基于飞秒激光诱发前向转移技术的研究

2016-09-07李星

新技术新工艺 2016年5期

关键词：飞秒薄膜脉冲

李　星

(中国民航大学，天津 300300)

基于飞秒激光诱发前向转移技术的研究

李星

(中国民航大学，天津 300300)

在激光诱导的作用下实现微量物质的转移技术即为激光诱发前向转移技术。飞秒激光具有激光脉宽极短、峰值功率极高的特点，其在与材料作用过程中的特性不同于长脉冲激光。在利用传统长脉冲激光对材料进行加工时，材料是通过固相、液相和气相这3个热熔过程而逐层剥离的，从而导致热扩散十分严重，进而对加工质量产生了很大的影响。飞秒激光烧蚀材料时间非常短，基体内的热传导可以被忽略，这就从根源上避免了长脉冲激光加工过程中产生的冲击波、热影响区和熔融区等不利影响，从而在一定意义上使冷加工得以实现。针对飞秒激光的特点、飞秒激光加工机理和飞秒诱发向前转移技术的优点进行了研究，希望对飞秒激光诱发前向转移技术有一个全面的了解。

激光诱发转移技术；飞秒激光；薄膜

在使用飞秒激光进行微精细加工方面，除了在微米或纳米领域内的去除材料及局部改性这2种机制，还有第3种机制，即利用飞秒激光对材料进行烧蚀、诱导，使微量物质发生定向转移或沉积，最终制作出微纳米级尺度的图形，这也就是激光诱导向前转移技术(Laser Induced Forward Transfer，LIFT)。该技术最初于1986年由美国学者Bohandy等提出[1-2]，他们利用纳秒激光第1次实现了铜薄膜的前向转移和沉积。该技术的加工过程示意图如图1所示，在透明基板上镀上所需要的薄膜，当激光透过透明基板，且聚焦在所要转移的源膜上时，激光作用于薄膜材料；薄膜由于受到激光照射，就会从基板上脱离下来，从而在距离基板很近的接收基底材料上沉积。因为飞秒激光脉冲时间与材料内部的电子晶格耦合时间相比较小，所以在飞秒激光膜转移过程中，薄膜是直接以气相的状态转移到接收基底材料上的，没有液相的形成。

图1　LIFT过程示意图

1　飞秒激光的特点及其应用

与传统的长脉冲激光加工相比，飞秒激光加工有许多优势，主要包括如下几方面[3-4]。

1)热影响区小。飞秒激光的脉冲宽度极短，其与材料作用时，脉冲能量被限制在材料表面的很浅范围内，能够瞬间在极小的作用空间传递能量，材料在瞬间达到很高的温度，从固态变为等离子态。由于飞秒激光作用的脉冲作用时间较短，远远小于晶格的热传导作用时间，能量只存在于光斑的辐射范围内，几乎不会发生扩散，因而采用飞秒激光加工，材料的边缘更加整洁、光滑，而且没有熔渣堆积的现象。能量利用效率得到极大提高。使用不同量级的激光脉冲对不锈钢表面进行打孔处理的形貌如图2所示，从图中可知，飞秒激光打孔后的材料表面整齐，加工边缘光滑，热影响范围较小，加工精度较高。

图2　激光在钢表面加工的表面形貌图

2)烧蚀阈值精确。当飞秒激光与材料之间发生作用时，非线性吸收占主要地位，飞秒激光对材料进行加工时，各种材料均表现出稳定的破坏阈值，只有当激光能量达到材料的阈值时，材料表面才发生破坏。当普通长脉冲激光作用于材料上时，能量变动范围十分广，有可能会导致材料表面产生烧蚀现象。

3)加工能量的低耗性。和普通长脉冲激光相比，飞秒激光的脉冲时间极短，单位时间内脉冲数目较多，当激光能量相等时，飞秒激光的峰值强度约是纳秒长脉冲强度的105倍。一般情况下采用飞秒激光对材料进行处理时，材料破坏需要的脉冲能量阈值较普通长脉冲激光所需阈值低，大概为毫焦耳甚至微焦耳量级，因此对材料进行加工所需要消耗的激光能量较低。

4)加工材料的广泛性。对比纳秒、皮秒等长脉冲激光，飞秒激光脉冲可以在很短的时间内达到很高的峰值功率。在高功率激光脉冲作用下，材料能对辐照激光进行多光子吸收，所以飞秒激光可以对有机透明材料、半导体以及金属等各种材料的表面或者内部进行加工，如烧蚀、改性和破坏等微加工。普通长脉冲激光的脉冲持续时间较长，从而削弱了它的峰值功率密度；因此，对于相对透明的材料，无法用普通的长脉冲激光进行加工，加工材料的种类范围受到限制。飞秒激光在聚合物材料内部加工的三维纳米牛的图像如图3所示。此外飞秒脉冲激光对材料进行加工处理时，材料对辐照激光进行多光子吸收，这种多光子吸收的程度及电离阈值只与材料的原子特性有关，而和自由电子的浓度毫无关系；因此，采用飞秒脉冲激光可以对所有材料进行精细加工。

图3　用飞秒激光在聚合材料内部加工的三维纳米牛

2　飞秒激光加工机理及特征优势

利用激光对材料进行表面处理时，材料中的内部电子吸收能量，从平衡态转变成激发态或者电离态，可能会通过单光子共振跃迁、双光子跃迁、多光子跃迁、隧道电离和超势垒电离过程发生跃迁[5]，这些过程中只有单光子共振跃迁是一个线性过程，其余过程均依赖于材料的非线性特征。物质的电离需要一定的能量值，当这个能量值大于单个光子的能量时，材料的内部电子不可能通过单光子共振跃迁过程被激发。此时通过改变激光强度，材料可以通过多光子吸收过程发生跃迁，在电子跃迁过程中，会生成自由电子，此时的电子具有一定的动能，会与周围的原子或者离子发生碰撞，产生2个电子，这种重复发生，如同雪崩一样倍增电子的过程叫做雪崩电离。如果脉冲激光的波长确定，那么激光与材料的作用机理主要和材料种类、激光的强度有关。如果脉冲激光的强度较大，在进行材料加工过程中，材料内部电子吸收能量表现出非常强的非线性效应。飞秒激光脉冲宽度极短，峰值功率高，加工材料时，这种非线性效应非常明显。因而加工机理区别于普通长脉冲激光。

在20世纪90年代初，美国Michigan大学超快光学科技中心的G．Mourou教授领导的研究小组开始了飞秒激光烧蚀生物组织、金属和半导体等材料的研究。在1997年，其系统阐述了超短脉冲激光与材料的作用机理：对于金属材料，主要靠离子雪崩来实现脉冲能量的吸收；对电介质材料，带隙较宽，采用飞秒激光加工材料时，材料主要通过非线性吸收能量过程被烧蚀破坏。由于非线性电离产生的种子电子不会产生剧烈的统计波动，因此飞秒激光烧蚀材料时会表现中精确的烧蚀阈值。这种特殊的烧蚀材料的非线性物理机制决定了飞秒激光在材料加工中的独特优势。

3　飞秒激光诱发前向转移技术的优点

飞秒激光诱发前向转移技术作为微细加工的一种手段，能够制作细小结构和精细图形。其具有如下优点。

1)飞秒激光脉宽极短，峰值功率高，与普通长脉冲激光相比，加工过程中热影响效应比较小，加工精度较高。

2)不需要制备掩模，在透明基片上预先制备薄膜，飞秒激光聚焦透明基片与薄膜材料作用后，材料沉积在基底上，可以制备各种微结构，程序简单，开发周期短，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围很广。

4)加工与基底材料无关，加工过程可以在室温环境中进行，不需要特殊的环境和处理系统。

5)在材料加工过程中不会产生污染，环保。

6)随着计算机技术的广泛使用，将数控加工技术、CAD/CAM技术与飞秒激光诱发前向转移技术结合，可以加工更加复杂的图形和微结构[6-7]。

4　结语

飞秒激光脉宽极短，峰值功率高。采用飞秒激光诱发前向转移技术，能达到普通长脉冲激光所不能达到的极端加工条件。飞秒激光诱发前向转移技术对加工薄膜材料没有限制，操作简单，沉积的薄膜与基地粘接良好，且没有环境污染等问题，这一技术在电子器件加工制作领域应用潜力巨大。近年来，国外已经大力开展了该方面的研究，但是目前还处于研究阶段，距离实际的应用阶段还有很长的路要走；国内关于该方面的研究报道还很少。

[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] 贾威，王清月，傅星，等.飞秒激光在材料微加工中应用[J]. 量子电子学报，2004,21(2):194-201.

[4] 杨建军.飞秒激光超精细“冷”加工技术及其应用[J].激光与光电子学进展，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] 刘明艳.秒激光诱导前向转移技术与应用[D].天津:天津大学，2012.

[7] 殷志雄，肖海兵. 大功率碟片激光切割汽车零件工艺研究[M].新技术新工艺,2015(5):4-6.

责任编辑郑练

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