（理论物理专业论文）激光加工石英微通道技术的研究.pdf

摘要 激光微通道加工是近来研究的热门，微型通道的加工有多种方法，大致把它 分为两种：热致型和非热致型热致型里有激光诱导等离子加工法( l i p 从) 和激 光脉冲热加工法。用激光脉冲热加工的通道尺寸很小，深宽比较适中，缺点就是通 道壁有较大的裂纹，光滑度不高。因此在通道成型之后须要进行一些修饰工艺， 以达到较高的使用要求。激光诱导等离子加工法比较好的解决通道壁的多裂纹和 壁面平整度不高的问题。它与激光脉冲热加工法的不同之处在于：激光诱导等离 子加工法用激光光束烧蚀材料表面，在高温的情况下材料被等离子化，形成等离 子气体，由于等离子气体的温度极高( 材料被等离子化需很大的能量) ，因此用它 来进一步加工材料是很合适的而激光脉冲热加工法利用激光的高能量脉冲加工 材料，必然要造成材料结构的损伤。非热致型的加工方法主要是亚紫外光直接刻 蚀，这种方法所使用的激光波长在紫外区对于大部分材料来说，吸收紫外光不会 产生明显的热效应，因此在加工的过程中材料的结构不会产生不利的损伤以上 的激光加工微通道的方法属于间接加工，不会给被加工的材料带来明显的物理损 伤。化学制造方法中有模塑法、压印法、软刻蚀、粉蚀加工、牺牲层技术等等。 本文研究用激光诱导等离子体加工法( l i p ) 在高纯度的石英基片上加工微 米量级通道的技术。实验方法就是先对石英表面进行处理，然后以高能量密度的 激光束聚交在材料表面，使之气化形成等离子体，不断调整升降台，维持等离子 体加工的状态；入射激光束使等离子体与石英加工面紧密接触，石英材料不断被 气化形成等离子体，从而形成微型通道。通过研究加工过程中激光参数对通道成 型和通道质量影响，解决了通道壁有毛刺不光滑的问题，提高了石英微通道的深 宽比。研究结果显示，在一定的深度内加工的激光脉冲数与加工的通道深度呈近 似的线性关系；在一定的深度内，激光的功率密度与微通道的加工速率呈线性关 系；等离子体在微通道内经历了产生、持续、消失的动态过程。 关键词：激光诱导等离子体；离子体；激光加工；微通道。 中图分类号：0 4 3 9 s t u d yo nl a s e rm a c h i n i n gm i c r oc h a n n e l so nq u a r t z a h i 曲- s p e e df a b r i c a t e dm e t h o do fm i c r oc h a n n e l so nh i g l lp u r eq t l a r t zs u b s t r a t e s b yl a s e ri n d u c e d - p l a s m a ( l i p ) i sr e p o r t e di nt h i sp a p e r 1 n h ee f f e c to fl a s e rp a r a m e t e r s o nt h ec h a r m e lq u a l i t yi np r o c e s sw a ss t u d i e d t h ef l a wo fm i c r oc h a n n e l sc a nb e f a d e da 册 a n dt h ea s p e c tr a t i oo ft h em i c r oc h a n n e l sc a nb ei n c r e a s e du s i n gt h e m e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a ti nt h ed e f i n i t ed e l o l t ht h en u m b e ro fl a fp u l s ea n dt h e l a s e rp o w e rd e n s i t ya r cl i n e a rp r o p o r t i o nt ot h ed e p t ho fm i c r oc h a n n e l sa n da b l a t i o n v e l o c i t y , e s p e c i a l l y n ea b i l i t yt of a b r i c a t em i c r o a n dn a n o s i z ec h a n n e l sa n dc a v i t i e sw i l lb e i m p o r t a n t f o rt h ea d v a n c e m e n to ff l u i d i cs y s t e m st h 砒a r eu s e f u lt o i m p r o v e p e r f o r m a n c ea n dt oa d dn e wf u n c t i o nt oa p p l i c a t i o n ss u c ha sc h e m i c a l ，b l o o d , d n a , a n de n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n a l y s e s t h e r ea r et w om e t h o d st of a b r i c a t em i c r oc h a n n e i s ：u s i n gaq - s w i t c h e dn d ：y a g l a s e r ( 1 0 6 4 ，m ，1 0 0 2 0 0 n s ) t 1 i em i c r o c h a n n e lw a sf a b r i c a t e db yt h et h e r m a l i n d u c e d p r o c e s sa n d t h ep l a s m a - i n d u c e dp r o c e s s r e s p e c t i v e l y ，i nq u a r t zs u b s t r a t e s ，t h e p l a s m a - i n d u c e dp r o c e s si su s i n gt h eh i g h e re n e r g yo ft h ep l a s m ai n d u c e df r o mq u a r t z t od r i l lh o l eo nq u a r t zt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h el i f e t i m eo ft h ep l a s m a t h el e n g t ho ft h em i c r o e h a n n e lf a b r i c a t e db yp l a s m a i n d u c e dp r o c e s si sn o tm o r e t h a n4 m m w h i c hr e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o ni nm e m s t l l i sd i s s e r t a t i o nw a ss t a r t e dw i t h t h em e c h a n i s mo fi n d u c e dp l a s m ap r o c e s s a n a l y s i st h ep h e n o m e n o no fp l a s m a i n d u c e db yn d ：铂6l a s e r t h ei m p a c tb e t w e e nt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ea n dt h e p l a s m aw a si n v e s t i g a t e db e c a u s et h el a s e ri saw a v e ，t h ep l a s m as p e c t r u ma n dp l a s m a i m a g e sw a sr e s e a r c h e d 。a tl a s t ，s o m er u l eo ft h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r ea n dt h ee l e c u o n d e n s i t yw a sf o u n d ，a n do b t a i ns o m e a v a i l a b l er e s u i t i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h el a s e r - b a s e dm i c r oa n dn a n o - c h a n n e lf a b r i c a t i o n t e e h n i q u e i sf a s ta n di n e x p e n s i v e ，a n dw i l le n a b l ef l e x i b l ef a b r i c a t i o no fv a r i o u sk i r i d s o f3 d m i c r of l u i d i cs y s t e m sa n dl e a dt ol l c wa p p l i c a t i o n so fm e m si nb i o m e d i c a l e n g m e e r m g k e y w o r d s ：l a s e r - i n d u c e dp l a s m a , p l a s m a , l a s e rm a c h i n i n g , m i c r oc h a n n e 附：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：壑生兹 日 期： ! q q 2 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：壑蝴导师签名： 1 1 研究背景 第一章绪论 微通道就是截面直径尺寸小于1 毫米大于1 微米的通道，它广泛的应用于芯 片制造，微电子器件，生物芯片，传感器，执行器，光电子器件等多个领域近来比 较热门的是用微通道来构建生物芯片。自从19 91 年福多尔等人提出dna 芯 片至今，以dna 芯片为代表的生物芯片技术已经得到了快速的发展。世界上第 一个微流体器件由英国帝国理工大学的曼齐、美国橡树岭国家实验室的拉姆齐等 科学家在19 90 年代初研制成功。该器件是利用常规的平面加工工艺( 光刻、 腐蚀等) 在硅、玻璃上制作的。最近怀特赛兹等人提出一种“软光刻”微加工方 法，即在有机材料上印制、成型出微通道结构，从而能方便地加工原型器件和专 用器件。另外这个方法还能构建出三维微通道结构，并能在更高层次上控制微流 体通道表面的分子结构。另外一个典型的应用构建流体控制的微阀和微泵，最具 代表性的工作是美国q u a k e 研究小组将3 5 7 4 个微阀、1 0 0 0 个微反应器和1 0 2 4 个微通道集成在尺寸仅有3 3 m 6 m m 面积的硅质材料上，完成了液体在内部的 定向流动与分配除了在生物芯片，微阀和微泵方面外，微通道还被用于构造热 交换器，由于其自身在尺寸上的优势以及高的散热率，它极大的满足了便携式电 子产品的使用要求2 0 0 3 年1 0 月6 日，由斯坦福大学机械工程学院的肯杜德 桑、汤姆肯尼和胡安圣地亚哥3 位教授创办的c o l i g y 公司宣布研制成商品 化的主动式微通道冷却器，散热潜力高达1 0 0 0w c m t 2 。 微通道的制造工艺繁多，但是激光加工的方法有其不可替代的独特优越性， 与其他的制造工艺相比，它具有以下几个特点： 非接触式加工，不污染加工材料。 加工空间分辨率高，约卜5 i i m 。 激光束的功率密度大，加工能力很强且快速。 在加工抗腐蚀、硬度大的材料方面有优势。 加工方式多样：钴空，切割，连接，刻划，切削。 微机电系统( m e m s ) 是2 1 世纪初兴起的一个十分活跃的研究领域：涉及多学科的 交叉：如物理，光学，力学，化学，生物，材料，机械，电子，信息等学科：广 泛的应用前景：汽车工业，生物医学，航天航空，精密仪器，移动通信，国防科 技等方面。微机电系统( m e m s ) 包含以下几个特点： ( 1 ) 器件的尺寸小，更加轻巧： ( 2 ) 较低的生产成本，器件运行能耗低； ( 3 ) 可以避免或者少用贵重的和对环境有损害的材料： ( 4 ) 由于微尺寸效应，导致微机电系统的惯性小，热容量低，容易获得 高灵敏度和快响应。 由于微型系统符合了人们低能耗、高效率和微型化的要求，对它的需求也就 显得十分紧迫。比如在飞机上应用的一些质量轻，体积小的微型传感器，执行器就 是传统的器件无法比拟的。m e m s 正是伴随着硅材料及其加工技术和系统及 i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 技术的成熟和其它微细加工技术的发展而繁荣起来的。 近年来，对激光烧蚀固体材料加工而诱导等离子体的研究引起人们极大的兴 趣 h v a r e l 等，1 9 9 7 4 h e r m a n nj 等，2 0 0 4 ” ，j z h a n g 等，1 9 9 8 8 。激光诱 导等离子体的形成是一个非常复杂的过程，与许多因素密切相关，如激光功率密 度，脉冲宽度、波长、焦斑大小、靶材料的吸收、加工环境以及其他因素。利用 大功率激光器在一些透明材料上打孔、刻蚀、加工微通道的研究。其中 j z h a n g , k s u g i o k a 和i l m i d o r i k a w a 合著的系列文章介绍了在熔融石英、耐热玻 璃等材料上进行激光加工的情况 2 5 】2 89 遗憾的是文章并没有对加工中等离子体 与激光束的相互作用以及等离子体对通道的影响进行讨论。 等离子体是一种高能的多粒子混合的复杂体系 3 0 “。激光和等离子体的相 互作用是多作用的混合，大致可分为线性作用和非线性作用。在线性作用过程中， 入射激光能量比电子能量小许多，只需将激光的波动方程与电子流体的运动方程 耦合，就可描述激光在等离子体边界的耦合和反射以及进入等离子体后激光的折 射、吸收和反射过程。而非线性的激光一等离子体相互作用受到电子温度、等离 子体密度、激波的产生、等离子体碰撞频率等因素的极大影响 h a r i l a l s s ，2 0 0 4 ”i s j q i n ，2 0 0 2 ”。在不同的电子密度中，激光束受到等离 子体的拉曼散射和受激布里渊散射，等离子体对激光束的吸收率与激光波长、频 率、临界电子碰撞频率相关。激光与物质相互作用与激光的特性( 能量、脉宽、 波长、焦斑大小) 、材料的性能( 光热性能) 以及加工环境和气压有密切的联系 戈 兰特等，1 9 7 7 1 赵书瑞等，2 0 0 4 3 9 胡希伟，2 0 0 6 ”本文将就激光加工微通道过程 中的激光加工参数与通道质量的关系，以及加工中等离子的形成、持续对通道质 量的影响进行有益的探讨【樊永发等，2 0 0 6 32 1 魏守水等，2 0 0 4 3 “。 在激光与固体靶相互作用研究方面有很多报道，如对激光烧蚀铝靶的等离子 体研究 张树东等，2 0 0 1 1 张光照等，1 9 9 7 3 激光等离子体产生条件等，李智华等 对激光烧蚀靶材等离子体羽辉进行了动力学模拟，运用流体动力学的质量连续 性、动量守恒和能量守恒这三个基本方程研究高能脉冲照射靶材产生等离子体的 物理特性 1 2 课题研究的主要内容 本论文从激光加工过程中激光诱导等离子体入手，对等离子体与激光相互作 用进行分析，讨论激光加工微通道过程中等离子体的动态演变，研究激光与等离 子体的相互作用过程，分析加工过程中出现的对应情况找到维持微通道内等离子 体存在的可行性方法。主要包括： 1 熟悉激光器工作原理，了解等激光诱导离子体加工的国内外研究现状。 2 分析并将纳秒激光器应用于加工石英微米通道实验，搭建必要的实验设备。 3 获取激光诱导等离子体演变过程的图象，并进行详细分析： 3 提出等离子体在微通道内形成和持续的条件，并在实验中验证； 4 揭示微通道加工与激光脉冲次数、脉冲能量等主要参数的关系，； 5 提出提高微通道品质的方法； 6 总结实验结果，给出合理解释和本文结果。 第二章课题综述 2 1 超短脉冲激光技术的发展 目前产生超短脉冲檄光的方法很多，主要有分布反馈染料激光技术、激光锁 模技术和超短脉冲激光压缩技术等等。 分布反馈染料激光( d f d l ) 实质上是一种饱和增益开关，可以产生近变换极限 的激光脉冲，是迄今产生超短脉冲激光的最简单最廉价的方法，与传统染料激光 的主要区别在于d f d l 没有外腔，反馈由染料溶液中的周期性空间调制产生的 b r a g g 散射提供。d f d l 通常需要快速强泵浦，在瞬间将激光的增益从低于阈值状 态提高到远高于激光阈值状态，使光强的产生快速建立，然后光强饱和效应使激 光增益低于阈值，激光淬灭，从而形成一个超快激光脉冲。 一般来讲，激光锁模技术的主要目的是用于产生超短激光脉冲，激光的输出 中包含了许多的纵模。激光在自由运转状态下，这些纵模之间的相位是随机分布 的，激光的输出能量实质上就是这些模式上能量的平均。锁模激光就是将所有这 些激光的纵模相位全部锁定，此时激光的输出能量就是所有这些模式上能量的相 干叠加，锁模激光的特点是激光输出较强、脉冲宽度窄。锁模技术的发展使激光 技术进入超短脉冲领域，但是这种技术结构复杂、价格比较昂贵，而且只能工作 在某一特定的波长区域。 超短激光技术的的发展主要经历了以下几个主要阶段。在激光刚刚出现时， 激光的输出光强只有千瓦量级( 姗) 。1 9 6 2 年随着调q 技术的出现，使激光的输出 功率提高到兆瓦级( 唧) 水平，激光脉冲脉冲在纳秒( n s ) 量级，真正开始了激光应 用的研究：而1 9 6 4 年激光锁模技术的出现，使激光脉冲迅速突破纳秒量级进入皮 秒短脉冲领域，激光的输出功率也随之提高到吉瓦量级( g w ) 水平。在这个过程中， 宽频带染料锁模擞光器的发展最为突出，不断创下短脉冲激光发展的纪录，1 9 7 0 年c w 染料激光的出现极大地推动了锁模激光器的发展。它与当时的固体激光器相 比具有频带宽、增益发射截面大和增益弛豫时间短等优点。1 9 7 4 年i p p e n 等人利 用腔外光栅对压缩，在染料激光器上首次获得了3 0 0 f s 的激光运转：1 9 8 1 年f o r k 等人闭首次发明了新型的对撞脉冲锁模技术( c o l l i d i n g p u l s e m o d e l o c k i n g c p m ) ，获得7 9 0 f s 的激光脉冲，使得激光技术的发展进入了超 短脉冲飞秒( f s ) 领域，1 9 8 3 年他们进一步证明了激光器内的群速色散( g v d ) 可以 连续调节，并可以通过在激光腔内插入棱镜组使之最优化。基于这一技术，天津 大学王清月教授等人获得了3 0f s 的激光脉冲。1 9 8 7 年美国贝尔实验室的研究人 员进一步利用腔外压缩技术产生了6f s 的激光脉冲，这一结果在随后的十几年间 一直是世界上最短的激光脉冲。尽管染料激光是一种可靠的超短脉冲光源，但是 由于染料激光的饱和强度很低，难以获得很高强度的激光输出，并且染料激光的 调谐范围也很有限，这些都大大地限制了染料激光的应用和研究范围。1 9 8 6 年美 国人p m o u l t o n 做了开创性的研究，发展了掺钦蓝宝石( t i 3 + ：s a p p h i r e ) 固体激 光器，开始了固体激光器件的新时代。1 9 9 1 年s i b b e t 等人首次用自锁模方式获得 了6 0f s 的激光脉冲，开创了激光锁模技术上的一个新的里程碑，随后人们在自 锁模激光方面作了大量的工作。1 9 9 3 年m t a a k i 等人实现了掺钦蓝宝石激光自 锁模运转，获得了1 lf s 的激光脉冲。美国华盛顿州立大学和奥地利维也纳技术 大学也相继获得了1 0f s 的激光脉冲：1 9 9 7 年u k e l l e r 等人采用棱镜对与惆啾镜 结合实现了6 5f s 的激光脉冲输出，同年荷兰人a 8 a l t u a k a 和意大利人n n i s o l i 相继报道了小于5f s 的激光脉冲。近年来人们利用飞秒强激光脉冲照射在惰性气 体中产生的强场高次谐波，看到了突破阿秒( a s ) 激光脉冲的可能性。 2 2 激光微加工工艺 为适应2 1 世纪高新技术的产业化、满足微观制造的需要，研究和开发高性 能激光源势在必行。作为激光加工的一个分支，激光微加工在过去十年被广泛关 注。其中一个很重要的原因是不断涌现的工业需求。在微电子加工中，半导体层 的穿孔、寄存器的剪切和电路修复都用到激光微加工技术。激光微加工一般所指 加工尺寸在几个到几百微米的工艺过程。激光脉冲的宽度在飞秒( f s ) 到纳秒cn s ) 之间。激光波长从远红外到x 射线的很宽波段范围。目前主要应用于微电子、微 机械和微光学加工三大领域圈 张光照等，1 9 9 7 誓耿淑杰等，1 9 9 7 1 3 a 激光微加工技术在设备制造业、汽车以及航空精密制造业和各种微细加工业 中可用激光进行切割、钻孔、雕刻、划线、热渗透、焊接等，如2 0 多微米大小 的喷墨打印机的喷墨口的加工。利用诸如微压型、打磨抛光等激光表面处理技术 来加工多种微型光学元件，也可通过诸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化 来改变组织结构，然后，通过调和外部机械力，再在软化阶段依靠等离子体辅助 进行微成形来加工微光学元件。 2 2 1m e m s 工艺 随着微纳米科学与技术的发展，以形状尺寸微小或操作尺寸极小为特征的 微电子机械系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s 简称m e m s ) ，已经成为人 们在微观领域认识和改造客观世界的一项高新技术，在航空航天、精密机械、生 物医学等领域有着广泛的应用潜力，成为纳米技术研究的重要手段，因而受到各 国的高度重视。 在我国，m 酬s 的研究也逐渐得到重视。科技部、国防科工委、国家自然科 学基金委等部门将其列为重点发展项目。我国的m e m s 起步于1 9 8 9 年。1 0 多年 来，国家自然科学基金委员会、科技部、教育部、中国科学院、总装备部和地方 成立了l o 余项与m e m s 相关的重点和重大课题，总投资超过1 亿元人民币。我国 的整体形式是面上正逐渐铺开，深度也逐步深入，但由于起步较晚，面临技术基 础和资金支持的问题，在研究规模、技术水平上还与先进国家存在差距 2 2 2 m e m s 中的激光微加工 由于激光具有方向性好，高能量和单色性好等一系列优点，自六十年代问世 以来，就受到科研领域的高度重视，推动了诸多领域的迅猛发展，尤其是激光在 加工领域中的应用。传统的激光加工机在工业产品中，己得到了广泛应用，近年 来在激光微加工方面也受到广泛重视。 激光微加工对生产具有小孔或细小沟槽结构复杂的电子器件、医疗和汽车制 品有重大意义。因为这类产品孔的直径和沟槽尺寸越来越小，而这些尺寸的公差 越来越严格。只有激光才能满足对微加工零件提出的从l u m 到i m m 的所有要求。 激光加工热作用区域小，可以准确地控制加工范围和深度，保证高的重复性，良 好边缘和广泛的通用性。 在微系统制造中，人们广泛采用硅各向异性刻蚀和l i g a 技术加工各种微型 结构。前者适合加工硅的二维结构和小深宽比的三维结构：后者能够加工精密的 三维结构，不仅适用于硅而且也适用于加工金属、塑料和陶瓷。然而这种技术要 求的条件比较苛刻，它需要同步辐射x 射线源，而且模的制作也很复杂，因此很 难普及。还有一点也必须指出，l i g a 工艺与i c 不兼容，这在一定程度上限制了 它的使用。 2 3 激光诱导等离子体的研究现状 激光与等离子体相互作用属于激光与材料相互作用，在激光与材料相互作 用过程中产生等离子体。国内外对于激光与材料相互作用的机理做了不少研究。 激光与物质相互作用泛指激光束辐照各种介质、材料和结构物( 统称靶物质) 所发 生的物理、化学、生物等现象的研究领域 李智华等，2 0 0 1 3 闰毓禾等，1 9 9 4 1 胡 芳林等，2 0 0 1 “ 袁平等，1 9 9 5 ” 董全力等，1 9 9 9 ”。这里包括激光辐照产生 的效应以及发生了物理、化学变化的靶物质或周围气体对入射、透射激光束传输 和吸收特性产生的反作用。激光束入射于靶物质后发生的主要物理现象，可以归 结为它的热效应和力学效应，其主要研究内容和方向可分为：物质对激光的反射、 吸收和能量转化以及激光对材料的加热、熔化、气化和相关的力学效应及等离子 体现象。 激光与材料相互作用首先是从入射激光被物质反射和吸收开始的。激光束入 射于均匀、各向同性靶物质时，部分能量被周围气体( 或微粒) 和靶表面散射或反 射，进入靶物质的激光能量部分被吸收，其余部分则穿透靶物质继续传播。如果 激光能量在材料中的沉积足够强，材料表面层局部区域将产生熔融甚至气化现 象。激光引起的气化、焦化、喷射或燃烧使得材料表面发生质量迁移的现象称为 激光烧蚀。激光烧蚀阈值即指固体被烧蚀时入射脉冲激光的临界能量密度或功率 密度。在高功率激光照射下，如果蒸汽粒子继续吸收光子能量。蒸汽温度持续升 高，最后导致蒸汽分子电离，形成一种高温高密度的状态即等离子体研究激光 诱导等离子体特性对于了解激光与材料相互作用的机理很重要。因为激光烧蚀在 激光点火、物质分析、制膜、微加工等方面有很大的应用前景，所以国内外关于 激光烧蚀等离子体有很多研究。l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a ll a b o r a t o r y 对于 激光烧蚀机理做了不少研究，该实验室观测物质烧蚀的过程，拍摄了不同时间段 内等离子体的形态并通过实验证实了等离子体对激光的屏蔽作用，研究发现烧蚀 物的质量与激光的辐照度、波长、脉宽有关，但是烧蚀物的质量并不是随激光强 度的增加而成比例增加的，从而说明在不同的条件下有不同的烧蚀机理 高允贵 等，1 9 9 6 1 4 黄金开等，1 9 9 8 ” 黄金开等，1 9 9 8 1 9 。 在激光与固体靶相互作用研究方面有很多报道，如对激光烧蚀铝靶的等离子 体研究激光等离子体产生条件等。李智华等对激光烧蚀靶材等离子体羽辉进行了 动力学模拟，运用流体动力学的质量连续性、动量守恒和能量守恒这三个基本方 程研究高能脉冲照射靶材产生等离子体的物理特性，采用差分法和p il c h a r d 迭 代法，求解带待定边界条件的流体力学三方程，得出己喷射等离子体的温度、密 度和速度的分布的迭代方程，用计算机进行了数值模拟，得出了一些结论。胡方 林等人通过外加平行极板直流电场法研究激光烧蚀铝靶等离子体中的离子特性， 对激光与固体靶相互作用机理有了一定的认识。安徽等离子体所、大连理工大学 宫野等在等离子体理论计算方面做了很的工作，为激光诱导等离子体提供理论基 础。 激光诱导等离子体在激光微加工方面的应用还比较少，秦水介 s jq i n 等， 2 0 0 2 “，等在2 0 0 2 年提出把激光诱导等离子体应用在激光微加工过程中，并且 成功加工得到了通道直径在几十至几百微米量级的微通道 樊永发等，2 0 0 6 r 。 2 4 激光热加工与激光诱导等离子体法的比较 图2 1 ( i ) 为激光热加工的微通道，( ) 为激光诱导等离子体加工的微通道 激光热加工利用高能的激光束照射被加工材料，使石英材料局部的应力分布 不均衡，促使微通道的形成；同时由于加工完成后，在石英晶体材料中残余应力 的存在，导致裂纹的生长。激光诱导等离子体加工法是将石英材料局部汽化的同 时产生等离子体，用高能激光束推动高温的等离子体去加工石英微通道。两种加 工方法作出微通道质量比较如下： ( 1 ) 通道的质量 热加工的通道裂纹多，等离子加工的通道则比较光滑 ( 2 ) 通道的深宽比：激光热加工能较容易的打通1c m 的石英晶体，等离子加工 的极限深度约5 6 m ( 3 ) 通道的稳定性：等离子加工的位通道没有明显的变化，而热加工的通道在一 定时间后裂纹增多细小的裂纹会变的大而明显 2 5 激光脉冲加工中的两种效应 ( i ) 自聚焦效应：强激光引起物质折射率发生非线性变化，从而改变激光束本 身特性的一种非线性光学现象当脉冲时间大于越时，它起主要作用 ( ) o v d ( g r o u p - v e l o c i t yd i s p e r s i o n ) 效应：在线性近拟中，常将光脉冲表示成在 一定范围内一系列简谐波的叠加。由于各谐波分量相速度不同，因而光脉冲包络 的传输通常以群速v g = d d b 来表示( 1 3 为光波波数，为载波频率) 。由该式 可见，群速度是随着频率的变化而变化的，而光脉冲中不同频率的分量则会以不 同的速度进行传播，导致脉冲的分散，这种现象称之为群速度色散( g v d ) 。当 脉冲时间小于p s 时，它起主要作用。 1 0 第三章实验的理论基础 等离子体的一些特殊性质是影响等离子体加工工程的关键因素，本章中把激 光诱导等离子体加工通道的过程看成是较为简单的等离子体与电磁波相互作用 的过程。等离子体的研究领域很广，涉及到很多等离子体的专业知识，本章介绍 本论文中用到的与等离子体相关的知识。 3 1 等离子体理论概要 人们通常称等离子体是“物质的第四态”，它是由许多可流动的带电粒子组 成的体系。在日常生活中很难接触到等离子体，原因是在正常情况下物质是以固 态、液态及气态形式存在的。 等离子体的状态主要取决于它的化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学 参量，其中粒子的密度和温度是等离子体的两个最基本的参量。描述等离子体的 密度参数和温度参数主要有：电子的密度弗。和温度t 、离子的密度n 。、和温度霉 以及中性粒子的密度订。和温度t g 。在一般情况下，为了保证等离子体的宏观电 中性，要求等离子体处在平衡状态时，电子密度近似地等于离子密度珂。一啦= 。 可以用电离度： 呀上 ( 3 1 ) 玎f + n i 这个物理参量来描述等离子体的电离程度。 等离子体在宏观上呈电中性。但如果受到某种扰动，其内部将会出现局域电 荷空间分离，产生电场。如在等离子体中放入一带正电量q 的小球，由于该电荷 的静电场的作用，它将对等离子体中的电子进行吸引，而对离子进行排斥。这样， 在它的周围将形成一个带负电的球状“电子云”。这时，带电小球在等离子体中 产生的静电势不再是一简单的裸库仑势，而是屏蔽的库仑势： 矿( ，) 里c x “- ，尬)( 3 - 2 ) ， 其中 ”爵 ( 3 - 3 ) 如为德拜屏蔽长度。可见电子云对带电小球产生的库仑势( 或场) 起着屏蔽作用， 这种现象被称为等离子体的德拜屏蔽。德拜屏蔽长度是等离子体的一个重要物理 参量。为了保证一个带电粒子系统是一个等离子体，通常要求其空间尺度l 要远 大于德拜屏蔽长度，即：l 厶。 等离子体另一个特性是其振荡性。一般地，处于平衡状态的等离子体在宏观 “上其密度分布是均匀的，但从微观上看，其密度分布是有涨落的，且这种密度 涨落具有振荡性。为了说明等离子体密度涨落的振荡性，不妨可以假设等离子体 是仅由电子和离子组成的。由于离子的质量较重，可以看成离子是不动的，构成 均匀分布的正电荷的本底。如果在某点电子的密度突然受到扰动，相对正电荷的 离子本底有一个移动，造成电荷空间分离。但这种电荷空间分离不能继续进行下 去，因为库仑力的作用将试图把电子拉回到其原来的平衡位置，以保持等离子体 的电中性。然而，由于电子具有惯性，它们到达平衡位置时并不能停止下来，而 是朝另一个方向继续运动，造成新的电荷空间分离，库仑力又要试图把它们拉回 到平衡位置，这种现象被称为等离子体的振荡，并且等离子体的振荡频率为； o 3 2 光致等离子体的产生机理 ( 3 - 4 ) 当激光能量密度达n 1 0 9 w e r a2 时，照射到气体介质中形成等离子体，电离 度大约1 0 ，等离子体温度在5 0 0 0 - 2 0 0 0 0 k 范围之间，电子密度约1 0 ”1 0 1 7 c m 4 等离子体的形成有多光子吸收和雪崩击穿两种机制。多光子吸收的几率很小，例 如，在不考虑损失机制的前提下，要电离一个氢原子需要1 3 0 个激光光子。但是 一旦等离子体形成以后，多光子吸收就变得很重要。在雪崩击穿过程中，必须有 大量的初始电子用来克服损失机制，存在重粒子的情况下，电子对光子的吸收称 为逆韧致吸收，它是等离子体形成和保持的主要吸收机制。如果激光的能量密度 足够大，初始电子将获得足够的能量，动能变得足够大，在和其它原子发生碰撞 时，使原子电离，这样电子数便以2 的指数量级迅速增长，称之为雪崩击穿现象。 损失机制包括散射、重组、以及弹性和非弹性碰撞损失【vn a r a y a n a n 等，2 0 0 4 1 3 4 。 由于等离子体大的体积和高的粒子数密度，电子的散射损失很小，而电子重组则 是最主要的损失机制，特别是在等离子体温度相对较低的区域。弹性碰撞是把碰 撞过程中的粒子当作弹性球来处理，每一次碰撞电子损失的能量和取决于电子和 粒子的质量比。非弹性碰撞在等离子体高温区是主要的损失机制【张锋铭，1 9 9 8 6 。 上述各种损失机制的存在，说明要形成等离子体必须要求激光的能量达到一 定的点火阈值。一般等离子体的点火阈值不同。对于冷气体来说，激光能量密度 只有达到1 0 1 2 w c m2 才能电离：如果气体通过电弧放电是电子密度达到1 0 1 1 册。3 ， 等离子体点火于阈值可以降至j j l 0 9 w c m 2 ：具体到激光深熔焊接中，在激光照射到 工件表面后，热辐射和材料的汽化导致局部电子密度可达1 0 1 4 硎4 ，相对应的点 火阙值仅需1 0 5 1 0 6 w c m 2 。一旦等离子体形成以后，较低的激光能量密度便可 以使其保持，其保持阈值约1 0 5 1 0 6 w c m 2 。 由此可见，在激光和物质相互作用过程中，等离子体的形成的首要条件是材 料的汽化，材料蒸汽中的自由电子被逆韧致加速到动能足以使周围空气或石英蒸 汽产生雪崩电离，其电子密度取决于激光能量密度和气体的损失机制，在等离子 体密度低于临界密度 乙- 1 0 2 1 ，r ( ，删) 时，激光可以在等离子体中传播。电子密 度可以通过能量守恒方程和速率方程求得， 鼍n 。- r | - r ( 3 - 5 ) n t i 亳e 蚶i _ p d 一( 3 - 6 ) 式中t 表示时间，r ，毛。分别代表电离速率和损失速率，易表示由于电子和 原子的弹性碰撞消耗的功率，咒。表示由于非弹性碰撞引起的功率损耗，札电 子密度，虏代表电子平均能量。口表示在小于临界密度的等离子体的吸收系数， 这里表示为： ( 3 7 ) 式中是电子和光子碰撞频率。，表示激光和等离子体频率。 起初激光仅用来提高电子的平均能量，当电子能量达到一定值时，环境气体 材料蒸汽导致雪崩电离，其最终电子密度取决于重组速率。临界点就是雪崩电离 阈值。在能量速率方程中，雪崩电离的条件是加热项口i 大于弹性碰撞损失的功 率： “一嘉南心巴廿札争吾 m 。m 分别表示电子和原子质量。可以近似地认为吾- e t l o ，( e t 是原子的第一 电离能) ，则电离阈值能量密度为： i , ( m v c m 2 卜6 0 0 臀 ( 3 _ 9 ) 月 其中，a 是气体的原予质量数，关系式( 3 - 9 ) 表明，电离阈值能量密度随着激光 的波长和气体原子质量数的增大而减小，随着气体第一电离能的增大而增大。 3 3 光致等离子体对激光能量耦合的影响因素 激光加工过程能量的耦合机制和激光能量密度、激光波长、偏振态、激光入 射角以及材料的性质有关，而在激光深熔焊接中，一般采用圆偏振光垂直入射的 方式。因此下文着重讨论激光能量密度、波长、和材料及环境气体的性质对能量 耦合的影响 史俊锋等，2 0 0 1 2 。 3 3 1 能量密度 前面提到，当激光能量密度在1 0 6 1 0 7 w c m 2 时，使加工材料蒸发后，马上 导致电离形成附于工件表面上的材料蒸汽等离子体，吸收机制由菲涅耳吸收变为 每 逆韧致吸收，能量的吸收过程加快，致使等离子体的局部压强急剧增加，在工件 表面形成毛细小孔。微通道深宽比迅速交大。激光的反射率降低，大部分能量耦 合到工件上。此时，材料的性质( 如吸收率) 及激光的波长对能量的耦合影响不大。 当激光能量密度超过1 0 7 w e m2 时，由于石英等离子体吸收的能量大于损失 的能量，势必导致等离子体向功率密度较小的区域做反冲运动。即沿着激光传播 的逆向运动，高速运动造成的冲击波压缩环境气体使其电离。，随着激光能量密 度的不同，这种扩张等离子体将飘浮于工件上方形成激光维持等离子体( l s p ) 或 形成以亚音速传播的激光维持燃烧波( l s c ) 或以超音速传播的激光维持爆破波。 无论它以哪种形式存在，都将严重影响激光和工件的能量耦合，导致等离子体屏 蔽。 3 3 2 波长 激光在光致等离子体中主要有两种损失机制：一种是光致等离子体中的自由 电子对光子的逆韧致吸收，另一种是金属汽羽中的超精细粒子对光子的瑞利散 射。二者和激光波长的依赖关系如式( 3 - 1 0 ) 和( 3 - 1 1 ) 逆韧致吸收系数 疋。磊丽磊z z e 6 n 矛e n ii n 丽 ( 3 圳)。如2 c s ：( 锄。矿2 扛丽2 瑞利散射的等效吸收系数： k - 警单2 m 式中i n 为库伦对数。v 是粒子体积，入是入射光波长，e 。是介质的介电常数， 为粒子的介电常数，n 为粒子的数密度，由式可见，激光能量在等离子体或者 金属汽羽中的总的损失和激光波长有密切关系。对于长波激光( 如c o ，激光) ，其 能量损失主要是由于等离子体中的自由电子对激光光子的逆韧致吸收：而对于短 波长激光来说，激光在金属汽羽中的损失主要是超精细粒子对激光的瑞利散射。 由上所述，逆韧致吸收系数是离子密度、电子密度、等离子体温度和波长的 函数。所有的文献都一致报道c o ，激光加工过程中形成的等离子体的中心温度在 1 0 4 k 以上。 3 4 激光在等离子体中的传播 当很强的激光束辐照靶表面，使靶蒸汽或靶表面附近的环境气体发生电离以 致击穿，形成一个激光吸收区，被吸收的激光能量转化为该区介质( 等离子体) 的内能，与流体发生耦合。靶表面气化较强时，靶蒸汽部分电离、加热、进而通 过热辐射使前方冷空气发生加热和电离，形成燃烧l s c 波，随着光强增大，l s c 吸收区运动加快，吸收加强直至与前方冲击波汇合形成爆轰l s d 波，构成对入射 激光的完全吸收，很强的激光束辐照靶表面，使靶蒸汽或靶表面附近的环境气体 发生电离以致击穿，形成一个激光吸收区，被吸收的激光能量转化为该区气体( 等 离子体) 的内能，与流体发生耦合。靶表面气化较强时，靶蒸汽部分电离、加热、 进而通过热辐射使前方冷空气发生加热和电离，形成l s c 波，随着光强增大，l s c 吸收区运动加快，吸收加强直至与前方冲击波汇合形成l s d 波，构成对入射激光 的完全吸收，p a h e p 最早研究了激光吸收和气体运动的耦合问题，得到了重要的 结论。存在着两种气体动力学机制不同的吸收波：为激光维持的燃烧波 ( l a s e r s u p p o r t e dc o m b u s t i o nl s c ) ，前面运动的冲击波对激光透明，后面的等 离子体区是激光吸收区，以亚声速向前推进，典型速度是几十米每秒，依靠输运 机制( 热传导、热辐射和扩散) 使其前方冷气体加热和电离，从而维持l s c 及其前 方冲击波的传播，波后是等离子体区，等离子体温度为卜3 e v 。 激光维持的爆轰波( l a s e r s u p p o r t e dd e t o n a t i o n ，l s d ) ，这里冲击波阵面也 就是激光吸收区，被吸收的激光能量支持冲击波前进，l s d 波相对于波前介质超 声速运动，其速度可达每秒几千米至上百千米，等离子体温度约1 4 e y 至几十电子 伏。 发生l s c 或l s d 现象，与不同的激光强度范围相对应。靶表面气化较强时，靶 蒸气部分电离加热，进而通过热辐射使前方冷空气也发生加热和电离，形成l s c 波，这时仍有部分激光通过等离子体区入射于靶表面，靶附近等离子体的辐射有 助于增强激光与靶的热耦合，随着等离子体向前离去，这种耦合受到削弱，逐渐 形成对靶的屏蔽。随着光强增大，l s c 吸收区运动加快，吸收加强，直至与前方 冲击波汇合，形成l s d 波，构成对入射激光的完全吸收。l s d 波对靶表面的主要影 响表现在波后流场压力的增高，也就是增强了激光与靶的冲量耦合，随着侧向稀 疏波传到中央光斑部位，流场压力衰减，又使冲量耦合衰减，又使冲量耦合受到 削弱。 。l ，。擅 蟹厶鐾i 鍪墨 3 5 等离子体对激光的吸收 图3 2 感 $ 镕 固体的吸收谱大致可分为三类：( 1 ) 电子或离子周期性运动引起的吸收带或 连续谱，如离子晶体等：( 2 ) 局部的能级之间跃迁引起的吸收线或吸收带，如有机 分予