第三章先進(jìn)制造工藝技術(shù)(激光加工)

1、 1916年，38歲的愛(ài)因斯坦發(fā)表了一篇論文。提出了一種受激吸收和發(fā)射的觀點(diǎn)。所謂受激吸收就是一個(gè)光子照射一個(gè)原子，原子吸收光子后光子消失，原子中的電子從較低能級(jí)躍遷到較高能級(jí)；受激發(fā)射則是光子照射處于較高能級(jí)的原子，原子發(fā)射出一個(gè)跟照射光子頻率相同的光子，從而得到兩個(gè)光子。這一觀點(diǎn)競(jìng)成為未來(lái)激光領(lǐng)域的開(kāi)山之斧。 1957年湯斯和肖洛的提出激光器設(shè)計(jì)理論為激光領(lǐng)域作出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)，這期間原蘇聯(lián)科學(xué)家普洛霍羅夫和巴索夫也提出了相似的理論。隨后，湯斯、肖格和普格霍羅夫、巴索夫等人都分別開(kāi)始了世界上第一臺(tái)激光器的研制，但是由于一些技術(shù)上的原因，他們都失敗了。 在1957年10月哥倫比亞大學(xué)的原子束

2、共振實(shí)驗(yàn)室博士研究生古爾德（湯斯）開(kāi)始了制造激光器的實(shí)驗(yàn)。1957年11月26日，把他的前期的工作稱為“利用輻射的受激光發(fā)射進(jìn)行激光放大的可能性的若干粗略計(jì)算”，提出了“激光”這一嶄新的概念。同時(shí)，古爾德提出了。激光用于雷達(dá)測(cè)距和通信系統(tǒng)”。美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室量子電子學(xué)部的負(fù)責(zé)人梅曼于1960年7月，從紅寶石激光器實(shí)驗(yàn)裝置中射出一束紅光，這標(biāo)志著世界上第一臺(tái)激光器的誕生。在這臺(tái)紅寶石激光器發(fā)明后約半年，美國(guó)IBM公司的年輕的科學(xué)家索洛金和史蒂文森研制了世界上第二臺(tái)、第三臺(tái)激光器：但是這兩臺(tái)激光器未能獲得實(shí)用，遠(yuǎn)不及1960年12月研制的世界上第四臺(tái)激光器，即由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室賈范發(fā)明的，目前還在廣泛

3、應(yīng)用的氦氖激光器。值得指出的是，我國(guó)在激光領(lǐng)域起步也較早。王之江等人于1961年也研制成功了我國(guó)第一臺(tái)激光器“紅寶石”激光器。電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能和原子核吸引電子具有的位能構(gòu)成了整個(gè)原子的能量，即原子的內(nèi)能。在無(wú)外力作用下，原子的內(nèi)能是不變的。在外力的作用下，如果電子和原子核的距離增大，則原子的內(nèi)能增加；如果電子和原于核的距離減小，則原子的內(nèi)能也要相應(yīng)地減小。 電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)時(shí)，只能處于某些特定的軌道上，即原子只能具有某些特定的內(nèi)能。原子的內(nèi)能不能連續(xù)改變。一般把原子中分裂成一擋一擋的能量稱為原子的能級(jí)，電子處于不同的核外軌道上就對(duì)應(yīng)了不同能級(jí)。原子處于的最低能級(jí)稱為基態(tài)即電子離核最近

4、位置而其余能級(jí)稱為激發(fā)態(tài)或高能態(tài)。由于某種原因激發(fā)到高能級(jí)的原子在該能級(jí)具有一定的壽命。這種壽命是非常短的，一般為107s左右。原子在各個(gè)能級(jí)的壽命有長(zhǎng)有短，基態(tài)的壽命最長(zhǎng)；在原子中存在著亞穩(wěn)態(tài)，壽命相對(duì)較長(zhǎng)為103S左右，稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，這是激光形成的重要條件。外力作用使原子由低能級(jí)過(guò)渡到高能級(jí)的過(guò)程叫做激發(fā)。根據(jù)能量最低原理，原子總是力圖使自己處于能量最低態(tài)。因此“干方百計(jì)”地使自己由高能級(jí)向低能級(jí)轉(zhuǎn)移。這個(gè)過(guò)程稱為躍遷。 沒(méi)有受到外界的作用，僅由其本身運(yùn)動(dòng)的結(jié)果所導(dǎo)致的躍遷，稱為自發(fā)躍遷。如果這份能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蛘咂渌问降哪芰?。就稱之為無(wú)輻射躍遷：如果這份能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，則稱為自發(fā)輻射

5、躍遷。 外來(lái)光子的帶動(dòng)是導(dǎo)致原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍迂的又一原因稱為受激輻射躍遷。自發(fā)吸收 - 電子透過(guò)吸收光子從低能階躍遷到高能階 自發(fā)輻射 - 電子自發(fā)地透過(guò)釋放光子從高能階躍遷到較低能階 受激輻射 - 光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光子。 由受激輻射躍遷產(chǎn)生的光子跟外來(lái)的光子有著相同的特征：頻率相同：相位相同，偏振方向相同；傳播方向相同。而自發(fā)輻射的光子則沒(méi)有這些特征。在原子中還存在著受激吸收過(guò)程。同樣如果入射到原于上的光子頻率滿足E2一E1的條件，則處于低能級(jí)E1的原子有可能吸收這個(gè)光子的能量，被激發(fā)到較高能級(jí)上去。這時(shí)，不但得不到兩個(gè)光子，反而消失了一個(gè)光子這就是受激

6、吸收過(guò)程。原子首先吸收能量，躍遷至受激態(tài)。原子處于受激態(tài)的時(shí)間非常短，大約10-e-7 秒后，它便會(huì)落到一個(gè)稱為亞穩(wěn)態(tài)的中間狀態(tài)。原子停留在亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間很長(zhǎng)，大約是10e-3 秒或更長(zhǎng)的時(shí)間。電子長(zhǎng)時(shí)間留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵，因?yàn)樗雇高^(guò)受激輻射由亞穩(wěn)態(tài)回到基態(tài)的原子，比透過(guò)自發(fā)吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證了介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，以輸出激光。 (1)放大介質(zhì)放大介質(zhì)(以下稱為激光介質(zhì))是指在外界能量的激勵(lì)下，可以在其原子的某兩個(gè)能級(jí)間滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)。某種激光介質(zhì)可以使某個(gè)或者某些持定頻率(由達(dá)

7、到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的兩個(gè)能級(jí)決定)的光得到放大最終得到激光輸出。激光介質(zhì)可以是氣體、液體、固體和半導(dǎo)體。根據(jù)激光介質(zhì)的小同。可以把激光器分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、化學(xué)激光器及染料激光器等。 泵浦源的作用就是使激光基態(tài)能級(jí)的原子被激發(fā)到較高能級(jí)，在激光上能級(jí)和下能級(jí)之間達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：不同的激光器類型采用不同的泵浦激勵(lì)方式。固體激光器一般采用閃光燈或者半導(dǎo)體激光進(jìn)行泵浦。要想獲得單色性(接近單一頻率)和方向性好的激光我們必須選則一定傳播方向和頻率的光信號(hào)，使其只有最優(yōu)的放大作，而抑制其他方向和頻率的光信號(hào)?？梢栽诩す饨橘|(zhì)的兩頭加上兩塊相互平行的反射鏡，這對(duì)反射鏡所形成的是激光諧振

8、腔。光波在腔內(nèi)來(lái)回反射并跟原子發(fā)生作用，持續(xù)不斷地產(chǎn)生受激輻射，這個(gè)方向的光就越來(lái)越強(qiáng)，大量的發(fā)光粒子相互關(guān)聯(lián)地向著一個(gè)方向發(fā)光，這樣我們就獲得了激光。為了引出激光，一塊反射鏡對(duì)激光是全反射的。另一塊是部分透過(guò)的，激光在裝有部分透過(guò)反射鏡的一端輸出?？陀^上還存在著不利于激光振蕩的一面，即放大介質(zhì)和諧振腔造成的光在腔內(nèi)的損耗，如果損耗的光子數(shù)大于放大的光子數(shù)。則顯然激光就不可能產(chǎn)生。光在腔內(nèi)的損耗包括：光在反射鏡上由于透射、吸收和散射產(chǎn)生的損耗，光由于放大介質(zhì)的有限孔徑、放大介質(zhì)的不均勻性而造成的衍射、散射損耗；放大介質(zhì)的吸收損耗等。要使光能夠在腔內(nèi)來(lái)回振蕩形成激光必須要求光在諧振腔內(nèi)單程得到的

9、放大比單程的損耗要大、這就是激光能夠振蕩的條件。 (1)連續(xù)激光 (2)脈沖激光 (3)巨脈沖激光 (4)超短脈沖激光(1)良好的單色性(2)良好的方向性(3)高亮度(4)極好的相干性打孔；切割；微調(diào)；表面改性；存儲(chǔ)等。利用熱效應(yīng)加工。影響加工有的參數(shù)：激光照射焦面上能量分布，發(fā)射角，焦距，最小束斑直徑加工材料等。激光器：激光發(fā)生器（固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器）電源：包括電壓、時(shí)間控制，觸發(fā)器，儲(chǔ)能電容器等光學(xué)系統(tǒng)：將激光引入聚焦物鏡并聚焦于工件機(jī)械系統(tǒng)：包括基座、工作臺(tái)等加工精度高（束徑r1m，超微細(xì)非接觸加工）加工材料范圍廣泛（各種金屬、非金屬材料和難加工材料）加工性能好（無(wú)須在防護(hù)內(nèi)

10、進(jìn)行，無(wú)須工具）加工速度快，效率高；價(jià)格昂貴。在鋁上刻槽 在鉬上打直徑為100um的孔 在厚度為1.1mm的鋁上打直徑為200um的孔 在陶瓷上打直徑為25um的孔陣列 在硅片上打直徑為6um的孔陣列 電子束加工的原理電子束加工是在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高(106一109wcm2)的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上，在極短的時(shí)間(幾分之一微秒)內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊部分的工件材料達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走。 控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，就可以達(dá)到不同的加工目的。束徑小，能量密度高（束徑r=1000.1

11、m，長(zhǎng)度可達(dá)束徑幾十倍，適合深孔加工）；被加工對(duì)象廣泛（熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)加工）；加工速度快，效率高；控制性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化（通過(guò)磁場(chǎng)或電場(chǎng)對(duì)電子束的強(qiáng)度、束徑、位置進(jìn)行迅速、準(zhǔn)確的控制，自動(dòng)化程度高。易于實(shí)現(xiàn)加工圖形、圓孔、異形孔、盲孔、錐孔、彎孔及狹縫等。）由于電子束加工是在真空中進(jìn)行，因而污染少，加工表面不氧化，特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。電子束加工需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴生產(chǎn)應(yīng)用有一定局限性。 (一)高速打孔 電子束打孔已在生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用，目前最小直徑可達(dá)0.003mm左右。例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)套上的冷卻孔，機(jī)冀的吸附屏的孔，不僅孔的密

12、度可以連續(xù)變化，孔數(shù)達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè)，而且有時(shí)還可改變孔徑，宜用電子束高速打孔，高速打孔可在工件運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行，例如在0.1mm厚的不銹鋼上加工直徑為0.2m的孔，速度為每秒3000孔。低功率密度、 中等功率密度、 高功率密度照射 電子束不僅可以加工各種直的型孔和型面，而且也可以加工彎孔和曲面。在微電子器件生產(chǎn)中，為了制造多層固體組件，可利用電子束對(duì)陶瓷或半導(dǎo)體材料刻出許多微細(xì)溝槽和孔來(lái)，如在硅片上刻出寬2.5微米，深0.25微米的細(xì)槽，在混合電路電阻的金屬鍍層上刻出40微米寬的線條。還可在加工過(guò)程中對(duì)電阻值進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)，這些都可用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成。 由于電子束的能量密度高，焊接速度快，所以電子束焊接

13、的焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小，變形小。電子束焊接一般不用焊條，焊接過(guò)程在真空中進(jìn)行因此焊縫化學(xué)成分純凈，焊接接頭的強(qiáng)度往往高于母材。 電子束焊接可以焊接難熔金屬如鉭、鈮、鉬等。也可焊接鈦、鋯、鈾等化學(xué)性能活潑的金屬。對(duì)于普通碳鋼、不銹鋼、合金鋼、銅、鋁等各種金屑也能用電子束焊接。 電子束焊接可焊接很簿的工件，也可焊接幾百毫米厚的工件。 電子束焊接還能完成一般焊接方法難以實(shí)現(xiàn)的異種金屬焊接。如銅和不銹鋼的焊接，鋼和硬質(zhì)臺(tái)金的焊接，鉻、鎳和鉬的焊接等。原理：離子束力效應(yīng)及其濺射現(xiàn)象。離子質(zhì)量電子質(zhì)量，加速時(shí)間長(zhǎng)，但可以達(dá)到10kev的量級(jí)。加工是通過(guò)彈性碰撞，轟擊加工表面具有強(qiáng)穿透力，表層不產(chǎn)生熱量，無(wú)機(jī)械應(yīng)力和損傷。碰撞模型：一次濺射二次濺射回彈濺射排斥離子置換離子一次碰撞中傳遞的能量E=4E0m0m/(m0+m)（E0 ：入射離子能量；m0 ：被撞擊粒子質(zhì)量；當(dāng)m0和m相等時(shí)，E取極值。）加工方法：濺射去除（芯片的刻蝕）；濺射鍍膜（原子、分子級(jí)附著加工，制作金屬化合物、合金和氧化薄膜等）；注入加工（材料成分、結(jié)構(gòu)、性能變化，用于半導(dǎo)體的摻雜、材料改性等）；離子束 暴光（靈敏度、分辨率高，可實(shí)現(xiàn)線寬0.1m的精密暴光）加工裝置由離子源、真空、控制、電源系統(tǒng)等組成；