的毫焦耳）。主要是由于这个原因，皮秒和飞秒激光系统适合激光烧蚀比纳秒激光器昂贵得多。只有在低微焦耳区域，可以使用相对简单的光纤放大器技术。
有关激光源的更多详细信息，请参阅关于激光材料加工的文章。
如上所述，特别是飞秒脉冲可以同时提供有益的非线性吸收，扩大了可烧蚀材料的范围。
另一个有趣的方面是能量最初只转移到材料的电子上。它们迅速热化，彼此交换能量，只需要100秒。然而，它需要更长的时间，通常是几十皮秒，才能将能量转移到晶格中，即引起热振动。这意味着脉冲持续时间为飞秒或至少不超过几皮秒，人们可以将能量主要沉积在电子系统中，导致物质的高度激发态，随后导致原始固体结构的“爆炸”。
当然，在皮秒或飞秒脉冲的持续时间内，物质（包括羽流）的实质性运动是不可能的。即使是光在1皮秒内（真空中）也只能传播超过0.3毫米，而且材料的速度远远低于光速。

烧蚀阈值
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高能脉冲烧蚀更多的物质，低于某个阈值，就不会发生太多事情。
材料的有效烧蚀通常只有在脉冲能量超过一定阈值时才会发生，低于这个阈值，可能几乎没有消融。烧蚀阈值的取值取决于烧蚀材料的类型、表面粗糙度和表面杂质、激光束半径和脉冲持续时间。对于较短的脉冲持续时间，阈值能量可以稍小，因为热传导损失减少。
烧蚀效率在阈值以上很差，但在非常高的强度下也不理想。
当施加的脉冲能量仅略高于烧蚀阈值时，烧蚀材料的量相当小，因为材料内部略低的强度（通过吸收减少）已经低于阈值。因此，只有一小部分沉积能量可用于烧蚀。未使用的能量甚至可能导致不必要的热影响区（见下文）。
另一方面，更高的脉冲能量导致更深的穿透，即烧蚀更多的材料，但它可能向一些材料（也进入羽流）注入比烧蚀所需的多得多的能量。因此，消融效率不一定会提高很多。
另外，尽管高斯光束具有最高的光束质量，但它们通常并不理想。问题在于空间轮廓的外部未达到烧蚀阈值，因此沉积了无用的能量。因此，人们可能想要使用一种光束整形器来更接近平顶光束轮廓。

多脉冲效应
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虽然在某些情况下，小点上的激光烧蚀是用单个激光脉冲完成的，但人们经常在每个板上施加大量脉冲到更高的深度和/或更大的区域。通常，沿着一条线扫描激光束，同时施加规则的脉冲序列，使得每个击中的点与最后一个点有一定的距离。通过合适的扫描模式，还可以覆盖整个区域。
通常，后续激光脉冲的时间间隔非常大，因此可以假设当下一个脉冲到来时，材料在很大程度上松弛到其原始状态，即使该脉冲再次击中同一点。例如，可以使用具有 1kHz 脉冲重复率的 Q 开关激光系统，即后续脉冲之间的间隔为 1ms，那么可能只剩下先前脉冲的一些热效应。本质上，每个脉冲都会烧蚀一定体积的材料，而不会受到先前脉冲影响的太大影响。脉冲重复率只能影响热影响区，如下文进一步解释。
然而，突发模式激光器可以产生脉冲突发（束、组），其中每个突发内的时间脉冲间隔相当小——例如仅1ns。在这种情况下，每个脉冲都会受到先前脉冲造成的影响的显着影响。顶部表面附近的一些剩余热量甚至可以允许烧蚀甚至低于单脉冲烧蚀阈值。因此，该过程可能会变得更加高效。尽管如此，通过允许束之间有足够长的冷却时间，可以避免热量的过度积累。另一方面，所产生的羽流可能存在问题，羽流无法在如此短的时间内消失，并且可能在一定程度上保护工件免受激光辐射。
相同的激光平均功率，当应用突发而不是常规脉冲序列时，每秒可以烧蚀更多的材料，而不会在剩余材料中沉积更多的热量。由于这些原因，开发了突发模式激光器。从技术上讲，这并非微不足道，例如由于突发期间增益饱和的问题。

处理速度
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激光烧蚀本质上是能量密集型的。
处理速度通常受到可实现的去除率的限制，例如以每分钟mm3为单位。通过考虑将原始固体材料转化为蒸汽等离子体状态所需的能量，以及各种功率损失，例如通过激光辐射的不完全吸收，热传导，热辐射和等离子体屏蔽，可以大致估算出去除率。即使上述类型的损耗相对较小，也需要大量的体积比光能-远远超过其他烧蚀方法，例如机械类型。另一个因素是激光系统的插墙效率有限。
前一节的考虑也与烧蚀效率有关。如前所述，部分被移除的材料通常获得比烧蚀实际所需的能量更多的能量，而一些能量在材料的某些部分损失，其中一个保持在烧蚀阈值以下。
液体排出法更节能，但效果不佳。
如果大部分材料以液体形式排出，则可以获得实质上更高的去除效率。然而，就结果的质量而言，这种方法往往有缺点;例如，液滴可能沉积在其他地方，破坏材料。此外，复杂的流动动力学可能导致工艺条件不稳定。
在优化了各种与效率相关的方面之后，限制因素通常是所用激光系统的可用平均功率。特别是对于超快激光器，一个挑战是在不降低脉冲质量和增加成本的情况下提供更多的输出功率。
光纤激光系统在提供具有高平均功率的超短脉冲方面具有特别高的潜力，只要脉冲能量保持相当小。它们也可以与体放大器组合，作为中等增益的脉冲能量增强器。这种激光系统的持续发展可以预期越来越多地为高处理速度提供经济可行的解决方案。

热影响区和其他有害影响
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前面已经提到，烧蚀后经常观察到热影响区。人们通常不仅需要考虑单个脉冲的热影响区，而且需要考虑在样品上应用多个脉冲的热影响区，例如在雕刻操作中。可能发生的情况是，虽然单个脉冲几乎不会产生任何热效应，但在相对较短的时间内（即高脉冲重复率）施加许多脉冲时，可以产生大量的热影响区。
请注意，即使热传导效应可以忽略不计，一些热量也会沉积在暴露于亚阈值强度水平的材料部分。因此，使用超短激光脉冲并不能完全解决这个问题，至少在高处理速度需要高脉冲重复率的情况下是这样。然而，有时可以制定策略来更好地权衡速度和热效应-例如，通过应用有用的扫描策略。
消融过程也可能有其他不想要的副作用。例如，烧蚀材料可能沉积在其他地方，并且可能在某些后处理操作中必须移除。在一些脆性材料中，如玻璃，裂纹可能是热诱发的机械应力的结果。一定量的张力可能会被“冻结”，并产生类似应力诱导双折射的效果。

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