飛秒激光加工超光滑光學(xué)表面綜述

1、飛秒激光加工超光滑光學(xué)表面綜述精密和超精密加工技術(shù)、制造自動化是先進制造技術(shù)的兩大領(lǐng)域，精密工程、精細工程和納米技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的前沿，也是未來制造技術(shù)的基礎(chǔ)。超精密加工是一門新興的綜合性加工技術(shù)，它集成了現(xiàn)代機械、電子、測量及材料等先進技術(shù)成就，使得目前的加工精度達到了0.01級，極大地改善了產(chǎn)品的性能和可靠性。超光滑表面加工技術(shù)是超精密加工體系的一個重要組成部分，在國防工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)民用產(chǎn)品的制造中占有非常重要的地位且有著廣泛的市場需求，具有良好的發(fā)展前景?？萍嫉倪M步極大地推動了技術(shù)的發(fā)展，隨著光學(xué)領(lǐng)域和微電子學(xué)領(lǐng)域及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對所需材料的表面質(zhì)量的要求越來越高。大規(guī)模和超大規(guī)模

2、集成電路對所用襯底材料的表面精度提出了很高的要求；短波段光學(xué)的發(fā)展尤其是強激光技術(shù)的出現(xiàn)，對光學(xué)元件表面粗糙度的要求極為苛刻。從而產(chǎn)生了超光滑表面的概念，并出現(xiàn)一系列用于進行超光滑表面加工的技術(shù)和方法。超光滑表面具有以下主要特征1：（1） 表面粗糙度小于1nm Ra，對于光學(xué)元件，表面粗糙度小于1nm RMS(粗糙度均方根值)，（2） 盡可能小的表面疵病與亞表面損傷；（3） 表面殘余應(yīng)力極??；（4） 晶體表面具有完整的晶體結(jié)構(gòu)，即表面無晶格錯位。超光滑表面的加工手段有拋光和超精密機械加工等，而拋光應(yīng)用得最廣泛。超光滑表面加工的對象是晶體、陶瓷等硬脆性材料。超光滑表面主要應(yīng)用于現(xiàn)代武器慣導(dǎo)儀表的

3、精密陀螺的平面反射鏡、激光核聚變反射鏡、大規(guī)模集成電路的基片、計算機磁盤、磁頭和藍寶石紅外探測器窗口的透鏡等。對于各種超光滑表面的拋光加工手段，根據(jù)在加工過程中工件和拋光盤之間的接觸狀態(tài)可分為3種類型：直接接觸、準(zhǔn)接觸和非接觸。在各種拋光方法中的接觸狀態(tài)均只屬于其中一種，并在拋光過程中基本保持不變1,2。1. 直接接觸拋光直接接觸拋光是指拋光盤和工件在拋光過程中直接發(fā)生接觸，依靠拋光磨料的機械磨削作用和拋光盤的摩擦作用去除材料。浴法拋光、Teflon法拋光等都屬于這種接觸方式。2. 非接觸拋光非接觸拋光是指使工件與拋光盤在拋光時不發(fā)生接觸，僅用拋光液沖擊工件表面，以獲得完美結(jié)晶性和精確面型的加

4、工表面的拋光方法。EEM、浮法拋光、激光拋光等都屬于這種接觸方式。該方法的去除量極小，可用于加工功能晶體材料元件(強調(diào)表面的晶格完整性)，也可用于加工光學(xué)元件(強調(diào)高面形精度和極低的粗糙度值)。3. 準(zhǔn)接觸拋光準(zhǔn)接觸拋光是指，在拋光過程中產(chǎn)生的動壓使拋光盤和工件之間存在合適的間隙?；瘜W(xué)機械拋光便是典型的準(zhǔn)接觸拋光。隨著材料表面技術(shù)的發(fā)展，表面拋光技術(shù)成為了一個越來越重要的技術(shù)。拋光技術(shù)又稱鏡面加工技術(shù)，是制造平坦而且加工變形層很小、沒有擦痕的面加工工藝。在工業(yè)應(yīng)用中，對材料表面粗糙度的要求越來越高，已經(jīng)從微米級亞微米級納米級亞納米級。為了滿足應(yīng)用的需要，已經(jīng)有多種拋光技術(shù)被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。拋

5、光技術(shù)有：機械拋光、超聲波拋光、化學(xué)拋光、離子束拋光、電解拋光、流體拋光、磁研磨拋光、激光拋光等。這些拋光技術(shù)在電子設(shè)備、精密機械、儀器儀表、光學(xué)元件、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。超光滑表面的拋光機理：一般原子直徑小于0.3nm，而超光滑表面的微觀起伏的均方根值為幾個原子的尺寸，因此實現(xiàn)超光滑表面加工的關(guān)鍵在于實現(xiàn)表層材料原子量級的去除。傳統(tǒng)的拋光理論認為，拋光是由磨料的機械磨削作用、拋光液的化學(xué)作用和工件表面材料的熱流動共同作用的結(jié)果。對于超光滑表面的拋光，其材料去除的方式不外乎也是通過機械的作用和化學(xué)的作用，區(qū)別在于作用的方式有所不同。在硬脆性材料的超光滑表面拋光中，磨料的機械作用表現(xiàn)在

6、以塑性的方式產(chǎn)生切屑。T.G.Bif ano提出了塑性磨削理論，他認為如果將磨削深度控制在幾十納米到幾個納米之間，硬脆性材料在磨削過程中的去除機理由脆性崩裂變?yōu)樗苄粤鲃印ｋS著納米粉體技術(shù)的發(fā)展，納米級磨料在超光滑表面拋光中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，這使塑性磨削成為可能。在超光滑表面拋光中磨料的去除單位已在納米，甚至已是亞納米級，在這種加工尺度內(nèi)，加工氛圍中的化學(xué)作用顯得尤為重要。在超光滑表面拋光中拋光液的化學(xué)作用表現(xiàn)在：先在被加工表面形成一層易于磨削的軟質(zhì)層，再利用拋光料或拋光盤的機械磨削的作用加以去除。這樣就可以實現(xiàn)用軟質(zhì)拋光料加工硬質(zhì)材料，而且對材料的去除及減少加工變質(zhì)層是有利的。目前普遍認

7、為超光滑表面拋光是磨料或拋光盤的機械作用和拋光漿料的化學(xué)作用的結(jié)果，以物理、化學(xué)的方式去除材料。不同的拋光方法就在于機械作用和化學(xué)作用的組合上有所不同。目前關(guān)于超光滑表面加工機理的研究尚不完善，有待于通過納米摩擦學(xué)的微切削理論做出進一步的解釋。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對材料表面質(zhì)量的要求越來越高。對于一些超硬材料和脆性材料以及復(fù)合材料，傳統(tǒng)的加工方法無法滿足加工的技術(shù)要求。激光拋光是一種新型材料表面處理技術(shù)，作為激光加工技術(shù)的重要應(yīng)用之一，也隨著激光技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)并快速發(fā)展。由于激光拋光具有其他加工方法無可比擬的優(yōu)勢，自20世紀90年代以來，許多西方國家的學(xué)者都開始對激光拋

8、光進行研究，近年來，中國一些學(xué)者和科研機構(gòu)也開始投入了對激光拋光技術(shù)的探索和研究工作1,2。1. 激光拋光技術(shù)的發(fā)展自1964年1965年相繼發(fā)明了CO2激光器、YAG激光器后，激光器在工業(yè)上的應(yīng)用變成了可能。隨著激光這種新能源的獲得，材料加工的領(lǐng)域被大大拓寬，其中材料表面的激光處理就是激光應(yīng)用的重要方面之一。材料表面的激光處理主要集中在：材料表面激光相變硬化、激光合金化與涂覆、激光表面非晶化和微晶化、沖擊硬化及激光對材料的表面改性等。近年來，隨著材料科學(xué)，特別是材料表面科學(xué)的發(fā)展，激光器在材料科學(xué)中的應(yīng)用得到進一部的拓寬；更由于工業(yè)應(yīng)用中對材料表面的光潔度的要求越來越高，人們不斷探索新的拋光

9、技術(shù)，由于激光獨特的性質(zhì)，激光拋光技術(shù)出現(xiàn)了。剛開始，人們利用CO2激光器、YAG激光器等連續(xù)激光器，對一些材料進行了表面拋光的研究，得到了比較好的符合要求的光滑面，但容易在表面產(chǎn)生少量的裂紋?，F(xiàn)在研究人員把重點放在短波長準(zhǔn)分子激光器和短脈沖的飛秒脈沖激光器上，利用它們拋光不易產(chǎn)生裂紋，拋光的效果更好。從90年代中期以來，在美國、俄羅斯、德國和日本等國家，廣泛開展了金剛石薄膜的激光拋光研究，已經(jīng)得到了納米級的表面粗糙度；近年來，日本大阪大學(xué)激光研究院的研究人員選用193nm燒蝕波長和PMMA(光學(xué)材料)組配獲得高的表面光滑度，使其表面誤差下降到只有0.17?，F(xiàn)在激光拋光已經(jīng)在金剛石薄膜、高分子

10、聚合物、陶瓷、半導(dǎo)體、光學(xué)元件、金屬、絕緣體等得到廣泛的研究。2. 飛秒激光的產(chǎn)生根據(jù)激光器工作方式的不同，激光通?？煞譃檫B續(xù)激光和脈沖激光。脈沖激光是指以脈沖工作方式的激光器發(fā)出的光脈沖，簡單地說，好比手電筒一樣，合上開關(guān)立刻又關(guān)掉就是發(fā)出了一個“光脈沖”。用脈沖方式工作有它的必要性，比如發(fā)送信號減少熱量的產(chǎn)生等等。近年來，超短光脈沖的產(chǎn)生、控制及應(yīng)用獲得了飛速地發(fā)展。人們通常將皮秒(ps，1012s)、飛秒(fs，1015s)光脈沖稱之為超短光脈沖。從20世紀60年代激光的誕生到20世紀80年代，激光脈沖均處于皮秒量級。1981年，弗克等人利用碰撞鎖模技術(shù)從染料激光器中首次獲得了飛秒激光脈

11、沖，所謂鎖模技術(shù)是指將激光器中同時存在的不同模式的激光脈沖實現(xiàn)相位鎖定。通常飛秒激光系統(tǒng)由四部分組成：振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。在振蕩器內(nèi)，可利用鎖模技術(shù)獲得飛秒激光脈沖；展寬器將這個飛秒種子脈沖按不同波長在時間上拉開；放大器使這一展寬的脈沖獲得充分能量；壓縮器把放大后的不同成分的光譜再會聚到一起，恢復(fù)到飛秒寬度，從而形成具有極高瞬時功率的飛秒激光脈沖。20世紀90年代以后，隨著飛秒鈦寶石激光器的研制成功，獲得了高功率峰值、脈沖極短的飛秒激光，但其昂貴的成本，龐大的結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的操作嚴重阻礙了飛秒激光的應(yīng)用。為了突破現(xiàn)有飛秒激光局限，隨著光子晶體光纖的問世，新一代飛秒激光研究于2000年后

12、蓬勃發(fā)展起來。在國際上，我國科學(xué)工作者首次實現(xiàn)了飛秒激光在400700nm寬帶連續(xù)可調(diào)諧，并研制成功國際上首臺全光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)，創(chuàng)造了39fs該技術(shù)當(dāng)前最短脈寬紀錄。近年來，科學(xué)工作者又將超短光脈沖推進到了阿秒(1018s)量級3。3. 飛秒激光的特點3第一，脈沖寬度極短。飛秒激光是一種以脈沖形式運轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時間非常短，只有幾個飛秒，飛秒的單位是fs(femto-second)，1fs10-15s，光在真空中1s內(nèi)傳播的距離是3.0×108m，而光在1fs內(nèi)傳播的距離僅為0.3m，比大多數(shù)細胞的直徑還要短，相當(dāng)于光的波長的距離，病毒的體長，CD片的槽寬量級。第二，經(jīng)

13、放大后峰值功率極高，可達太瓦(1012W )以上，經(jīng)聚焦，峰值功率密度可達10181020W/cm2，其強度超過了原子內(nèi)部的庫侖場，比目前全世界發(fā)電總功率還要多出百倍。第三，它能聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的空間區(qū)域，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數(shù)倍。例如：將1mJ的能量集中在幾個飛秒時間內(nèi)并匯聚成直徑為10m的光斑，其光功率密度可達到1018W/cm2，將其換算成電場強度則為2×1012V/m，為氫原子中庫侖場強(5×1011V/m)的4倍，這就有可能將電子從原子中直接剝離出來。這些獨有的特點使飛秒激光具有廣泛而特殊的用途，它將對社會經(jīng)濟的發(fā)展起到巨大的帶

14、動作用。傳統(tǒng)的機械拋光加工過程是拋光拆卸清洗面形測量裝夾再拋光循環(huán)往復(fù)，直至光潔度達到要求為止，這一過程非常耗時，如一塊白寶石窗口所需加工時間就長達數(shù)月，探索新的拋光技術(shù)非常必要。與其他加工方法現(xiàn)比，飛秒激光拋光具有獨特的優(yōu)勢。激光有4大特性：單色性、相干性、方向性和高能量密度。這些性質(zhì)使激光在加工方面具有獨特的優(yōu)勢，激光可經(jīng)聚焦產(chǎn)生巨大的功率密度(或能量密度)這使激光拋光成為了可能。 激光拋光有以下特點： (1) 它是非接觸式拋光。接觸式拋光在樣品上施加了外力，樣品在外力下容易破裂；而非接觸式激光拋光則不會對樣品施加任何壓力；(2)激光拋光有很高的靈活性。它不僅能對平面進行拋光，還由于激光拋

15、光是非接觸式加工，故運用計算機三維控制能夠?qū)Ω鞣N曲面進行拋光，如是對稱曲面效果則更好，激光能夠拋光的面形有：平面、球面、橢球面、拋物面等；(3)拋光樣品時，不需要其它的輔助藥劑，故對環(huán)境的污染很?。?4)可以實現(xiàn)精密的拋光，材料表面經(jīng)激光拋光后可以達到納米級，甚至亞納米級；(5)特別適合超硬材料和脆性材料粗拋光后的精拋光；(6)可實現(xiàn)微細拋光，對選定的微小區(qū)域進行局部拋光；(7)拋光需要的工作環(huán)境比較簡單，一般在室溫下進行，不需要特殊的工作環(huán)境3。激光拋光與其它主要拋光技術(shù)的對比情況激光拋光的機理分析激光拋光本質(zhì)上就是激光與材料表面相互作用，它遵從激光與材料作用的普遍規(guī)律。激光與材料的相互作用

16、主要有兩種效果：熱作用和光化學(xué)作用。根據(jù)激光與材料的作用機理，可把激光拋光簡單分為兩類：一類為熱拋光，另一類為冷拋光4。熱拋光一般用連續(xù)長波長激光，拋光時主要用波長為1.06m的YAG激光器和波長10.6m的CO2激光器，作用的機理是激光與材料相互作用的熱效應(yīng)，通過熔化、蒸發(fā)等過程來去除材料表面的成分，因此，只要材料的熱物理性質(zhì)好，都可用它來進行拋光。Udrea等人利用一臺10W、功率密度為140W/cm2的單模縱流連續(xù)CO2激光器，對光纖的端表面進行了拋光，使表面粗糙度從3m減少到100nm。但是 這些紅外波段的激光在材料表面拋光過程中，由于熱效應(yīng)，溫度梯度大產(chǎn)生的熱應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋，效

17、果不是很好，拋光達到的級別不是很高。冷拋光一般用短脈沖短波長激光，拋光時主要用紫外準(zhǔn)分子激光器或飛秒脈沖激光器。飛秒激光器有很窄的脈沖寬度，它和材料作用時幾乎不產(chǎn)生熱效應(yīng)。準(zhǔn)分子激光波長短 屬于紫外和深紫外光譜段，有強的脈沖能量和光子能量、高的重復(fù)頻率、窄的脈沖寬度。大多數(shù)的金屬和非金屬材料對紫外光有強烈的吸收系數(shù)。冷拋光主要是通過“消融”作用，即光化學(xué)分解作用。作用的機理是“單光子吸收”或“多光子吸收”，材料吸收光子后，材料中的化學(xué)鍵被打斷或者晶格結(jié)構(gòu)被破壞，材料中成分被剝離。在拋光過程中，熱效應(yīng)可以忽略，熱應(yīng)力很小，不產(chǎn)生裂紋，不影響周圍材料，材料去除量易控制，所以，特別適合精密拋光，尤其

18、適合硬脆材料。冷拋光能完成激光熱拋光不能完成的一些工作，因此，在微細拋光、硬脆性材料和高分子材料拋光等方面具有無法比擬的優(yōu)越性8。Folwaczny等人利308nm的XeCl準(zhǔn)分子激光對瓷器表面進行了拋光的研究，使表面粗糙度從4.14Pm減少到了1.13m。loor等人利用193nm的rF準(zhǔn)分子激光對金剛 石薄膜進行了拋光，使表面粗糙度從3.6m減少到1m左右。 當(dāng)激光束聚焦于材料表面時，會在很短的時間內(nèi)在近表面區(qū)域積累大量的熱，使材料表面溫度迅速升高,當(dāng)溫度達到材料的熔點時，近表面層物質(zhì)開始熔化，當(dāng)溫度進而達到材料的沸點時，近表面層物質(zhì)開始蒸發(fā),而基體的溫度基本保持在室溫。當(dāng)上述物理變化過程

19、主要為熔化時，材料表面熔化部分各處曲率半徑的不同使熔融的材料向曲率低(即曲率半徑大)的地方流動，各處的曲率趨于一致。同時，固液界面處以每秒數(shù)米的速度凝固，最終獲得光滑平整的表面。在這個過程中，如果材料處于熔融狀態(tài)的時間過長，熔化層就會向深處擴展，材料的整體外觀和機械性能也會隨之降低。因此，激光束和特定材料的相互作用必須產(chǎn)生一個高的溫度梯度，促進材料快速加熱和冷卻，熔化極限(melting threshold)，熔深和材料處于熔化狀態(tài)的時間(melting duration)取決于入射光束和材料相互作用過程中不同的參數(shù)。當(dāng)上述物理變化過程主要為蒸發(fā)時，激光拋光的實質(zhì)就是去除材料表面一薄層物質(zhì)。激

20、光產(chǎn)生的能量足以擊穿Cu,W, Al或其他任何材料的禁帶，從而使它們蒸發(fā)。去除材料的速度取決于材料的性質(zhì)，材料的數(shù)量以及所用激光的功率。它們之間的關(guān)系可以用下面的等式來表示：V=I(1-R)/(CPT+Lf+Lv)5,6。其中I為激光束的強度，R為材料的反射率，Cp為材料的比熱，T為材料的沸點與初始溫度之差，Lf為材料的熔化熱，Lv為材料的蒸發(fā)熱，為材料的密度。去除一定量材料所需要的時間等于要去除的材料厚度與材料蒸發(fā)速度的熵。從給定的硅晶片表面清除一層厚度為1.0m的材料所需要的時間如下表所示。從給定的硅晶片表面清除一層厚度為1.0m的材料所需要的時間*假定初始溫度為25，所用激光器的功率為3

21、00W，頻率為300Hz，能量為1000mJ，可以發(fā)射波長為308nm，橫截面為矩形(38mm×13mm)的激光束。激光拋光系統(tǒng)的主要構(gòu)成激光在對不同的材料進行拋光時，系統(tǒng)是有些差別的，但是系統(tǒng)的主要構(gòu)成有：激光器、光束均勻器、面形檢測反饋系統(tǒng)、三維工作臺、計算機控制系統(tǒng)。激光拋光通常采用兩種方法：一種是激光光束固定不動，工作臺帶動工件運動；另一種是工作臺和工件不動，光束根據(jù)要求運動。用連續(xù)激光拋光時，激光作用在材料表面檢測設(shè)備跟蹤檢測，實時反饋控制決定每個微小部分作用時間(或掃描速度)或控制變焦聚焦系統(tǒng)來改變激光功率密度。用脈沖激光拋光時，激光作用在材料表面檢測設(shè)備跟蹤檢測，實時反

22、饋控制決定每個微小部分作用的脈沖個數(shù)或者控制變焦聚焦系統(tǒng)來改變激光的能量密度。在激光拋光過程中，檢測技術(shù)和實時反饋控制技術(shù)是關(guān)鍵，在很大程度上決定了拋光的等級7。激光拋光的主要工藝參數(shù)主要有激光功率密度(或者能量密度)閾值、光束質(zhì)量、波長、脈沖寬度、初始條件、光束的入射方向等。拋光時，激光功率密度閾值與激光和材料的性質(zhì)有關(guān)，對于激光“熱拋光”，材料的熱吸收系數(shù)嚴重影響拋光的功率密度閾值和拋光效率；對于激光“冷拋光”，材料的能級結(jié)構(gòu)與激光光子能量大小嚴重影響拋光的功率密度閾值和拋光效率。激光光束質(zhì)量對拋光的質(zhì)量影響很大，在拋光時，一般采用基模激光拋光，很少用高階模。即使是基模光束還要進行整形，使作用在材料表面的激光能量分布為均勻分布，拋光的效果就更好。對于基模高斯光束或者矩形分布光束的整形，用一種特制的玻導(dǎo)管可以得到比較好的均勻分布的光束。理論上各種波長激光都能夠用于拋