基于飛秒激光誘發前向轉移技術的研究

李　星

(中國民航大學，天津 300300)

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基于飛秒激光誘發前向轉移技術的研究

李星

(中國民航大學，天津 300300)

在激光誘導的作用下實現微量物質的轉移技術即為激光誘發前向轉移技術。飛秒激光具有激光脈寬極短、峰值功率極高的特點，其在與材料作用過程中的特性不同于長脈沖激光。在利用傳統長脈沖激光對材料進行加工時，材料是通過固相、液相和氣相這3個熱熔過程而逐層剝離的，從而導致熱擴散十分嚴重，進而對加工質量產生了很大的影響。飛秒激光燒蝕材料時間非常短，基體內的熱傳導可以被忽略，這就從根源上避免了長脈沖激光加工過程中產生的沖擊波、熱影響區和熔融區等不利影響，從而在一定意義上使冷加工得以實現。針對飛秒激光的特點、飛秒激光加工機理和飛秒誘發向前轉移技術的優點進行了研究，希望對飛秒激光誘發前向轉移技術有一個全面的了解。

激光誘發轉移技術；飛秒激光；薄膜

在使用飛秒激光進行微精細加工方面，除了在微米或納米領域內的去除材料及局部改性這2種機制，還有第3種機制，即利用飛秒激光對材料進行燒蝕、誘導，使微量物質發生定向轉移或沉積，最終制作出微納米級尺度的圖形，這也就是激光誘導向前轉移技術(Laser Induced Forward Transfer，LIFT)。該技術最初于1986年由美國學者Bohandy等提出[1-2]，他們利用納秒激光第1次實現了銅薄膜的前向轉移和沉積。該技術的加工過程示意圖如圖1所示，在透明基板上鍍上所需要的薄膜，當激光透過透明基板，且聚焦在所要轉移的源膜上時，激光作用于薄膜材料；薄膜由于受到激光照射，就會從基板上脫離下來，從而在距離基板很近的接收基底材料上沉積。因為飛秒激光脈沖時間與材料內部的電子晶格耦合時間相比較小，所以在飛秒激光膜轉移過程中，薄膜是直接以氣相的狀態轉移到接收基底材料上的，沒有液相的形成。

圖1　LIFT過程示意圖

1　飛秒激光的特點及其應用

與傳統的長脈沖激光加工相比，飛秒激光加工有許多優勢，主要包括如下幾方面[3-4]。

1)熱影響區小。飛秒激光的脈沖寬度極短，其與材料作用時，脈沖能量被限制在材料表面的很淺范圍內，能夠瞬間在極小的作用空間傳遞能量，材料在瞬間達到很高的溫度，從固態變為等離子態。由于飛秒激光作用的脈沖作用時間較短，遠遠小于晶格的熱傳導作用時間，能量只存在于光斑的輻射范圍內，幾乎不會發生擴散，因而采用飛秒激光加工，材料的邊緣更加整潔、光滑，而且沒有熔渣堆積的現象。能量利用效率得到極大提高。使用不同量級的激光脈沖對不銹鋼表面進行打孔處理的形貌如圖2所示，從圖中可知，飛秒激光打孔后的材料表面整齊，加工邊緣光滑，熱影響范圍較小，加工精度較高。

圖2　激光在鋼表面加工的表面形貌圖

2)燒蝕閾值精確。當飛秒激光與材料之間發生作用時，非線性吸收占主要地位，飛秒激光對材料進行加工時，各種材料均表現出穩定的破壞閾值，只有當激光能量達到材料的閾值時，材料表面才發生破壞。當普通長脈沖激光作用于材料上時，能量變動范圍十分廣，有可能會導致材料表面產生燒蝕現象。

3)加工能量的低耗性。和普通長脈沖激光相比，飛秒激光的脈沖時間極短，單位時間內脈沖數目較多，當激光能量相等時，飛秒激光的峰值強度約是納秒長脈沖強度的105倍。一般情況下采用飛秒激光對材料進行處理時，材料破壞需要的脈沖能量閾值較普通長脈沖激光所需閾值低，大概為毫焦耳甚至微焦耳量級，因此對材料進行加工所需要消耗的激光能量較低。

4)加工材料的廣泛性。對比納秒、皮秒等長脈沖激光，飛秒激光脈沖可以在很短的時間內達到很高的峰值功率。在高功率激光脈沖作用下，材料能對輻照激光進行多光子吸收，所以飛秒激光可以對有機透明材料、半導體以及金屬等各種材料的表面或者內部進行加工，如燒蝕、改性和破壞等微加工。普通長脈沖激光的脈沖持續時間較長，從而削弱了它的峰值功率密度；因此，對于相對透明的材料，無法用普通的長脈沖激光進行加工，加工材料的種類范圍受到限制。飛秒激光在聚合物材料內部加工的三維納米牛的圖像如圖3所示。此外飛秒脈沖激光對材料進行加工處理時，材料對輻照激光進行多光子吸收，這種多光子吸收的程度及電離閾值只與材料的原子特性有關，而和自由電子的濃度毫無關系；因此，采用飛秒脈沖激光可以對所有材料進行精細加工。

圖3　用飛秒激光在聚合材料內部加工的三維納米牛

2　飛秒激光加工機理及特征優勢

利用激光對材料進行表面處理時，材料中的內部電子吸收能量，從平衡態轉變成激發態或者電離態，可能會通過單光子共振躍遷、雙光子躍遷、多光子躍遷、隧道電離和超勢壘電離過程發生躍遷[5]，這些過程中只有單光子共振躍遷是一個線性過程，其余過程均依賴于材料的非線性特征。物質的電離需要一定的能量值，當這個能量值大于單個光子的能量時，材料的內部電子不可能通過單光子共振躍遷過程被激發。此時通過改變激光強度，材料可以通過多光子吸收過程發生躍遷，在電子躍遷過程中，會生成自由電子，此時的電子具有一定的動能，會與周圍的原子或者離子發生碰撞，產生2個電子，這種重復發生，如同雪崩一樣倍增電子的過程叫做雪崩電離。如果脈沖激光的波長確定，那么激光與材料的作用機理主要和材料種類、激光的強度有關。如果脈沖激光的強度較大，在進行材料加工過程中，材料內部電子吸收能量表現出非常強的非線性效應。飛秒激光脈沖寬度極短，峰值功率高，加工材料時，這種非線性效應非常明顯。因而加工機理區別于普通長脈沖激光。

在20世紀90年代初，美國Michigan大學超快光學科技中心的G．Mourou教授領導的研究小組開始了飛秒激光燒蝕生物組織、金屬和半導體等材料的研究。在1997年，其系統闡述了超短脈沖激光與材料的作用機理：對于金屬材料，主要靠離子雪崩來實現脈沖能量的吸收；對電介質材料，帶隙較寬，采用飛秒激光加工材料時，材料主要通過非線性吸收能量過程被燒蝕破壞。由于非線性電離產生的種子電子不會產生劇烈的統計波動，因此飛秒激光燒蝕材料時會表現中精確的燒蝕閾值。這種特殊的燒蝕材料的非線性物理機制決定了飛秒激光在材料加工中的獨特優勢。

3　飛秒激光誘發前向轉移技術的優點

飛秒激光誘發前向轉移技術作為微細加工的一種手段，能夠制作細小結構和精細圖形。其具有如下優點。

1)飛秒激光脈寬極短，峰值功率高，與普通長脈沖激光相比，加工過程中熱影響效應比較小，加工精度較高。

2)不需要制備掩模，在透明基片上預先制備薄膜，飛秒激光聚焦透明基片與薄膜材料作用后，材料沉積在基底上，可以制備各種微結構，程序簡單，開發周期短，可以一次成型，能降低成本，而且加工精度高。

3)可以加工的薄膜材料范圍很廣。

4)加工與基底材料無關，加工過程可以在室溫環境中進行，不需要特殊的環境和處理系統。

5)在材料加工過程中不會產生污染，環保。

6)隨著計算機技術的廣泛使用，將數控加工技術、CAD/CAM技術與飛秒激光誘發前向轉移技術結合，可以加工更加復雜的圖形和微結構[6-7]。

4　結語

飛秒激光脈寬極短，峰值功率高。采用飛秒激光誘發前向轉移技術，能達到普通長脈沖激光所不能達到的極端加工條件。飛秒激光誘發前向轉移技術對加工薄膜材料沒有限制，操作簡單，沉積的薄膜與基地粘接良好，且沒有環境污染等問題，這一技術在電子器件加工制作領域應用潛力巨大。近年來，國外已經大力開展了該方面的研究，但是目前還處于研究階段，距離實際的應用階段還有很長的路要走；國內關于該方面的研究報道還很少。

[1] Bohandy J, Kim B F, Adrian F J. Metal deposition from a supported metal film using an excimer laser[J]. Journal of Applied Physics, 1986, 60(4):1538-1539.

[2] Bohandy J, Kim B F, Adrian F J, et al. Metal deposition at 532 nm using a laser transfer technique[J]. Journal Applied Physics, 1988, 63(4):1158-1162.

[3] 賈威，王清月，傅星，等.飛秒激光在材料微加工中應用[J]. 量子電子學報，2004,21(2):194-201.

[4] 楊建軍.飛秒激光超精細“冷”加工技術及其應用[J].激光與光電子學進展，2004,33(3):42-50.

[5] Mevel E, Breger E, Traunham R, et a1. Atoms in strong optical fields: Evolution from multiphoton to tunnel ionization[J]. Phys. Rev. Lett., 1993, 70:406-409.

[6] 劉明艷.秒激光誘導前向轉移技術與應用[D].天津:天津大學，2012.

[7] 殷志雄，肖海兵. 大功率碟片激光切割汽車零件工藝研究[M].新技術新工藝,2015(5):4-6.

責任編輯鄭練

Research on the Forward Transfer Technique based on Femtosecond Laser

LI Xing

(Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

The transfer of trace substance is realized under the action of laser induced. This technology is the laser induced forward transfer. Femtosecond laser has the characteristic of short pulse width, high peak power. Its characteristic is different from that of the long pulse laser in the process of the materials. Materials are being burnt out by solid phase, liquid phase and gas phase in use of the traditional long pulse laser processing of materials. This leads to the heat diffusion is very serious. The quality has a great impact. Time is very short when femtosecond laser ablas the material. The heat conduction in the matrix can be neglected. This avoids the adverse effects of the long pulse laser processing, such as the shock wave, the heat affected zone and the molten zone. The cold processing can be achieved in the some extent. The characteristic of the femtosecond laser, femtosecond laser processing mechanism, and the advantages of femtosecond laser induced forward transfer technology are summarized in this paper. Hope to have a comprehensive understanding of the technology of laser induced forward transfer.

laser induced transfer technology, femtosecond laser, thin film

TG 456.9

A

李星(1990-)，男，碩士研究生，主要從事飛秒激光材料改性及應用等方面的研究。

2015-12-25