《铜的超快激光微加工技术研究》11000字

-1-铜的超快激光微加工技术研究摘要激光技术自诞生以来广受人们关注，随着近代我国现代科学技术等飞速发展，激光技术在材料加工领域有着非常广泛等应用，铜作为一种较为稳定，又是价格低廉容易获得等基础材料，广泛应用于制造业。本文探究不同波段的超快激光对于铜等激光微加工技术，研究了355nm波段的紫外激光对于铜的电路板加工方面的激光刻蚀工艺，采取不同条件，多种方法对铜进行激光刻蚀，仔细针对激光频率对被刻蚀物体的质量、结构影响进行深究。发现利用飞秒激光在金属铜表面制备了多种尺度的微纳结构经过表面化学修饰，实现了不同粘附性的超疏水表面的制备。以期此次研究对于相关主题的深入探讨能够有所裨益。关键词：激光铜材料激光蚀刻微加工目录TOC\o"1-3"\h\u3333绪论 131040第一章超快激光微加工技术分析 2132621.1紫外激光技术 2109681.1.1紫外激光微加工发展现状 292921.1.2紫外激光刻蚀材料的优势 3256431.2飞秒激光技术 420571.2.1飞秒激光的发展历程 418461.2.2飞秒激光的原理 429971.2.3飞秒激光振荡器 4313911.2.4飞秒激光的应用 51646第二章实验仪器与方法 7106162.1实验仪器 7216732.2实验方法 1079642.2.1355nm波段紫外激光刻蚀 102202.2.2飞秒激光烧蚀 1026818第三章实验结果及讨论 11226123.1重复频率对刻蚀质量的影响 11265623.2紫外激光和红外激光刻蚀覆铜板CCL质量对比 11254053.3飞秒激光制备铜的超疏水表面 12263443.4实验前后试样表面周期性的影响 14243833.5表面微结构与超快激光技术的关系 1531524结论 1711236参考文献 18绪论20世纪以来，激光加工技术被发明后一直受到人们的重视，通过数十年的反复改良，激光加工技术已经成为了目前制造业使用的重要加工技术之一，由于激光束拥有时间可控性良好、空间可控性良好、激光能量密度高、单色性好等多种优点，已经在材料加工、配件制造等领域广泛应用。紫外线的波长最短、能量更高、光束更密集、分辨率更高，广泛应用于微观切割、精密对接、薄片与薄膜等材料微创、在电子版面打孔、去除材料外壳等精密材料的微加工工作。红外线与正常的可见光由于波长比较长，能量相对发散，通常用于能量集中加热处理（升温或气化）加工材料，但这种热加工方法通常会改变物质的化学结构从而破坏掉材料原有的性质，从而限制了材料硬度、强度及一些精细的特征。而紫外激光不会破坏材料的物理性质，直接破坏掉元素原子之间连接的化学键，将分子分离为原子的冷加工过程，免去了提升温度的环节。所以在金属铜的激光加工过程中，应当适当调节紫外线激光的功率，以得到理想的材料表面，得到最佳的周期性微结构，让材料具有疏水性质。自从1960年以来，激光技术与计算机、半导体、原子能共同组成了20世纪的四大发明，光学技术越来越频繁应用于世界制造业与工业，与正常的机械加工工艺相比较，激光加工更为高效、准确、精密，随着互联网时代的到来，人们对电子设备的需求量与日俱增，激光技术对于电子器件加工的重要性更为凸显，激光烧蚀的原理是利用了激光的能量集中性、能量强度高等优点改变材料表面结构，从而拥有某种特殊性质，广泛用于批量生产、宏观结构的设计与制作。由于激光的辐射性强，能量高强度且集中，受光物质由于巨大冲击力与热量瞬间熔化或气化，在接触表面形成坑，而气化的气态物质又会在空气冷却后在坑周围凝固，这样形成的凹凸不平的坑洞呈现不规则的多孔结构，表面会呈现粗糙状，出现类似沟槽的结构，同时因为一定程度上改变了受光物质的化学结构，物质的碳氧原子比例会发生变化，会使材料的疏水能力发生改变，在实验过程中，通过改变不同波长光能量，来调整蚀坑的深度。材料的粗糙程度与照射强度、照射时间成正比，为了使得材料结构更加精密，应当使用透镜光束聚焦法，改变光束与照射物体的接触面积，进一步加强光束的能量强度，使得光斑的尺寸到达大约2mm，形成微尺度的粗糙结构激光器能量达到烧蚀产生的阈值条件时，将会发生烧蚀喷射。当调节入射激光光强I、光斑半径R等参数后，烧蚀表面的粗糙度得以调节。本文采用直接烧蚀出周期性微米级结构阵列的方法。第一章超快激光微加工技术分析1.1紫外激光技术1.1.1紫外激光微加工发展现状材料的微观结构直接影响其工程性能和使用性能。有关微观结构的信息有助于确保特征的存在用于所需的性能，如高强度、长期稳定性和耐..很多时候，没有适当的微结构会导致材料的性能不良或失效[1]。例如，金属和合金的晶粒尺寸影响许多性能，因此它是衡量质量控制和性能评估的重要微观结构参数之一。众所周知，金属的硬度与强度是与基础晶粒的尺寸成反比。在许多工业生产中，如钢铁炼金业、运输业、化工业、石化核能业等通常需要各种产品或部件的微观结构特征的信息，所以对于激光微加工的进一步研究是必不可少的[2]。在工业方面，激光刻蚀方法大多分为紫外激光减成法与红外波段激光减成法两种方法，前文提到，红外波段激光减成法是利用加热物体表面使其气化，是利用热加工的方式改变物质的物理性质，主要利用CO2（波长10.6μm）与YAG激光（波长为1.06μm）[3]。而紫外激光减成法是利用准分子激光器与全固态紫外激光器两种激光器，通过调节紫外激光的发射频率，破坏物质分子之间的化学键，让原子重组以去除杂质，这种改变化学性质的加工方法只产生少量热量，不会通过高热量影响材料物理性质，也称冷加工[4]。随着近年来紫外激光更受关注，紫外激光调节器已经经过多次改良，广泛应用于电子制造业功能芯片、基片的微创，涉及陶瓷、单晶硅片与电子版等材料，尤其是单晶硅片，不仅拥有受电、磁、力、光为一体的特点、还拥有良好硬度、耐腐蚀性、高强度等性质[5]。单晶硅片作为机器与机械系统元器件最基础的材料，采用传统加工方式难以得到纳米级别精细程度，所以紫光激光的刻蚀优势更多一些，目前主要研究针对Q355nm全固态紫外激光器对硅片材料从刻蚀过程、形成沟槽、到打孔、成型整个过程的工作。2004年，德国采用4.5w355nmNd:YAG激光器和xy扫描镜平台制作了陶瓷材料的3d显微结构，线宽最小为10um，表面粗糙度为1um。2002年，日本报告在电路板钻孔上使用了355纳米全固态激光器，通孔直径小于50um。2003年，韩国在9um的双面印刷电路板上进行了钻孔研究，使用了25um的聚酰亚胺基板[6]。100um盲孔的光束扫描路径为阿基米德螺线，最小线宽为50um。由于设备造价昂贵，不能批量购入，国内紫外激光刻蚀工作加工仍然停留在准分子激光技术之上，没有继续深入到三频阶段。华中科技大学曾经提及过一种可以在水中制造陶瓷的紫外激光器，能够有效减少材料刻蚀过程中出现的裂纹数量与宽度，能够利用紫外激光在电子版上精准刻蚀、钻孔、成型。刻蚀表面没有出现尖刺，切割面没有出现排列问题[7]。1.1.2紫外激光刻蚀材料的优势自21世纪以来，微电子科技快速发展，全新的MEMS组装配件逐渐显现，加之薄款式铜模板本身属性强，有着极高的热导传输率及外延性，就目前而言，已经在各大精密器械领域得以广泛地普及实践。这些精密器械的显著共同点为：十分轻薄、体积不大，在生产与加工制作的具体操作中均需要十分精准的蚀刻密度，对零配件的要求也十分严峻[8]。所以，在对这些精密零部件进行生产制作时，过去的老样式处理办法显然并不适配。新时代下，激光处理凭借其高速度、高效率的特点已然夺得该领域内研究者们的高度重视，因此对于激光类的研究与测验与日俱增，这一新技术的出现让过去的困难制作变得简单便捷[9]。特别需要关注的是，在细微零件生产加工方面，紫外激光发挥的作用尤为关键。例如：在进行“热”加工或红外线处理时，一些半导体材料或者基材材料很难通过检验，对于半导体产业而言，材料在进行“热”加工时出现变形或冲孔边缘发生碳化现象时是十分不利的，也是难以接受的[10]。再者，一些金属类材料由于其本身特性，即便在高功率密度作用下也很难对其进行加工处理。相反，有些金属材料则可以依据小聚焦点及短波高吸收率这一特点，使用对应的激光方法进行微加工处理，进而在最大程度上降低材料的热能破坏度。此外，由于短波长可控性强，可以对要求产品规格小的物件进行生产制作，满足精密加工的生产需求[11]。下表2.1即为红外和紫外波段的激光钻孔能力比较图表：表1-1红外与紫外激光器的激光钻孔能力比较红外波段激光紫外波段激光深径比0.4~0.9:1(盲孔)0.25~10:1(盲孔、通孔 孔径 150μm~350μm10μm~150μm加工速度300孔/min24000孔/min如图可知，薄性铜板在MEMS器件中扮演者十分关键的角色，而铜作为金属材料中比较难以加工处理的一类，其高强度反射率及低能吸收率使其刻蚀难度十分巨大，即便使用二氧化碳激光器和红外Nd:YAG激光器也很难对其进行加工处理。但有关研究表明，铜这类金属材料若使用355nm的紫外激光器进行刻蚀，其作用较为明显，吸收率也比较显著[12]。由于紫外激光器的波长较短，可以使激光器的焦点降低到亚微米级，因此在对铜箔层进行刻蚀时，采取355.0nm高峰值功率紫外脉冲激光，对于生产这类高精密度的器件而言将是最佳办法之一。近些年来，为了满足逐渐增长的产业需求，全球激光蚀刻技术的发展速度可谓越来越快，近乎每年都在以20%～30%的速度飞快增长。自1985年以来，中国以每年25%以上的增长速度在飞快前进。但鉴于我国激光产业起步较晚，基础不扎实，有关先进的激光加工及生产技术的应用尚未在国内流行，总体发展状况与西方国家比较仍落下风[13]。但伴随我国高新技术产业的迅猛发展，现今出现的这些生产技术问题都将逐一地被攻破，激光蚀刻技术势必会为中国精密零附件的生产与发展做出跨时代的贡献。1.2飞秒激光技术1.2.1飞秒激光的发展历程在1916年，爱因斯坦创造性地提出了受激辐射，而后汤斯等人于1954年宣传微波辐射器正式运行，随后直到1960年，高额辐射强度的脉冲激光横空出世，自此科学家们不断为了提高强度而努力，到后期用调Q技术和锁模技术来制造出更短的脉冲，将脉冲的横截面宽度尽可能地至皮秒，飞秒，甚至阿秒。当然上面的所有操作都是为了让光更多的聚集在一个范围内，在空间上，时间上都有很大的限制，有的科学家尝试增加光密度，但需要更大的激光晶体[14]。这就导致在之后的一段时间里，激光的更新发展迎来了突破的难点。一直到1985年，G.Mourou等人提出了啁啾脉冲放大技术，激光放射的光密度终于实现了质的飞跃。就目前而言，飞秒激光的运转周期为有10-100fs，是当下该领域所能达到的最短脉冲。它共有三个发展时期，从最开始的染料激光到现在的光纤激光，历经近50余年的冲刷，最终得以在现今工业社会广泛地普及应用。1.2.2飞秒激光的原理飞秒激光器的原理比较简单，以目前科技发展过程中技术能发挥最稳定的、可以最大程度上产生飞秒激光的掺钛宝石飞秒激光器为例，他的组成部分主要分为两大块，一是飞秒激光振荡器，二是飞秒激光放大器，其主要利用核心钛宝石的自锁模发挥作用，同时加以目前世界上在该领域最为先进的啁啾脉冲放大（CPA）技术，相互作用下，产生所需要的激光脉冲[15]。1.2.3飞秒激光振荡器飞秒激光振荡器在2015年9月正式宣布启用，它是一款主要应用于通信技术领域、电子科技领域的精密仪器。配合钛宝石激光器和全固态绿光激光器共同使用，可以出射波长范围为510-670毫米和1100-1500毫米的飞秒/皮秒超短激光脉冲。飞秒钛宝石激光振荡器是在原有配置基础之上，通过钛宝石的额外增益效果进行飞秒量级脉冲激光放射的一种装置。其装置主要由三大部分构成：泵浦源，增益介质和光谱振腔，如下图1.1所示。MM1(HR)P1P2M3M2(4.5mm)Ti:sapphireOC(T=5%)10～12nsf=127mmpuoplaser(at532or514nm)图1.1飞秒钛宝石激光振荡器工作原理1.2.4飞秒激光的应用在目前的一些物件材料精微加工方面，飞秒激光凭借其本身特点，例如脉冲宽度比传统宽度短许多，最大传输功率很大等，进而优胜于传统的激光工艺技术。以手机屏幕作为例子可以解释为，传统的手机屏幕一般是直角款式居多，这是因为制作工艺十分简单，技术含量不高，且不存在太多风险。而伴随时代的发展，科技的不断进步，加之人们的需求发生了实质的变化，倘若仍采用直角屏幕不仅会易影响屏幕破损率，还会影响人们的心理需求，所以在这种时代背景下对屏幕进行切割变换是十分有必要的[17]。具体分析来看，目前市面上的手机屏幕主要是LCD屏幕，然而这类屏幕的基础板子是玻璃材质，一方面较为脆弱，一方面硬度大，对于传统切割而言十分难以操作。而飞秒激光切割可以很好地弥补这一缺口，飞秒切割不仅切割精度高于传统切割，切割也较滑顺平齐。再者，根据上文该类型激光的特征可以知晓，飞秒激光适用于各类高性能、高脆弱度材料的精微生产、处理与加工，如蓝宝石、瓷器等。如图1.2所示，可以看出飞秒激光微精细加工效果比照。图1.2飞秒激光微精细加工效果比照在现如今的医学科技行业中，为最大程度上降低病患的疼痛感以及可能会产生的额外性创伤，大多数医学机构在进行手术时均采用飞秒激光技术，这主要是由于飞秒激光的功率额度较大，脉宽度也十分短小，且在发挥作用时没有多余热量放出，足以满足医疗机构的实际需求。21世纪以来，有关飞秒激光技术在医学领域的最新应用即治疗近视，这种技术可以将精确度把控于10微米以内，远高于传统技术的精确度，也在一定程度上提高了手术的成功几率，保证了手术的安全性。第二章实验仪器与方法2.1实验仪器（1）扫描电子显微镜(SEM)是实验室分析时所起到的作用尤为关键，其主要作用在于对材料表层以及真空表层进行细致全面的分析研究。几乎所有的扫描电镜都是从用一层薄薄的金金属溅射表面开始的。这确保了表面是导电的，这是一个固定要求。扫描电镜即放射出一束密度极高的电子流体，聚集后定焦于一个小型针状体中，样品会在经扫描后与该光束发生相互作用，进而使其内部构造被探析。用适当的探测器收集发射的粒子，以获得有关表面的信息。电子束与样品表面拓扑碰撞的最终产物是表面的图像[18]。图2.1不锈钢设备上注入聚合物涂层时的局部SEM分析结果。扫描电镜表面在750倍放大如图所示。图中2.1(a)和35000倍的放大率。2.1(b)，较高的放大倍数使涂层表面出现晶体。电子探针是SEM的一个有用的附件。样品表面呈现出集中性电子光束，进而会产生电离近几微米的效果。图2.1聚合物涂层装置的SEM图像：(a)放大750倍，(b)放大35,000倍（2）Awave355UV激光器主要有一个激光头及激光处理控制器，进行连接的物体是一个特殊套管（2.5），即便在超额强度7×24小时生产要求下也可以满足其需要。并且适用于工业应用，可以在连续运转生产中表现出优异的状态性能，真正实现不脱产不停机。同时，光纤耦合二极管泵浦位于激光控制器内，有助于现场进行调节更换,提升效率，密封封装于洁净室中，以保证使用的长久性、有效性。Awave355激光器脉冲频率范围1~300kHz（低于500kHz可选），平均功率100mW~15W，脉冲能量超过4mJ，这些激光允许微加工的质量、生产率和成本效益的最佳组合。图2.2Awave355nm激光器（3）飞秒激光器TruMicro5070FemtoEdition于2014年德国通快公司所推出，类似于TruMicro5050FemtoEdition，TruMicro5070FemtoEdition超短脉冲激光器基于TruMicro5000系列，绝对适合工业应用，可以在三班倒的状态下实现持续运作。对于每个单独的脉冲控制系统也可以进行监测，并且能够在不受外界环境的影响将功率和脉冲能量维持在应用所需要的水平。这是由于在设备上放置了专利获取的关键性技术-双反馈环路，从而有助于实现设定功率精准定位于预定水平[19]。再者，放出的光束品质与脉冲运行中所持续时长（M2<1.3）也处恒值稳定状态。在制作芯片、电子工业以及医疗制造行业中TruMicro5070FemtoEdition在这种三班倒的连续工作环境下也可以很好的操作运行。极短的脉冲蒸发几乎任何材料没有热影响区，熔化或毛刺。这些激光的应用会使得企业的产品质量、生产效率实现最优化状态，进而达到成本效益最大化。图2.3飞秒激光器TruMicro5070（4）激光扫描公焦显微镜。如下图所示，为奥林巴斯OSL4100，也是本次实验所采用的激光扫描公焦显微镜型号。图2.4奥林巴斯OSL4100激光共焦显微镜在运行中配备了有着高N.A.的物镜和光学系统（，LEXTOLS4100可以精确地测量一直以来无法测量的有尖锐角的样品。这有利于粗糙度的测量。LEXTOLS4100和表面粗糙度测量仪的结果彼此呈现兼容状态[20]。在对接触式表面粗糙度测量仪进行使用时需要注意一点，被测表面的轮廓不能细微于测量仪探针。而OLS4100本身具有比探针还要小许多的激光束，因此在对细微形状进行极高要求的粗糙度测量时是相对比较适配的。（5）视频光学接触角测量仪。在实验过程中采用的视频光学接触角测量仪产自德国，在OCA系列中性价比十分高，且基本功能完备，简单易上手，同时也方便携带外出，对于一些科研机构或企业检测科而言十分合适。视频光学接触角测量仪OCA15EC的具体技术参数值：接触角测量范围：0～180°；测量精度为±0.1°，分辨率：±0.01°2、表层界面张力测量范围：1×10-2～2×103mN/m；分辨率±0.01mN/m3、样品台尺寸：100mm×100mm软件控制的测量和分析包括：静态接触角、按照座滴法测量动；测量滚动角；计算固体的表面自由能及其组成；按照悬滴法测量液体的表面/界面张力图2.5接触角测量仪OCA15EC2.2实验方法2.2.1355nm波段紫外激光刻蚀将印制电路板中最为普及的的CCL覆铜板作为本次实验的加工试样,其中CCL覆铜板的平均厚度为1.6mm,表面铜层厚约37μm，本次实验方法为激光直写，将在CCL覆铜板表面刻蚀8mm长的凹槽。表2-1紫外激光器的各项参数参数数值脉冲波长355nm激光最大功率8W使用的激光频率1～100kHz脉冲宽度25fs2.2.2飞秒激光烧蚀实验样品选择为一块工业专用纯铜，首先对其镜面抛光化处理，在用超声清洗干净，随后使用飞秒激光器对其进行激光放射处理，激光波长1030nm,重复频率400kHz,脉冲宽度(800±200)fs,输出功率设定为4W利用配有100mm焦距透镜的扫描振镜对激光在表面内的运动进行适当调控，待时机成熟后将光斑聚焦为30μm[21]。最后将试验样品放在酒精溶液中进行全面的超声清洗，随后放入1%的十三氟辛基三乙氧基硅烷，浸泡4小时后再放入无菌烘箱，温度调至120度烘烤3小时。观察样品表层时采用的是扫描电子显微镜与激光扫描共焦显微镜，并采用光学接触角仪器对接触角和滚动角进行多次测量，争个过程中使用的测试液滴均为4.5μm。第三章实验结果及讨论3.1重复频率对刻蚀质量的影响观察得知随重复频率不断增加，实际上表现出来的刻蚀缝宽首先会表征出加大态势，并在20khz左右的位置，达到最高值，之后表征出下降态势，其表现出的曲线结果，与输出功率关联的曲线相近。基于重复频率，在100Hz〜20kHz区间不断增强，对应输出功率也会提升，此时的刻蚀操作，会逐渐从不完全刻蚀之中过渡，形成完全刻蚀，对应缝宽结果也会增加。此后，频率再提升，输出功率会呈现出下降态势，缝宽也会以相对快的速度降低。1001009080706050403020100Kerfwidth/μm0 10 20 30 40 501mm/s6mm/s10mm/sFrequency/kHz图3.1不同频率紫外激光刻蚀CCL缝宽比较3.2紫外激光和红外激光刻蚀覆铜板CCL质量对比在激光加工层面，铜材料所具备的加工特性并不容易控制，盖材料对于红外光吸收率，很低，往往只有10%左右，而对紫外激光，则表现出较出色的吸收率，大致为70%。在铜表面施加激光条件，其会在水蒸气、氧气等因素的干扰性构成复杂反应，集中体现的化学成分，具体是Cu,Cu2O,CuO和Cu（OH）2。设定红外与紫外激光器，设定355nm条件，针对铜材料完全刻蚀，观察其缝宽参数取值，前者是45m，后者是30m。下图展示了相关信息。了解到，紫外激光效果更为出色。图3.2激光加工CCL质量对比。(a)紫外激光；(b)红外激光紫外激光器在速度小于2mm/s,选定脉冲频率参数，具体设定在15〜30kHz区间内，以厚度规格为1.6mm的覆铜板为对象执行切割处理。将目光看向图3.3，展示了加工结果。通过观察可以了解到，切割作业相对精密，光滑。而基于红外激光器来作业，并不具备切割实现的条件。图3.3外激光切割覆铜板样品。功率密度：8X106W/cm2,频率：20kHz,扫描速1mm/s3.3飞秒激光制备铜的超疏水表面针对铜片表面，需借助一定工具来完成抛光处理，且引入OLS4100装置，对其表面粗糙度作测量，要求实现标准是10nm。在飞秒激光光源方案上，选定的结果是TruMicro5070。具体到本分析，为实现表面修饰纹理，要求设置静态辐射环境，并基于连续的双向方式，进行平行V沟图案的加工。以水平、垂直两个方向为准，扫描宽度参数界定为50um，给出的垂直深度取值，应与激光束直径一致[22]。得到下图：图3.4a间距50μm深度30+5μm图3.4b间距2个光斑深度30+5μm将目光看向图3.5中的c图，展示了样品差异下，对应的接触角、滚动角相关参数。操作可以了解到，激光扫描速度取值存在差异，样品对应的滚动角取值、接触角取值也会表现出明显区别。如看向b图，在抛光之后，铜表面睡接触角，具体结果是61度，在铜表面完成氟硅烷修饰的情况下，其表面接触角取值结果，也只是111度。然而在激光扫描的基础上，完成氟硅烷修饰处理后，其接触角均超出了150度。仔细来分析滚动角，其也存在类似情况[23]。在扫描速度取值较低的情况下，滚动角也保持在较低水平，增加扫描速度，对应的滚动角也会出现一定程度的增强。在扫描速度参数界定为100mm/s条件下时，其会出现类似荷叶的高粘附性，将此状态之下的滚动角，具体设定为90度。利用电子扫描显微镜观察了不同激光扫描速度下样品表面的形貌变化，激光扫描后的铜表面主要由规则的周期性微米级凸出及凹陷组成，其周期均约为30微米在微米结构上还分布有亚微米级的波纹结构及纳米级的颗粒。随激光扫描速度的降低，微米结构的深度增加，表面的纳米颗粒也更加丰富。结果显示在激光扫描速度为60mm/s时，表面微米结构的平均深度约为15微米,而当扫描速度增加到100mni/s时，表面微米结构的平均深度降为6.4微米当扫描速度低于60mm/s时，由于有强烈的陷光效应，无法再获得准确信息。160160155150145140135130125120Contactangle/（◦）20406080100（a）Scanningspeed/（mm/s）1009080706050403020100Slidingangle/（◦）self-cleaninghighadhesive（b）（c）（d）图3.5（c）在不同激光扫描速度下制备样品的接触角和滚动角：(d)经过机械抛光后的表面3.4实验前后试样表面周期性的影响具体要探究试样表面周期性的变化受到超快激光器的那些参数的影响，需要采用控制变量法，首先控制调整一些无关因如光的能量级别以及加工的环境等，控制激光波的长短，激光频率以及平均功率的数值不变，变换光束质量。求得光束质量与试样表面周期性的影响关系，同比下实验激光波的长短，激光频率以及平均功率与试样表面周期性的关系。最后制成表面微结构进行观察。实验得出，许多表面微结构，是可以借助超快激光技术实现。如LIPSS结构。在进行材料烧蚀操作阶段，其阈值结果与脉冲较宽激光能量密度存在着高度类似性，通过激光控制，可以构成特定波长的LIPSS结构，赋予其一定的生成周期[24]。若调整为超快激光来处理，其得到的结构对应的周期，只是波长的1/10-1/2。由此，对LIPSS结构带来显著影响的因素较多，如光束质量、频率选定、激光波长参数的界定，功率等。综合调查了解到，材料表面结构具体表现出的周期性，其存在着一个十分显著的关联因素，即激光脉冲宽度。在脉宽取值相对较窄时，周期性会表现出较好的精密特征，反之，则表现出稀疏特征。3.5表面微结构与超快激光技术的关系分析了解到，在超快激光中，若增加其反应时间，亦或是调高其脉冲能量，对应出现的热效应也会明显提升。在单次操作中，金属薄片在进行切割处理时，其往往存在着扫描速度增加的情况，即耗费的脉冲能量有所增多。这是因为，在金属熔化之后，部分颗粒重新沉积在表面。针对激光作业环境作充分设定，保障光束水平，选定好能量级别以及脉冲波长等因素，可以借助超快激光技术，实现较多材料表面微结构的处理，如LIPSS结构。在进行烧蚀操作的过程中，其阈值（又称临界值，这里指能量近似值得最低值）与脉宽激光能量密度表现出高度的相似性，通过激光控制，可以构成特定波长的LIPSS结构，赋予其一定的生成周期。若调整为超快激光来处理，其得到的结构对应的周期，只是波长的1/10-1/2。由此，对LIPSS结构带来显著影响的因素较多，如光束质量、频率选定、激光波长参数的界定，功率等。分析了解到，材料表面结构具体表现出的周期性，其存在着一个十分显著的关联因素，即激光脉冲宽度。在脉宽取值相对较窄时，周期性会表现出较好的精密特征，反之，则表现出稀疏特征。在具体的试验操作中，关注了液体折射率因素与其影响的内在关联性。在激光方面，频率参数选定为10khz，扫描速度界定为1mm/s，质量具体表现为0.76J/cm2，以水、糖浆作为对象，进行照射分析。考虑到液体对激光的吸收性因素，在操作时，激光量可以适当提升[25]。若选定较高扫描速度，则会带来水面波动，而波动的存在会导致激光散焦，为避免这种问题，将扫描速度选定为较低值。在分析时，将水、糖浆的液体厚度分为若干等，其形成了电镜图。在水中，施加激光照射条件，表面具体表现出的状况，会按照水层厚度，出现盖面。在水层厚度取值结果具体是3㎜时，可以观察到的LIPSS结构很浅，且只存在于表层的很少一部分位置，表面粗糙问题较为突出。在其厚度具体是5㎜的条件时，出现了明显的LIPSS结构，但也存在部分残缺。在其厚度不低于7㎜时，存在着规则特性的LIPSS结构出现。这类结构的改变，很可能是因水对激光吸收量差异所带来的。厚度取值越小，激光吸收程度也就越有限，而在表层上，聚焦的激光量也会更多，这也是热效应出现的类似机理。还需要关注到的是一点是，具体到糖浆内部情况来观察，激光照射条件下，其构成的气泡数量明显较多。这是因为，在该液体内部，激光会诱导等离子，在冷却之后，其会带来气泡，而这些气泡的存在，也给后续进入的激光脉冲构成了隔断效果，导致照射操作并不完整，不充分，这也是无法得到规则LIPSS结构的一个现实性因素。加上糖浆在粘度指标上，其明显大于水，让其气泡产生的可能性更为突出。当激光照射进入至糖浆液体之后，可以将不存在脂质的表面区域辨识，界定出来，而在液体厚度区间是5-9㎜时，很多表面积都不存在影响。这也意味着气泡因素的影响效果很大。图3.6基于厚度差异的水、糖浆——激光扫描电镜图

结论激光加热表面强化是重大科学技术成就之一。当前已发展的激光加热技术包括激光淬火、激光合金化、激光涂层以及激光冲击硬化等。铜及其合金由于其优良的导热性能，在工业生产中，常用作工业设备的散热零部件。但其硬度低和耐磨性差等缺点，很大程度上限制了其在某些领域应用的深度。而我们利用激光技术进行处理能够很好地解决一些类似的问题。本文通过实验运用355nm波段紫外激光对铜进行刻蚀加工，发现紫外激光最大的优势便是可以进行高精度的加工，刻蚀缝宽、以及对热影响区不大,其最大的不足便是由于刻蚀深度大，因此必然会导致基板的损伤。通过在这里引入飞秒激光在金属铜表面，进行了多种的微纳结构的制备，经由一定的化学修饰，发现上述这些表面的接触角都超过了150°，而滚动角在0-90之间波动，进而有效的完成了对不同粘附性的超疏水表面的制备。总的来说激光技术是一门专业性比较强的技术，通过对激光表面强化技术在铜合金应用的调研和相关知识的学习，发现这项技术越来越受到高校、研究院所和企业的重视，相信在未来的发展中相关技术也会愈发先进和完善。

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