什么是激光微加工技术？

本文作者何西琴，童杏林，陈续之，冒燕，张翠，邓承伟，来自武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室，仅供行业交流学习之用，感谢分享！

1 引言

随着科学技术的迅猛发展，许多产品都设计有许多倒锥微孔以完成特定功能。这些孔的特点有: 尺寸微小，数量庞大，加工精度要求高等。有应用如场致发射阴极微锥阵列的衬底，其倒锥孔直径在 10 ～ 15，深度在 10～ 12。目前场致发射阴极阵列的加工大多采用湿法刻蚀和干法刻蚀两大类。这 2 种加工方法都属于化学腐蚀加工，加工过程时间长、效率低，且只能得到四棱锥体孔［1］。国内外很多高校与研究所对相关加工工艺进行了大量的理论与实验研究，但要实现这种高精度的倒锥微孔阵列加工还有一定的发展空间。

传统的微孔加工技术主要有机械加工、超声波打孔、化学腐蚀加工以及电火花加工等，这些技术各有各的优点和缺点，且在工业应用中已经相对成熟，但无法满足更高精度的倒锥微孔加工的需求［2］。随着脉冲激光技术的快速发展，其高精细的加工、良好的单色性与方向性等特点，被越来越多的应用于高精度微结构成型中。为了适应高精度微孔加工的需求，西北工业大学、北京工业大学和中国科学院等科研机构展开了高精度激光钻孔方式的研究［3］。介绍了脉冲激光加工微孔阵列和倒锥微孔的研究进展，并分析了各类方法的优缺点。

2 激光微加工机制

激光打孔的基本过程如图 1 所示。激光凭借其高强度、良好的方向性和相干性，再使其通过特定的光学系统，可将激光束聚焦为直径几微米的光斑，使其能量密度高达 10^6 ～ 10^8 W/cm2 ，产生 104 ℃ 以上的高温，材料会在 10^4 ℃以上的温度下迅速达到熔点，熔化成熔融物，随着激光的继续作用，材料温度会继续升高，熔融物开始汽化，产生蒸汽层，形成了固、液、汽三相共存状态。由于蒸汽压力的作用，熔融物会被喷溅出去，形成孔的初始形貌。随着激光作用时间的增加，孔深度和孔直径不断增加，到激光作用完成后，未被喷溅出去的熔融物会逐渐凝固，形成重铸层，达到加工的目的［4］。

激光打孔的过程可大致分为如下几个阶段: 首先，激光束照射样品，样品吸收光能; 其次，光能转化为热能，对样品无损加热; 接着，样品熔化、蒸发、汽化并飞溅、破坏; 最后，作用结束，冷凝形成重铸层。其中，激光脉冲数目和激光单脉冲能量对加工出的微孔锥度有一定影响。在一定范围内微孔深度和激光脉冲数目正相关，微孔锥度和激光脉冲数目负相关，微孔锥度和激光单脉冲能量负相关［5］。通过选择适当的激光脉冲个数和单脉冲能量，可以得到所需深度和锥度的倒锥微孔。

3 倒锥微孔阵列的激光加工技术

3. 1 微孔阵列的激光加工方法

随着科学技术的发展，许多产品都涉及有密集的微孔阵列结构，如场致发射阴极微锥阵列衬底。场致发射阴极微锥阵列衬底需要制备大量密集的倒锥微孔，用激光加工单个倒锥孔时效率高，但使用常用的串行加工高密集微孔阵列时会存在加工效率低，加工时间长等问题［6－7］。激光并行加工技术可以很好地解决上述问题，激光分光器可以使激光分束，实现并行加工。目前已经研发出多种激光分束器，如空间调制器、分光棱镜等。分光棱镜是最常见的激光分束器，华中科技大学刘晓军等［8］分析了双折射晶体的光束距离与光轴方向、晶体厚度和入射角之间的关系，并由此设计了一种单一平板激光平行分束器。激光分束只是空间调制器的一个应用场景，利物浦大学 Zheng Kuang 等［9］利用光栅和透镜算法产生 SLM 全息图( CGH) ，该全息图可以产生并行处理的衍射多激光光束，最终加工出 20. 3～1. 2 的微小表面结构。

为了提高微孔阵列的密度，西北核技术研究所霍艳坤等［10］利用激光旋转微加工的方法在圆柱形有机玻璃侧面加工微孔阵列。通过对激光功率、扫描速度、光斑大小以及分割尺寸等参数的优化，最终获得高密集的微孔阵列。为了得到高质量的微孔，中国科学技术大学王仁燕等［11］使用水辅助飞秒激光射孔技术制造高质量的尺寸可控的( 从几微米到几十微米) 微孔阵列。通过对水层厚度的调整，可减少固体熔融材料在微孔口的堆积，对激光脉冲能量、脉冲数等参数的优化，可调整微孔的直径大小，最终获得高质量的所需要的微孔阵列。

随着微电子、微电机系统、微光学等领域的不断发展，激光微孔阵列加工技术在众多脆硬性材料上加工高质量、高密集的微孔方面有着广阔的应用前景，已经成为当前研究的重点。

3. 2 倒锥微孔的激光加工方法

目前，锥形微孔加工有冲孔法、准分子激光旋转打孔法等。冲孔法主要利用圆形掩膜选择性透过一部分光斑，再通过后续的光学系统投影到需要加工的材料上，加工过程中工件静止不动，冲孔法有其独特的优点，但有时无法满足更好的锥度的同时达到更大的底边直径［12－13］。准分子激光旋转打孔用的掩膜是三角形或正方形的，这 2 种形状的掩膜在旋转打孔内切圆时可以获得更多的能量，且外接圆获得的能量较少，这样可以得到更好锥度的孔［14］。

北京工业大学激光工程研究院康博栋等［15］针对准分子激光加工锥形微孔进行了实验研究，实验采用了准分子激光掩膜投影直写加工系统，实验装置如图 2 所示。该实验装置主要由指示光、准分子激光器、掩膜、反射镜、聚焦投影物镜、样品、四维电控位移台及位移台电机驱动器、控制计算机组成。通过选择合适的掩膜和参数可以得到深度和锥度合适的微孔。图 3 为准分子激光在 PMMA 薄板上加工微孔的光学图像。从图上可以看出，虽然每个锥孔的形状好、毛刺少，但得到的倒锥孔直径和深度较大，且每个锥孔的大小不同，打孔时无法准确控制每次打出来的微孔大小一致。

中国科学院西安光学精密机械研究所赵华龙等［16］针对飞秒激光加工倒锥微孔进行了研究，实验采用了由高速旋转电机驱动三片 K 字形排布的反射镜组成的反射式扫描系统，实验装置如图 4 所示。该装置由 3 片成 K 字形排布的反射镜和一组聚焦镜组成，三反射镜安装在空心力矩电机空心轴内，该装置可加工出直径 0. 05～0. 2 mm、加工准确度小于±2 μm 的倒锥微孔。通过调整三反射镜的角度可以确定工的倒锥孔的孔径，调整反射镜 3 与光轴在径向的距离，改变出射光束与系统光轴的横向偏移量，可以确定倒锥孔的锥度。

由于超快激光倒锥微孔加工技术的迫切需求，西安工业大学光电学院于洵等［17］为实现激光加工锥度可控的倒锥孔，提出了一种基于电光晶体的电光偏转原理来调节光束的移动，从而实现光束的动态精密微位移。该方法的主要原理是通过用特定方式组合 4 块楔形电光晶体( 如图 5 所示) ，通过调节施加在电光晶体上的电压，并在此基础上对电光晶体施加旋转运动，就能得到所需要锥度的倒锥微孔［18］。该方法原理更简单，结构更简易，且精度可控性更强。

3. 3 倒锥微孔阵列的激光加工方法

激光加工微孔技术已经有 50 年的研究历史，随着科学技术的不断发展，高精尖产品的机械部件( 如场致发射阴极衬底等) 对微孔结构的尺寸、质量以及加工效率等参数的要求越来越高，激光应用于微孔阵列结构加工技术的研究也越来越成熟［19－20］。

莫纳什大学材料科学与工程系 Huai －Xin Wei 等［21］通过纳秒激光烧蚀系统在镍( Ni) 模板上制造倒锥微孔阵列，实验装置如图 6 所示。该实验首先将预清洁的镍模板放置在计算机化的 x－y－z 微定位平台上，该平台有一个 0. 031 mm 的步进电机，用于精确定位运动。之后，将波长为 351 nm、脉宽为 30 ns、脉冲能量为 1. 5 mJ、脉冲数为 35 的泵浦固体激光器进行准直，然后用平面镜( M) 进行调整，然后用数值孔径为 0. 25 的物镜聚焦到镍板的顶面上，以获得理想的烧蚀效果，同时，采用带白光源的电荷耦合器件 ( CCD) 实时监测倒锥微孔阵列形成过程的形貌［22］。将得到的打有倒锥微孔阵列的镍板在恒定激光能量、盐酸( 15%) 和去离子水中清洗，成功地获得了直径为 20 μm 的倒锥微孔阵列。

南开大学物理科学学院娄凯等［23］在飞秒激光加工微孔阵列时使多束平行矢量光束相干，实验装置如图 7 所示。该实验装置主要包括飞秒矢量光场生成系统、空间滤波组件、上位机和三维移动平台，飞秒矢量光场生成系统可生成加工微孔阵列所需要的初步的光束，空间滤波组件再使从飞秒矢量光场生成的激光光束具有较高的光束质量，上位机用于控制空间光调制器、电子光阑和三位移动平台，三维移动平台上黏附样品。该实验先从扩束后的基模高斯光束中截取平行透镜主光轴的多个矢量光束，通过使用空间光调制器对生成的矢量光束进行光局域场分布调制，最后在焦场获得阵列分布的多光强极强点。该实验方法不仅可以得到样式可控、孔径约 5 μm 的倒锥微孔阵列，还可以提高倒锥微孔阵列结构的加工效率。

4 总结

随着高精尖产品机械部件的微加工需求越来越多，激光微加工技术发展越来越成熟。对激光微加工技术机制进行概括，分析了主要的微孔阵列、倒锥微孔以及倒锥微孔阵列的激光微加工技术研究进展。激光微加工技术凭借其加工效率高、加工材料广泛、无物理损伤以及操控性强等优势，在高精尖产品微小机械部件加工中将会得到越来越广泛的应用。