激光入射角对振镜扫描激光刻蚀质量的影响

胡雪林，曹 宇，李峰平

(温州大学机电工程学院，浙江温州 325035)

激光入射角对振镜扫描激光刻蚀质量的影响

胡雪林，曹 宇†，李峰平

(温州大学机电工程学院，浙江温州 325035)

以加工焦深限制范围内的倾斜平面模型来模拟工件表面的微观不平坦状况，对激光束以一定倾角入射工件表面的光斑畸变及其对刻蚀质量的影响开展了理论和实验方面的初步探索．结果表明，随着激光束入射方向与工件表面法向的夹角（简称入射角）的增大，光斑畸变量也越来越大，振镜沿水平路径扫描的刻蚀线宽始终比竖直路径的大，刻蚀线长始终比竖直路径的小；相对于水平刻蚀路径，竖直刻蚀路径刻槽的任意位置经历的激光辐照时间更长，物质蒸发、重熔更充分，刻槽更深，金属重铸层更厚，刻槽的侧壁和底部形貌更为平整光滑．

振镜扫描；激光刻蚀；光斑畸变；焦深；光束入射角

激光刻蚀，利用高能量密度脉冲激光束使被辐照工件表层的物质发生熔化、烧蚀而去除，适应性强（可加工超软、超硬、超脆、超薄等特殊材质），工艺柔性化程度高，用于难加工材料微结构制造时，技术优势非常显著．近年来，随着光纤激光、超短超快脉冲激光和高精度直线电机、压电陶瓷驱动工作台的涌现[1-2]，激光刻蚀设备的加工精度水平不断提高，工业应用范围不断拓宽[3-4]，基于振镜扫描的激光刻蚀技术[5-6]正是近十几年迅速发展起来的．与依靠机床运动实现激光刻蚀不同，振镜扫描激光刻蚀技术，主要依靠两块平面镜的高速偏转带动激光束高速扫描，使激光束经过远心透镜聚焦后到达工件表面，从而实现精密刻蚀加工．由于振镜质量轻，转动惯量小，起停时加速度大，跳转速度快，该技术特别适合平面或三维微结构的高效率、高精度的标记和刻蚀[7-8]．

众所周知，任何聚焦透镜都有一定的景深范围，即焦深（Depth of focus）．工业激光加工设备的焦深值大小主要取决于激光束的波长和加工光学系统的参数，在加工焦深范围内，激光光斑形状、大小、能量分布一般都当作不变量．振镜扫描激光刻蚀技术区别于传统刀具加工方法的显著特点之一就是激光束的非接触、加工焦深特性允许工件表面高度有小于焦深的起伏变化[9]，只要扫描速度不变，在这个区域内部的激光功率密度和能量密度就认为基本相同，故而所刻蚀路径的加工精度和质量也基本相同．

当前，振镜扫描激光刻蚀的加工工艺，一般都是以激光束沿法向垂直投向工件平面为前提，但由于工件表面的微观起伏，激光束实际上是以一定的倾斜角度入射到工件表面的．为了准确预测和评价振镜扫描激光刻蚀不平坦工件表面的质量，本文以加工焦深限制范围内的倾斜平面模型来模拟工件表面的微观不平坦状况，对激光束以一定倾角入射工件表面的光斑畸变及其对刻蚀质量的影响规律，开展了理论和实验方面的初步探索．

1 试样制备与试验方法

试样选择601铝合金板材（平阳佳通五金制品有限公司），将所选板材制成规格为100 mm × 50 mm × 1 mm的小平板，试样表面进行镜面抛光和清洗去油污处理．为了研究激光束入射角对激光刻蚀线宽、线深和表面加工质量的影响，本文专门设计制作了一个倾角调节夹具，如图1所示，激光束入射角即等于夹具的倾斜角度θ．实验设备采用自主设计开发的振镜扫描式紫外微纳加工系统，主要包括355 nm全固态紫外激光器（美国AptoWave公司）、导光光路系统、振镜扫描激光刻蚀加工头、XYZ三维运动工作台、辅助系统和加工工艺控制软件等，如图2所示．

图1 平面倾角可调的夹具

图2 振镜扫描式紫外微纳加工系统的原理结构

对于该振镜扫描式紫外微纳加工系统，紫外高斯激光束经扩束准直后，通过两维扫描振镜和远心透镜聚焦在工件表面，其理论光斑直径D和加工焦深Z分别为：

实验中，将试样放置在夹具安装槽里，通过调节试样与水平面之间的倾斜角θ，可以模拟激光束以不同入射角到试样表面的情况．同时，为了在同一入射角情况下，研究激光束在试样表面的不同扫描方向对刻蚀线宽、线深和表面加工质量的影响，在每一个试样表面，设计了两个相互垂直的振镜扫描刻蚀路径（如图1），刻蚀路径H与夹具底部基线平行（以下简称水平H路径），刻蚀路径V与夹具底部基线垂直（以下简称竖直V路径），刻蚀路径长度均设计为0.5 mm，约为该振镜扫描式紫外微纳加工系统的理论加工焦深的一半．设定优选的振镜扫描激光刻蚀工艺参数：激光功率Power= 5W，重复频率Ferq= 80 kHz，扫描速度υs= 200 mm / s．调节激光束入射角θ，在试样表面加工出不同刻蚀路径的短线段刻槽．通过光学显微镜、台阶轮廓仪以及扫描电子显微镜（SEM）对激光刻蚀线条的几何尺寸、微观形貌等进行分析测试，考察激光束入射角θ和振镜扫描方向对刻蚀线宽、线深和刻槽加工质量的影响．

2 结果与分析

当激光束以入射角θ照射在试样上时，圆形聚焦光斑在试样上将畸变为椭圆形，如图3所示．

光斑形状由圆形变为椭圆形后，椭圆光斑短轴长度仍为原来圆形光斑的直径D，椭圆光斑长轴长度D′和光斑面积S′的计算公式如下：

由此可知，D′和S′将随着激光束入射角θ的增大而增大，并且该畸变量变化是非线性的．

采用带标尺的光学显微镜精确测量激光束入射角θ对水平H路径和竖直V路径的刻蚀线宽和线长，结果如图4所示．从图中可以看出，入射角θ从5°到50°不断增大，水平H路径的刻蚀线宽逐渐增大，而线长逐渐减小；竖直V路径的刻蚀线宽逐渐减小，而线长逐渐增大．这是因为垂直方向入射的激光束在倾斜平面上进行振镜扫描激光刻蚀加工时，水平H路径的理论刻蚀线宽将畸变为D′，随着激光束入射角θ的增大，理论刻蚀线宽将增大；对理论刻蚀线长而言，当输入能量值一定时，束斑几何面积的畸变为S′，激光束斑能量密度将减小，从而使得刻蚀线长的变化趋势和刻蚀宽度的恰好相反．同时，对于倾斜平面来说，D′始终比D大，所以水平H路径的刻蚀宽度始终比竖直V路径的大，相应的刻蚀线长始终比竖直V路径的小．

图3 激光束投影在斜面工件的聚焦光斑几何畸变

图4 激光束入射角对刻蚀精度的影响

采用台阶仪测量刻槽深度，得到激光束入射角θ与水平H路径、竖直V路径刻蚀深度的关系曲线，如图5所示．结合图3进行分析可知，随着入射角θ的增大，水平H路径和竖直V路径方向的椭圆光斑面积都逐渐增大，这使得光斑的能量密度逐渐减小，所以在扫描速度不变的前提下，倾斜平面工件上的刻蚀深度均逐渐减小．采用台阶轮廓仪测得竖直V路径的刻槽深度为4.3 µm，大于水平H路径的刻槽深度3.7 µm，这是由于竖直V路径的光斑轨迹运动方向是椭圆光斑的长轴方向，水平H路径刻槽的光斑轨迹运动方向是椭圆光斑的短轴方向．显然，对于刻蚀路径H、V刻槽上的某一位置，所经历的激光辐照时间tH和tV存在如下关系：

图5 激光束入射角θ对刻蚀路径H、V的刻蚀深度影响

因此，竖直V路径刻槽任意位置在相对较长的激光作用时间下，刻槽更深，同时物质蒸发、重熔更充分，刻槽的重铸层更厚，刻槽的侧壁和底部形貌更为平整光滑，如图6所示．

图6 刻蚀路径H、V刻槽的微观形貌 (θ = 10°)

4 结 语

任何振镜扫描激光刻蚀加工系统都有一定的加工焦深，在该焦深范围内，一般认为聚焦光斑的能量密度基本相同，振镜扫描轨迹的加工质量和精度也基本相同．本文以加工焦深限制范围内的倾斜平面模型来模拟工件表面的微观不平坦状况，对激光束以一定倾角入射工件表面的光斑畸变及其对刻蚀质量的影响进行了研究，结果表明，激光束入射角越大，聚焦光斑的椭圆畸变量越大，激光束入射角的变化会引起光斑的能量密度和刻蚀工艺尺寸精度的相应变化；竖直刻蚀路径刻槽任意位置在激光相对较长时间的作用下，刻槽更深，物质蒸发、重熔更充分，刻槽的重铸层更厚，刻槽的侧壁和底部形貌更为平整光滑．

本研究结果揭示了激光束入射角对激光刻蚀加工质量的影响机理，为设计超精密激光刻蚀加工系统、探索工艺参数补偿机制提供了基础数据．

参考文献

[1] 徐宏伟, 黄玉美, 刘鸿雁, 等. 基于PMAC卡的五坐标多功能激光加工机床控制系统[J]. 制造技术与机床, 2008, (1): 55-57.

[2] Sun H, Kawata S. Multiple-spot parallel processing for laser micro/nano fabrication [J]. Applied Physics Letters, 2005, 86(4): 044102.

[3] 张恒. 纳秒激光诱导若干金属材料微结构及其应用研究[D]. 苏州: 苏州大学物理学院, 2008: 45-49

[4] Nedialkova N, Atanasova P, Amorusob S, et al. Laser ablation of metals by femtosecond pulses: Theoretical and experimental study [J]. Applied Surface Science, 2007, 253(19): 7761-7766.

[5] Beraldin J-Angelo. Integration of Laser Scanning and Close-Range Photogrammetry-The Last Decade and Beyond [J]. International Society for Photogrammetry and Remote Sensing, 2004, 19: 573-576.

[6] Xiang S, Chen S, Wu X, et al. Study on fast linear scanning for a new laser scanner [J]. Optics and Laser Technology, 2010, 42(1): 42-46.

[7] 段军, 李祥友, 王泽敏, 等. 一种振镜式激光三维扫描系统: 中国, 200810197661.2 [P]. 2008-11-17.

[8] 梅领亮, 覃贤德, 段军, 等. UV激光FPC外形加工技术及其设备制造的研究[J]. 印制电路信息, 2009, (1): 51-54.

[9] Farson D F, Ready John F, Feeley T. LIA Handbook of Laser Materials Processing [M]. NewYork: NewYork CRC Press, 2001: 456-459.

Influence of Laser Beam’s Incident Direction on the Process Quality of Galvanometer Scanning Laser Ablation

HU Xuelin, CAO Yu, LI Fengping
(School of Mechanical & Electrical Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

By using an inclined plane model within the limit of depth of focus to simulate the uneven condition of the workpiece surface, influences of laser beam incident direction on the process quality of galvanometer scanning laser ablation are studied theoretically and experimentally. The result shows that the elliptical shape distortion of focal spot will deteriorate with the increase of the laser beam incident angle to the workpiece surface normal direction, which causes the disparity of process quality in different galvanometer scanning directions. The horizontal galvanometer scanning path has a greater ablation width but smaller ablation length compared with the vertical path. The laser irradiation duration time in vertical galvanometer scanning path is relatively longer, which makes evaporation and remelting in the laser ablation process fully completed, thus leads to higher ablation depth, thicker metal recast layer, and more smooth side wall and bottom micro topography.

Galvanometer Scanning; Laser Ablation; Spot Distortion; Depth of Focus; Incident Angle

TN249

A

1674-3563(2014)01-0058-05

10.3875/j.issn.1674-3563.2014.01.009 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

(编辑：王一芳)

2013-08-19

国家自然科学基金(51005083；51375348)；温州市重点创新团队项目（C20120002）

胡雪林(1989- )，男，浙江杭州人，硕士研究生，研究方向：激光加工工艺．† 通讯作者，yucao@ wzu.edu.cn