已有幾種激光器可被用于切割，打孔，焊接，以及改變相對(duì)厚的金屬的表面，這些技術(shù)被廣泛用于各種工業(yè)，包括了汽車(chē)，造船，以及醫(yī)療器械工業(yè)。然而，許多最近新興的應(yīng)用方面要求使用很薄的金屬薄膜來(lái)進(jìn)行激光加工，并且要求很高的精確度和光潔的邊緣。近幾年來(lái)，人們提出了許多用于激光微加工的新激光技術(shù)。這些激光器具有很好的模式質(zhì)量及可聚焦性，這兩個(gè)因素對(duì)于獲得很小的特征尺寸以及很光潔的邊緣來(lái)說(shuō)是很重要的。 在本研究中，我們比較了使用幾種不同類(lèi)型的低功率激光得到的結(jié)果，這些激光波長(zhǎng)包括了355 nm, 532 nm, 1064 nm以及 1.085 μm。本文主要關(guān)注將不同厚度復(fù)雜形狀的金屬薄膜切割成多個(gè)部分。 激光的優(yōu)勢(shì) 雖然用來(lái)加工金屬有很多不同的技術(shù)，但是他們都具有一些缺陷，尤其是與激光相比的時(shí)候更是如此。比如，你可以利用EDM（電火花加工）來(lái)很有效的加工金屬，但是這個(gè)過(guò)程在加工對(duì)象的最小特性尺寸上存在著限制。此外，與激光相比，EDM越小的電極越昂貴而且越容易故障，頻繁的更換更增加了開(kāi)支。 蝕刻技術(shù)也被用于加工金屬，這些技術(shù)在某些情況下可能十分經(jīng)濟(jì)，但是這種加工方法也有著一些嚴(yán)重的缺陷。首先，蝕刻加工需要很多步的加工工序，而激光加工只需一步便可完成。其次，人們不得不處理蝕刻技術(shù)導(dǎo)致的一些腐蝕性化學(xué)制品和有毒廢品。最后，縱橫比局限為1:1,在這種情況下甚至?xí)霈F(xiàn)底切作用或者錐形側(cè)壁。與此同時(shí)，機(jī)械打孔或者刻槽特征直徑局限在250 μm。雖然有100 μm的鉆頭出售，但是這些鉆頭不僅價(jià)格昂貴而且使用壽命短。 使用激光來(lái)將金屬切割成不同的形狀和樣式帶來(lái)了許多了便利。利用了激光以后，不再需要考慮鉆頭破損和工具磨損的問(wèn)題。此外，利用激光技術(shù)對(duì)可達(dá)到的孔直徑以及特征尺寸的限制小的多。激光技術(shù)也使在有角度或者彎曲的表面鉆孔成為可能，而且不論材料是硬質(zhì)還是軟質(zhì)均適用。另外，激光設(shè)備的可編程特性也使得在很短周期時(shí)間內(nèi)高速完成數(shù)千個(gè)這類(lèi)的高速打孔和常規(guī)應(yīng)用成為可能。 在這個(gè)研究中，我們?cè)u(píng)估了許多難以加工的薄膜金屬，包括了銅（Cu），銅鈹合金（BeCu），磷青銅（Pbronze） ，鉬（Mo），不銹鋼（SS），鎳（Ni），鋁（Al），鈦（Ti），回火鋼（TS），以及具金屬性質(zhì)的氧化銦錫（ITO）薄層（在軟與硬材料基片上）和其它金屬的薄覆蓋層。在要求光潔邊緣和特征尺寸小的主流加工和外來(lái)加工應(yīng)用方面目前都使用著上述的金屬。厚度很薄的金屬膜目前倍受關(guān)注。隨著電路不斷的變小而且更加集成，絕緣體和導(dǎo)體的厚度也在不斷變? Ｔ謖廡┓矯嬗行┖苡腥さ撓τ茫渲兄瘓禿禿鼙。ㄍǔＮ赴俑靄＃┑牡繼宀牧嫌泄兀?Cu， Au， Ag，和 ITO。這些金屬在薄膜的形態(tài)下表現(xiàn)出很有趣的特性，它們受到激光的作用時(shí)，其表現(xiàn)與它們?cè)趬K狀下反應(yīng)稍有不同。比如，燒蝕“厚”金屬時(shí)（厚度約大于1微米）需要的能量密度在幾個(gè)到幾十個(gè)的J/cm2數(shù)量級(jí)，而同樣的金屬在薄膜形態(tài)下只用1 J/cm2的幾分之一就足以從基片上剝離該金屬。這些薄膜被用于許多產(chǎn)品，如，觸摸屏，平板顯示，飛機(jī)駕駛艙，以及醫(yī)療器械，這只是幾個(gè)例子，而更多的應(yīng)用尚在研究開(kāi)發(fā)中。 在每個(gè)例子中，我們都使用了低功率的激光（小于100 W，大部分情況下都是遠(yuǎn)小于這個(gè)值）。因此，我們把金屬的厚度限制在小于20密耳（500微米）。研究中，我們使用相干公司（加州，Santa Clara）Avia 355nm，3W的激光器，Photonics Industries公司（紐約州，Bohemia）532nm， 7W的激光器，光譜物理公司（加州，Mountain View）1064nm, 3W的激光器。在研究中，我們沒(méi)有使用CO2激光器或準(zhǔn)分子激光器。這是由于對(duì)我們所研究的金屬來(lái)說(shuō)，CO2激光發(fā)生了反射，而準(zhǔn)分子激光器的商業(yè)化程度還不足以滿足此類(lèi)工作。 我們還使用了1.085微米波長(zhǎng)，100W的光纖激光器進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論。二極管泵浦的固態(tài)激光器在短波長(zhǎng)時(shí)有著優(yōu)良的光束質(zhì)量，可被聚焦成20微米或更小的光斑。由于這比我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中所要研究的特征尺寸小的多，因此我們需要多次進(jìn)行打孔或者刻槽。我們將DXF文件導(dǎo)入光學(xué)加工軟件并且加上激光參數(shù)。這樣，我們便得到了一個(gè)存有所有加工信息的加工文件，這便于日后的參考和使用。需要指出的是，這里所附的所有圖片（除了特別指出的一張），即高分辨率的照片都是用40倍放大的立體照相設(shè)備在激光加工完成后直接拍攝的，并未經(jīng)加工后的清洗。因此，這里給出的圖片可以認(rèn)為是“最差”的情況。此外，所有的附圖都是利用檢流計(jì)掃描光束得到的，并未利用輔助氣體。 圖1a：355nm激光在125μm厚的銅上的切口 圖1b：532nm激光在125μm厚的銅上的切口 圖2a：355nm激光在150μm厚的鈹銅合金上的切口 圖2b：532nm激光在150μm厚的鈹銅合金上的切口 圖3a：355nm激光在50μm厚的鉬上的切口 圖3b：532nm激光在50μm厚的鉬上的切口 圖4a：355nm激光在100μm厚的不銹鋼上的切口 圖4b：532nm激光在100μm厚的不銹鋼上的切口 圖5a：355nm激光在125μm厚的回火鋼上的切口 圖5b：532nm激光在125μm厚的回火鋼上的切口 圖6a：355nm激光在330μm厚的鎳上的切口 圖6b：532nm激光在330μm厚的鎳上的切口激光加工結(jié)果 這里我們給出了一些激光加工的結(jié)果，其中包括了兩種不同激光的對(duì)比：355 nm激光（所有的圖a）和532 nm（所有的圖b）。圖1給出了一個(gè)典型的切割，它利用這兩種激光來(lái)切割125微米厚度的銅；所有情況中，切口均在大約75到85微米范圍內(nèi)。雖然兩種激光的切割結(jié)果都很不錯(cuò)，但是532nm激光耦合得非常好，而且與355nm激光的結(jié)果相比，加工時(shí)間更快而且更加光潔。355nm激光適合用在印刷電路板加工方面，因?yàn)?32nm激光與電介質(zhì)的耦合不如355nm的紫外激光好。 圖2給出了同樣的兩束激光作用在150微米厚的銅鈹合金上。這些結(jié)果與銅的結(jié)果進(jìn)行了很好的對(duì)比（磷青銅的結(jié)果也是如此，這里并未給出）。所有這些金屬銅和金屬合金都與兩種激光耦合的很好。這里我們需要指出的是，我們用1.085微米的光纖激光器無(wú)法得到銅的光潔加工，這是由于在1.085微米波長(zhǎng)時(shí)反射率太大了。 圖3給出了激光切割鉬同樣的圖樣。532nm激光與鉬的耦合并不如它與銅的耦合，雖然這種激光仍然可用。將這些結(jié)果與100微米厚的不銹鋼（圖4），回火鋼（圖5），鎳（圖6）的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。這里需指出，鋁對(duì)532nm激光響應(yīng)并不是很好，而355nm激光倒可以在300微米厚的鋁板上進(jìn)行很好的切割（圖7）。作為比較，圖8給出了與圖6a一樣的切口，就是使用355nm激光切割鎳，但是圖8中我們還使用了在弱酸條件下，用超聲波進(jìn)行激光加工后的清洗，這就給出了一個(gè)非常光潔的最終產(chǎn)品。圖9給出了355nm激光切割125微米厚的鉬得到的圖樣。圖中的“臂”延伸到圖中給出的以下約25毫米處。由于切割口只有稍許加熱，因此我們沒(méi)有看到表面的不平，而這種現(xiàn)象在使用很多“熱”激光器時(shí)是很常見(jiàn)的。 圖7：355nm激光在300μm厚的鋁上的切口 圖8：圖6a所示樣品經(jīng)過(guò)超聲波清潔的結(jié)果 圖9：激光在鉬上的指狀切口我們也觀察了使用1.5微米的光纖激光器的效果。我們使用它無(wú)法刻蝕任何銅基金屬。然而，對(duì)其他金屬，如不銹鋼，回火鋼，以及鎳，其加工速度快（相對(duì)），刻蝕質(zhì)量好，結(jié)果很令人滿意。我們注意到在這里，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備是處在堿性條件下的，所以我們使用了一個(gè)固定光束傳輸系統(tǒng)，并使用了高度的氣體輔助。我們也研究了13ps，1064nm激光的使用效果。我們發(fā)現(xiàn)切割質(zhì)量非常的好，雖然我們并未將這種激光進(jìn)一步對(duì)其他金屬進(jìn)行驗(yàn)證，但是可以相信，這種激光將對(duì)相當(dāng)大范圍內(nèi)的物質(zhì)有效。圖10a給出的是利用光纖激光器切割不銹鋼的圖，圖10b給出的是利用皮秒激光器在不銹鋼上產(chǎn)生的25微米的切口。注意到光纖激光器的結(jié)果與其他的結(jié)果相比不太均勻，但是這是由于人為設(shè)置倉(cāng)促產(chǎn)生的原因，不是由于激光光源本身的缺陷。 圖10a：1.085μm光纖激光在100μm厚的不銹鋼上的切口 圖10b：1064nm皮秒激光在不銹鋼上的切口 圖11：塑料上金的鍍膜的復(fù)合圖樣最后，圖11給出了刻蝕噴鍍?cè)诰埘ケ∧ど系狞S金的復(fù)合圖樣。利用激光我們可以很容易且干凈的將很復(fù)雜而密集的圖樣薄膜剝離，使用355nm或者532nm激光取決于基片以及要求的特征尺寸。基于檢流計(jì)的光束傳輸可以使傳輸更為簡(jiǎn)單并且使精確度達(dá)到10到20微米的量級(jí)（固定光束傳輸精確度可以達(dá)到微米量級(jí)，但是處理速度較慢）。 結(jié)論 下面是我們的得到的結(jié)論： 355nm的調(diào)Q激光器在我們所測(cè)試的所有金屬中都表現(xiàn)了很好的加工性能，特征尺寸小（點(diǎn)距為25微米）。任何厚度薄于125微米的金屬均可以進(jìn)行快速且光潔的加工。在5到10密耳（250微米）厚的金屬其加工結(jié)果十分光潔，但是塊狀體的加工可能會(huì)比較慢。加工中還可能有近20密耳（500微米）厚的金屬，這些加工速度會(huì)降低。而大于20密耳的金屬就不適合用調(diào)Q激光器來(lái)進(jìn)行加工了。我們認(rèn)為這個(gè)結(jié)論對(duì)目前可使用的如10W或者15W的激光器來(lái)說(shuō)都不會(huì)有很大的變化。 532nm的激光器在很多金屬上也同樣給出很好的結(jié)果，尤其是對(duì)含銅的金屬。因?yàn)樗ㄩL(zhǎng)更長(zhǎng)，所以對(duì)一個(gè)給定的光學(xué)設(shè)備，它可以達(dá)到的最小光斑大小比355nm激光器要大一些。這些激光器可用范圍達(dá)到15W，其M2值較小（也有更大的激光器可用，但是M2值也上升了），這些激光器比355nm激光器的購(gòu)買(mǎi)和運(yùn)行成本要低。 532nm和355nm激光器在從各種不同基片上剝離薄膜方面表現(xiàn)出很好的特性。可以利用532nm激光穿過(guò)透明基片如玻璃。355nm激光即使在基片對(duì)紫外光有吸收的情況下，也可以剝離頂面的覆蓋層，而對(duì)基片的損壞則很少或幾乎沒(méi)有。 皮秒激光器也值得關(guān)注，它提供了非常光潔的加工結(jié)果。但是由于目前其成本相對(duì)比較昂貴，使得皮秒激光器除了在某些特殊場(chǎng)合外幾乎未能被使用。 簡(jiǎn)言之，光纖激光器似乎是金屬加工的又一可利用方案，其激光切割光潔而且迅速，甚至對(duì)幾毫米厚的金屬也是如此。固有的頻率無(wú)法應(yīng)用于含銅金屬，但是以后二倍頻和三倍頻技術(shù)的發(fā)展可能促使這些激光器對(duì)所有的金屬都適用。 所有作者均參與了美國(guó)New Hampshire，Pelham市的PhotoMachining公司的激光應(yīng)用研究，作者對(duì)Chuck Ratermann提供皮秒激光照片表示感謝，尤其對(duì)IPG Photonics 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的William Shiner和Vijay Kancharla為作者提供光纖激光器的使用表示感謝。