1 引言 激光技術是20世紀與原子能、半導體及計算機齊名的四項重大發明之一．四十多年來，隨著小型電子產品和微電子元器件需求量的日益增長，對于加工材料(尤其是聚合物材料以及高熔點材料)的精密處理日漸成為激光在工業應用中發展最快的領域之一． 激光加工是激光產業的重要應用，與常規的機械加工相比，激光加工更精密、更準確、更迅速．該技術利用激光束與物質相互作用的特性對包括金屬與非金屬的各種材料進行加工，涉及到了焊接、切割、打標、打孔，熱處理、成型等多種加工工藝。激光獨一無二的特性使之成為微處理的理想工具，目前廣泛應用于微電子、微機械和微光學加工三大領域。 激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術． 激光加工有其獨特的特點： (1)范圍廣泛：幾乎可以對任何材料進行雕刻切割。 (2)安全可靠：采用非接觸式加工，不會對材料產生機械擠壓或機械應力． (3)精確細致；加工精度可達0．01mm． (4)效果一致：保證同一批次的加工效果一致． (5)高速快捷：可立即根據電腦輸出的圖樣進行高速雕刻和切割，且激光切割的速度比線切割的速度要快很多． (6)成本低廉：不受加工數量的限制，對于小批量加工服務，激光加工更加便宜。 (7)切割縫隙小：激光切割的割縫一般在0.02mm-0.05mm． (8)切割面光滑：激光切割的切割面無毛刺。 (9)熱變形小；激光加工的激光割縫細、速度快、能量集中，因此傳到被切割材料上的熱量小，引起材料的變形也非常? ? 紅外器件技術中所用的材料(寶石等)、加工條件(精度，變形等)要求采用激光加工。鑒于激光種類很多，我們主要涉及的是紅外激光設備和紫外激光加工系統。因此希望通過實驗，將紫外／紅外兩種激光系統對同種材料的加工結果進行比較，從而了解它們的特點與區別，并確定出各自的適用范圍和優越性，為今后更好地發展特殊材料加工作鋪墊。 2 實驗設備介紹 本文采用的實驗設備是JHM-1GY-300B型YAG激光設備與PSV-6001型355nm全固態紫外激光鉆孔機。 2．1 YAG激光設備 YAG激光設備的激光波長為1.06μm，輸出的最大單脈沖激光能量為60J，脈沖頻率為1Hz-100Hz(連續可調)。它將激光聚焦到一點，焦平面上的功率密度可達到105-1013W／cm2。該設備還可以用于激光焊接，激光焊接就是利用激光束優良的方向性和高功率密度等特點來進行工作的．通過光學系統將激光束聚集到很小的區域，在極短的時間內，使被焊處形成一個能量高度集中的局部熱源區，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點和焊縫。圖1為用YAG激光焊接不銹鋼和鈦合金的焊縫實例。 圖12．2紫外激光鉆孔機 PSV-6001型紫外激光鉆孔機采用的是基于半導體泵浦固態激光器的高功率三倍頻(DPSS)激光，波長為355nm，平均功率為2.3W，最高頻率可達100kHz，工件上的光斑直徑可小到20μm以下。該機應用繪圖軟件并進行合理的參數設置，可執行鉆孔、刻線、切割等一系列操作。在已做的各項實驗中，利用該紫外激光鉆孔機進行加工的有機材料包括聚合物、紙制品等。無機材料包括金屬、寶石、玻璃、陶瓷等。 2．3紫外／紅外激光器的比較 紅外YAG激光器(波長為1．06μm)是在材料處理方面用得最為廣泛的激光源。但是，許多塑料和大量用作柔性電路板基體材料的一些特殊聚合物(如聚酰亞胺)，都不能通過紅外處理或"熱"處理進行精細加工。因為"熱"使塑料變形，在切割或鉆孔的邊緣上產生炭化形式的損傷，可能導致結構性的削弱和寄生傳導性通路，而不得不增加一些后續處理工序以改善加工質量。因此，紅外激光器不適用于某些柔性電路的處理。除此之外，即使在高能量密度下，紅外激光器的波長也不能被銅吸收，這更加苛刻地限制了它的使用范圍。 然而，紫外激光器的輸出波長在0.4μm以下，這是處理聚合物材料的主要優點。 與紅外加工不同，紫外微處理從本質上來說不是熱處理，而且大多數材料吸收紫外光比吸收紅外光更容易。高能量的紫外光子直接破壞許多非金屬材料表面的分子鍵，用這種"冷"光蝕處理技術加工出來的部件具有光滑的邊緣和最低限度的炭化。而且，紫外短波長本身的特性對金屬和聚合物的機械微處理具有優越性．它可以被聚焦到亞微米數量級的點上，因此可以進行細微部件的加工，即使在不高的脈沖能量水平下，也能得到很高的能量密度，有效地進行材料加工． 微細孔在工業界中的應用已經相當廣泛，主要形成的方式有兩種： 一是使用紅外激光：將材料表面的物質加熱并使其汽化(蒸發)，以除去材料，這種方式通常被稱為熱加工．主要采用YAG激光(波長為1.06μm)。 二是使用紫外激光：高能量的紫外光子直接破壞許多非金屬材料表面的分子鍵，使分子脫離物體，這種方式不會產生高的熱量，故被稱為冷加工，主要采用紫外激光(波長為355nm)． 表1是這兩種加工方式的比較。3 實驗結果與討論 3．1 鉆孔實驗 圖2為采用JHM-1GY-300B型YAG激光設備與PSV-6001型355nm紫外激光鉆孔機分別在厚度同樣為lmm的陶瓷片上打出的咖2小孔。 結果表明，用紅外激光打的小孔圓度較差，且邊緣被"燒"黑．而用紫外激光加工的陶瓷片，小孔圓度較好且邊緣光滑。從實驗結果以及表1中的數據不難發現，紫外激光較紅外激光在加工速度、鉆孔精度上不止高出幾個等級，而且質量效果也有明顯的優勢。 圖23．2切割實驗 激光切割是利用聚焦的高功率激光照射加工材料表面，當激光超過閾值功率密度后，引起照射點材料溫度急劇上升，溫度達到沸點后，材料產生氣化并形成孔洞，隨著激光束與工件的相對移動，最終在材料表面形成切縫。切割質量(包括切縫寬度、邊緣的直線度、光潔度)由激光功率、激光束模式、輔助氣體壓強和切割速度決定。切割所需的激光功率直接正比于材料的厚度，對于黑色金屬更是一條典型的直線。最大切割厚度為功率、會聚透鏡焦距、激光波長、切割速度的函數。焦距及收斂角是切割質量、厚度、速度的重要參數。 圖3在理論上，切割厚度由激光高斯光束的瑞利區域所決定，瑞利區在工業界稱作焦深(DOF)，其物理表達式為式中，λ為波長，f和D分別為會聚透鏡的焦距和直徑，焦深給出的是切割厚度的上限。圖3為用紫外激光鉆孔機在0.1mm厚的高熔點金屬鉬片上進行切割的SEM照片，從SEM圖片可以看出，由于高熔點金屬對紫外光的較高吸收，其切割邊緣平整。 激光切割具有切縫窄、熱影響區? ⑿矢摺⑶斜呶藁滌αΑ⒖墑屎隙嘀植煌∧げ牧系募庸さ扔諾悖葉鑰拙兌約疤卣鞒嘰緄南拗菩。? 圖4為紫外激光劃片與機械劃片的對比情況，被切割濾光片介質膜的成分主要為硫化鋅、錫化鋅等。紫外激光鉆孔機的加工頻率為100kHz，切割速度為10mm／s。 圖4從圖4中可以看出，用紫外激光劃的濾光片邊緣光滑，損傷小．而用機械劃片機則容易產生"崩邊"，切割產生的應力容易使介質膜脫落，損壞濾光片。我們知道，紅外激光切割是將材料表面的物質加熱汽化，而濾光片介質膜在溫度超過130℃時很容易氧化變質．因而用紅外激光無法形成濾光片的劃片工藝。目前，用紫外激光切割的濾光片已經用于某種型號的紅外器件。用高功率紫外激光切割一些金屬，如銅薄膜、鉬片等，具有切縫窄、熱影響區? ⑶懈钚矢叩扔攀疲屎嫌詼嘀植煌呔任⑾副∧て骷難兄啤６愿吖β首賢餳す馇懈羆際醯難芯看蟠蟮卮俳思す庾魑蚰薌庸すぞ叩撓τ糜敕⒄埂