超快激光抛光技术研究朱鹏飞西安工业大学.doc

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1、超快激光抛光技术研究学 科：兵器工程研究生签字：朱鹏飞学校导师签字：韩军企业导师签字：杨小君摘 要传统抛光方法对硬脆材料进行抛光会带来亚表面损伤等无法避免的问题。超快激光抛光技术是近些年出现的一种新型表面加工技术。因其抛光质量好而且热效应少，所以它非常适合对于硬脆材料进行高精度抛光。本文从超快激光抛光系统搭建、实验设计、实验实施和数据分析等方面，探索了超快激光抛光单晶硅的原理和加工工艺。实验中，分别采用飞秒激光(=515nm，f=4kHz)和皮秒激光(=532nm，f=200kHz)对材料进行抛光，通过数码显微镜和表面轮廓仪检测了被抛光的表面形貌和表面粗糙度，分析了激光能量密度、光斑重叠率和扫

2、描方式对于超快激光抛光质量的影响。利用正交实验设计可以直观地分析各因素在抛光效果中所占的比例，利用单变量分析可以直观地分析该因素的水平变化对抛光效果的影响。将两种实验方法相结合可以科学而且全面地进行参数优化。本文得出如下结论：1.激光能量密度，扫描速度，扫描间距和离焦量这些工艺参数均影响着抛光效果。它们之间不是简单的线性关系，而是存在一个可以获得抛光效果最好的参数区间。2.通过正交优化实验设计可以得出在激光能量密度，扫描速度，扫描间距这三个主要参数中对抛光效果影响最大的是激光能量密度。因为激光能量密度的极差R远大于其余两者的极差。3.工件的原始表面粗糙度是一个影响抛光效果的重要参数。某一套加工

3、参数的搭配只有作用在某一原始表面粗糙度的材料上才能够获得最好的抛光效果。关键词：超快激光；激光抛光；单晶硅；参数优化Study of ultrafast laser polishing technologyDiscipline:Arms EngineeringStudent Signature: Supervisor Signature:Supervisor Signature:AbstractThe traditional polishing method for polishing hard brittle material can bring the unavoidable proble

4、ms such as surface damage.Ultrafast laser polishing technology is a new surface processing technology in recent years.Because this technology has the characteristics of the polishing quality and less heat effect, it is very suitable for high precision polishing for hard brittle materials.This paper

5、from the ultrafast laser polishing system structures, experimental design,and data analysis,etc.,studies the ultrafast laser polishing principle and processing technology of single crystal silicon.In the experiment, the system with femtosecond laser (=515nm, f=4kHz) and picosecond laser (=532nm, f=2

6、00kHz) polishing materials, after processing, system using digital microscope and surface profiler tests the surface roughness and surface morphology of the region.This paper analyzes the laser energy density, the spot overlap and scanning mode for ultrafast laser polishing quality. The orthogonal e

7、xperiment design can be clearly analyzes the importance of factors are in polishing effect. And the single factor experiment design can be clearlyanalyzes the parameter level changes on the polishing effect. Combining with two methods of experiment，parameters can be optimized scientifically and comp

8、rehensively. This paper gives the following conclusion:1.The laser energy density, scanning speed, scan spacing and defocusing amount can affect the polishing effect.The relationship between them is not a simple linear relationship. There is a polishing effect can be obtained in the best parameter r

9、ange.2.Through the orthogonal experimental design can draw the conclusion: in the laser energy density, scanning speed, scanning interval of the three main parameters，the laser energy density is the biggest effect on the polishing performance . Because the laser energy density of range is the bigges

10、t of all.3.The material of the original surface roughness is an important parameter.A set of parameters is only for a certain roughness material to obtain the best polishing effect.Keywords: ultrafast laser；laser polishing；single crystal silicon；parameter optimization目 录1绪论11.1引言11.2超快激光器的诞生与发展31.3激

11、光抛光技术的国外研究现状41.4激光抛光国内研究现状71.5本文的主要研究内容72 超快激光与物质间的作用以及抛光机理82.1超快激光与物质间的作用8物质对于激光的吸收8光致等离子体对于抛光过程的影响82.2超快激光抛光机理102.3本章小结123超快激光抛光系统的组建133.1超快激光抛光加工系统14超快激光器14反射镜15激光扩束镜16激光振镜17控制软件18电控升降平台193.2超快激光抛光检测系统20表面轮廓仪20数码显微镜系统22激光功率计233.3本章小结244.超快激光抛光实验以及实验数据分析254.1超快激光抛光实验方案254.2超快激光抛光单因素实验30激光波长的单因素实验：

12、30激光能量密度的单因素实验32扫描线速度和扫描间距的单因素实验33离焦量的单因素实验35原始表面粗糙度的单因素实验364.3超快激光抛光正交实验374.3本章小结445结论455.1总结455.2展望45参考文献47致谢50学位论文知识产权声明51学位论文独创性声明521绪 论1.1引言随着现代制造业的蓬勃发展,表面抛光工艺已经成为了一项越来越受到广大科技工作者和工程专家所关注的技术。抛光技术又被称作镜面加工技术,是制造平坦而且加工变形层很小、无摩擦痕迹的面加工工艺。决定产品使用性能优劣的关键因素之一就是表面抛光工艺。如今，随着产品结构设计的复杂化和产品组合形式的多样化,抛光工艺的重要性不言

13、而喻。时至今日，微电子学领域和光学领域及其有关行业发展势头迅猛,随之而来众多场合对于产品的表面质量的要求提升到一个新的高度。近些年来，大规模和超大规模是集成电路发展的重要方向，为了确保后续的工艺质量，对于所使用的基片材料表面粗糙度提出了更高的要求。不仅如此，在军工领域，例如：高精度的激光陀螺仪对于提高飞机和导弹等控制精度至关重要。想要获得更高精度的激光陀螺仪，势必先要提高激光反射镜的制造技术。激光陀螺仪会因为镜面散射而造成性能降低,因此陀螺仪的激光反射镜需要最大限度地减少背向散射。因此，抛光技术成为了解决这一问题的关键。例如：美国赫赫有名的“猛禽”战斗机F22所配备的高精度激光陀螺仪，其反射镜

14、材料是具有零膨胀系数的Zerodur(微晶玻璃),其表面粗糙度指标要求极低，才能使为达到反射率99.99%1。目前，在工程领域里已经发展较为成熟的抛光技术有:超声波抛光、浴法抛光、浮法抛光、Teflon抛光、离子束抛光、冰盘式抛光、湿式化学抛光、干式化学抛光、滑水板式抛光、化学动力抛光、电解抛光、磁研磨抛光、流体抛光等一系列方法。这些常规抛光技术在精密机械、光学元件、仪器仪表、医疗器械、电子设备等领域和行业均有着颇为广泛的应用。部分抛光技术的特点对比见表1.1所示。近些年来,生产制造业对于晶体的应用需求增长十分迅速。大部分的晶体其硬度与光学玻璃相比较较低,且其元器件对于表面完整性有着特殊的要求

15、然而，在应用方面较为常见的接触式抛光技术中,材料表面一般均与抛光模处在接触状态。在对晶体材料使用此法抛光时，造成晶体表面抛光区域损伤、其表面晶格完整性被损坏的主要原因是抛光模通过抛光粉颗粒传递到抛光区域表面的力。针对这一情况，必须减少传递到抛光区域的作用力,于是诞生了为保证晶体材料表面完整性为首要目的的非接触式加工技术。这一类抛光技术可以有效保证加工过程中抛光区域不与抛光模直接接触。在非接触式抛光方法中，常见的有诸如离子束抛光、磁流变抛光和激光抛光等。由于离子束的抛光主要是凭借溅射在材料表面的原子（或离子）而抛除的，所以在抛光过后会导致工件材料的表面成分、结构以及其折射率可能发生变化，而且在

16、材料表面还会产生无法避免的残余应力。离子束抛光方法对于大气环境有着特殊的要求，其抛光过程需要在真空中进行。在非接触式抛光技术中，除了激光抛光以外，离子束、电子束以及等离子辅助抛光，工件均需要处于真空室内，因而可以抛光的产品尺寸就受到真空室大小的限制。近年来一种新的无亚表面损伤且无残余应力影响的种新型的抛光技术超快激光抛光技术开始映入科研人员的视野。表1.1 部分抛光技术的特点对比名称机理特殊环境环境污染设备成本尺寸限制抛光时间抛光精度激光抛光烧蚀或光分解无无高无较短纳米级机械式抛光磨蚀无有低无长纳米级超声波抛光磨削有有低有长纳米级离子束抛光溅射刻蚀有无高有长亚纳米级化学抛光氧化无有低有短纳米级

17、超快激光抛光技术缘何得以受到国内外的关注,究其原因在于它拥有以下特点: 1.首先，超快激光抛光可以应用的材料范围极为广泛。对于金属材料或是非金属材料均能够利用该项技术进行加工。而且对于传统加工技术难以处理的超硬材料和脆性材料等均能够进行抛光。2.其次，超快激光抛光技术的加工精度较高。使用超快激光在合理的参数组合下，可以对材料轻松实现精密抛光。3.再次，超快激光抛光技术能够完成极小尺寸下的局部精密抛光。超快激光抛光和非超快激光加工相比，具有确定的阈值特性23。在抛光的过程中，使用改变激光脉冲光斑能量的手段，能够仅使聚焦光斑核心区域处达到材料的去除阈值。因此抛光区域就能够控制在去除阈值范围内的区域

18、从而达到突破光束衍射极限的极小尺寸下的局部精密抛光。4.超快激光抛光技术还拥有极高的灵活性4。不仅能够对于平面抛光，通过搭建含有三维精密移动平台的抛光系统，可以利用计算机控制对自由曲面进行激光抛光。5.超快激光抛光技术是一种近乎无损的加工方式。超快激光抛光按照作用方式属于非接触式类型抛光，这意味着其不会对抛光区域带来力的作用和亚表层的损伤。而且特殊的是，由于超快激光脉冲与材料作用时间极短，远远小于材料晶格的热传导时间，所以对于周围材料的热影响区很小，属于真正意义上的冷加工。6.最后，超快激光抛光技术符合环保标准。在超快激光抛光过程中不产生废水，几乎不产生废气和废渣，其对于周围环境的污染很小。

19、该项技术属于国家近年来提倡的绿色低碳环保加工技术。1.2超快激光器的诞生与发展世界上的第一台激光器是由来自美国的科学家梅曼在1960年发明的红宝石固体激光器5。该激光器的结构示意见图1.2所示。图1.2 第一台红宝石激光器的内部构成示意图1961年，在位于美国加利福尼亚州的伯克利召开的第二次量子电子学会议上提出了调Q的概念,即通过改变激光共振腔Q值这一方法,来提高激光器的输出功率和压缩激光脉冲宽度,当时利用此技术可以生成10纳秒脉宽的激光脉冲6。 锁模技术的发展带动了超快脉冲激光技术的迅速前进。所谓锁模指的就是使用技术手段,使得在激光器中发生振荡的各个模相互之间建立稳定的相位关系,发生相位“干

20、涉”,从而产生了脉冲宽度极窄且功率极高的激光技术。 1965年，人类第一次在红宝石激光器上利用了被动锁模技术直接产生了皮秒量级脉宽的激光脉冲7。之后，在1976年科研人员通过使用对撞锁模技术成功地实现了脉宽为0.3皮秒量级的激光脉冲输出8。1981年5月在美国著名的贝尔实验室诞生了脉宽为90飞秒的飞秒激光器9,四年后的1985年，贝尔实验室又获得了脉宽仅为27飞秒的激光脉冲10,这一进展为超快激光进入飞秒量级的研究领域打下了坚实的基础。 世界上诞生的第一台飞秒脉冲级别激光器的原理采用了被动锁模技术，其属于碰撞锁模(CPM)染料激光器,。此类型激光器利用了有机染料的增益饱和和快速吸收来产生脉宽为

21、数十飞秒的激光脉冲。凭借着有机染料的介质拥有较宽的发射光谱,采用不同类型的染料就能够达到输出不同波长的飞秒激光脉冲。通过增益介质转换的方法能够获得较宽的调谐范围,从紫外光到近红外波段的范围均可被覆盖。然而此类染料激光器中使用的染料需要被喷射成薄膜状,需要进行循环,而且还具有毒性。 固体激光材料的荧光带宽窄和热传导性差等问题一直以来制约着固体锁模激光器的发展。一直到20世纪80年代中后期,晶体生长的技术渐渐日趋成熟,于是出现了掺钛蓝宝石等多类物理和化学性能优良的固体增益介质,此后固体飞秒激光器开始逐渐成为激光技术的重要发展方向。 1991年,D.E.Spence等人使用氩离子激光作为激光泵浦源,

22、采用SF14棱镜来补偿腔内色散,第一次研发成功了使用掺钛蓝宝石作为增益介质的飞秒自锁模激光器11,此激光器的问世标志着固体飞秒激光器由此进入了一个新的发展阶段。1999年,H.A.Haus等人使用低色散的棱镜对和一对啁啾镜,在自锁模掺钛蓝宝石激光器中已经能够直接由腔内输出小于2个光学周期的飞秒级别的激光脉冲12,其对应带宽大于350nm,重复频率为90MHz,当时这一指标是由激光振荡器输出能够达到的最短脉冲。 因为固体介质的高阶色散十分难以补偿,1999年,A.V.Sokolov提出了利用超薄气体介质能够引起激光脉冲的频率调制,产生宽带频谱,在理论上可以生成小于1飞秒的超短脉冲13。在超快激光

23、的脉宽向更小的方向发展的同时,固体锁模激光器在输出脉冲的峰值功率和平均功率上也有了极大的进展。1999年,T.Beddard等人将直接由激光器输出的脉冲峰值功率达到了1MW,平均功率达到1.5W,重复频率为110MHz14。最近几年,激光器峰值功率达到PW(PW=10的5次方W)量级的高功率激光放大器已经研制成功了,具有更高峰值功率的激光放大器目前正在研发。目前，脉冲宽度更加窄的阿秒量级激光脉冲（1阿秒=1018秒）和飞秒激光器的小型化即二极管抽运激光器成为超快激光器研究新的发展方向15。1.3激光抛光技术的国外研究现状 早在上世纪80年代，国外的科学家已经开始广泛研究激光抛光技术。1984年

24、美国科学家Mr Xiao使用氦氖激光器对玻璃进行了抛光实验。在实验开始之前他们先使用砂纸对表面进行了毛化，使得玻璃表面的粗糙度更大，观察砂纸带来的摩擦痕迹在激光抛光实验中能否被有效去除。实验的结果显示，采用激光抛光之后的玻璃表面十分光滑。之后德国的科学家也使用氦氖激光器对光学材料（TRC33）进行了抛光实验，实验结果表明，粗糙度可由初始的512nm降到135nm。同时他利用热力学参数通过理论模拟了激光抛光过程中的热力学变化。80年代末期，土耳其中东科技大学的Mircea Udrea教授采用了长脉冲激光器对石英光纤的端面进行了激光抛光实验16。并分析了部分工艺参数（辐照时间、激光波长和激光功率

25、对激光抛光效果的影响。这为之后的研究者对工艺参数的研究提供了很大的参考价值。 在20世纪90年代以后，更多的西方国家开始了对激光抛光技术的研究工作。德国慕尼黑大学的Matthias Folwaczny，Albert Mshl等人17对用于牙科的医学陶瓷开展了激光抛光实验研究。他们采用了紫外线XeCl准分子激光器作为激光源，参数如下：最大输出脉冲能量120mJ，脉冲重复频率为40Hz，脉冲宽度为60ns，波长为308nm。纳秒激光脉冲经过光纤（直径为800m）作用在牙科医学陶瓷材料的表面，调整激光能量密度使之分别为1.57J/cm2、3.14J/cm2、6.28J/cm2、6.28J/cm2，

26、激光辐照时间均为100s。实验结束后，他们使用表面轮廓仪分别测量了抛光前后的表面粗糙度，并采用扫描电子显微镜和原子力显微镜观察了激光抛光处理后牙科医用陶瓷的表面结构变化，对激光能流密度与牙科医用陶瓷抛光质量的关系进行了分析。S.M.Pimenov，V.V.Kononenko等人18所在的研究小组开始研究对金刚石薄膜进行激光抛光的技术。他们采用波长为510nm、脉冲宽度为20ns、重复频率为15kHz的铜蒸汽激光和波长为193nm、脉冲宽度20ns、重复频率20Hz的ArF准分子激光在金刚石薄膜（通过化学气相沉淀法制造，厚度为150-400m）上进行了激光抛光。激光抛光区域的面积为500m500

27、m。实验结束之后，利用原子力显微镜和扫描电子显微镜以及表面粗糙度轮廓仪对抛光结果进行检测。该纳秒激光抛光金刚石薄膜效果如图1.3所示。图1.3 激光抛光金刚石薄膜处理前后表面形貌对比的电子显微镜图18图1.4 ArF准分子激光抛光金刚石薄膜的扫描电子显微镜图18(下面部分为抛光后形貌)University of Wisconsin-Madison的Tyler Perry等人19开展了基于Ti6Al4V材料的激光抛光技术研究。并且对长脉冲激光抛光的过程进行了热力学模型分析。他们在激光抛光实验中采用的激光源是波长为1064nm的ND:YAG 激光器，在调Q模式下，激光脉冲重复频率为4kHz，扫描光

28、斑的直径为5070m，脉冲宽度为650ns，针对普通空气环境和有氩气保护环境下完成了具有对照性质的抛光实验。实验中采用了平行扫描方式对面积为500m500m的区域进行激光的抛光试验。结束后，他们对于经过激光抛光后的表面区域采用扫描电子显微镜观测了微观形貌，如图1.5所示。图1.5 扫描电子显微镜下的抛光微观表面19，左图下部为空气中抛光区域,右图下部为氩气环境抛光区域 通过检测结果可以清楚的看到，激光抛光后工件表面粗糙度明显地降低了。而且，还发现在普通空气环境中进行激光抛光会导致表面产生不规则的微小裂纹，而在氩气保护环境下进行的激光抛光试验可以有效抑制表面微小裂纹的出现。此外，德国亚琛工业大学

29、的Andre Temmler等人采用光纤Nd:YAG激光器对于金属材料的抛光机理和抛光工艺也进行了研究20。日本、法国和俄罗斯等国的一些科学研究机构也已经开展了激光抛光的研究工作并且有了相关的成果报导21222324。通过阅读文献发现，国外的研究人员大多采用了长脉冲激光或者纳秒激光来进行抛光实验。而本文抛光所要使用的激光源是以飞秒激光和皮秒激光为代表的超快激光。1.4激光抛光国内研究现状近十年来，国内也有一些大学和研究机构已经开始了对于激光抛光技术的研究。广东工业大学的谢昕等人25对于短波长激光抛光蓝宝石晶体的机理进行了研究，并分析了蓝宝石材料的去除机理。哈尔滨工业大学的李卫波使用飞秒激光对碳

30、化硅陶瓷进行了抛光工艺的研究工作。他对于激光抛光碳化硅过程的烧蚀阈值研究进行了细致的分析。天津大学精密仪器与光电子工程学院的林谦，张峰烈等人进行了激光抛光系统的设计，并且对于不锈钢、钛（Ti）和镍（Ni）等金属材料进行了激光抛光实验。广东工业大学机电工程学院的黄加福等人对于影响激光抛光的工艺参数进行了详尽的分析。国内外这些学者所设计并搭建的激光抛光系统中大多包括：激光器、光束均匀器、光学系统、三维移动工作台和控制系统。目前国内外对于超快激光抛光金刚石，陶瓷，和金属等材料研究地较多,而超快激光抛光单晶硅的研究工作仍未见报导。本文将以单晶硅片作为超快激光抛光的目标材料。1.5本文的主要研究内容 文

31、章通过理论分析与进行实验相结合的方法，研究超快激光抛光单晶硅材料过程中的作用机理和工艺过程。主要进行的工作为以下内容：1)在课题研究期间首先根据需要搭建一种超快激光抛光系统平台。并详细地介绍此抛光系统的组成以及各单元的作用。其次，对于超快激光抛光过程中材料对能量的吸收以及抛光机理进行细致的分析。再次，对激光抛光过程中产生的光致等离子体的影响进行介绍与分析。2)分析在超快激光抛光中的主要参数(例如：激光能量密度、激光波长、激光脉宽、激光光束入射角、激光光束扫描速度、扫描方式等)间的联系与区别。对这些参数在不同区间的取值对最终抛光效果的影响进行研究。3)分别使用单因素实验方法和正交实验方法分别进行

32、超快激光的抛光实验。之后，使用数码显微系统对抛光后的材料表面微观形貌进行拍摄。然后，使用表面轮廓仪对抛光后的材料表面进行粗糙度检测，并对数据进行分析。掌握单个抛光工艺参数的影响规律，也分析出各个抛光工艺参数在超快激光抛光效果中所占的重要程度。最后，本文得出能够达到较好抛光效果的一组工艺参数组合，并分析其原因。2 超快激光与物质间的作用以及抛光机理2.1超快激光与物质间的作用2.1.1物质对于激光的吸收 在波长一定的情况下，晶体材料对于激光的吸收主要取决于以下4个参数：1）材料自身的光学常数；2）材料表面的几何状态（过程气体等）；3）材料表面的化学性能（化合物层等）；4）材料表面的温度，同时温度

33、还会影响以上3个参数。 在实际应用中，材料对激光吸收的计算一般来说只是近似的，因为对材料的几何形状和表面化学性能的计算是不精确的。对于材料来说只有在理想状态是有意义的，也就是说材料拥有相应的理论前提和理想的表面。在实际操作中，材料对于激光能量吸收的具体数值是通过试验来测定的。尽管事实如此，它们之间的物理学联系也必不可少，因为测量只能在较窄的参数范围内进行。吸收与特殊应用情况下参数之间的函数公式则超出了理论研究范围。 例如：对于材料厚度一定的晶体材料，激光的透射率T0。此时吸收为： （2.1）因为折射率n和吸收率取决于波长，所以A也决定于波长。吸收波谱A取决于光学常数： （2.2） 在激光加工过

34、程中，到达工件表面的激光束的能量其中一部分被材料表面吸收，另一部分被反射掉。其中，吸收的能量为：（2.3）这里A(I)是吸收系数，它的大小与波长和光强有关，而I是波长为时的入射光强。2.1.2光致等离子体对于抛光过程的影响当超快激光在抛光过程中被抛光区域的表面会产生等离子体，这一过程影响了材料表面对超快激光能量的吸收。等离子体是由离子、电子以及未电离的中性粒子的组成的集合体，其整体对外显示为电中性。等离子体又被称作“电浆”，它广泛地存在于宇宙中，一直以来，被认为是固、液、气三态之后，物质存在的第四种形态。等离子体具有良好的导电性，通过特殊设计的磁场可以将其进行捕获、移动以及加速。1879年，英

35、国的Sir William Crookes首次发现了等离子体，1928年，美国科学家Irving Langmuir和Tonks第一次将“等离子体”（plasma）这一词引入了物理学领域，用它来描述气体放电管里的特殊的第四种物质形态。 在有效的激光材料加工过程中，激光能量要尽可能完全地转移到被加工材料上。在目前市场上可以获得的激光光源的波长范围内，许多材料对激光的吸收相对较低，例如：金属材料对激光的吸收率在10%左右。当入射激光光强较小时发生自然发射，当入射激光光强超过光强阈值时反射率几乎降到了零。随着反射率的降低，材料对激光的耦合能力提高了。材料对激光的耦合能力的提高归因于被加工材料表面产生了

36、等离子体。等离子体是通过激光与材料的相互作用形成的，等离子体完全吸收了激光，并把吸收激光的能量部分转化到被加工材料26。为了优化能量转化，等离子体直接与工件的表面接触，然后采用短脉冲或者在真空中进行加工。在较长的脉冲、大气压力以及光致爆炸波光强下：光致爆炸波吸收了激光能量，吸收的能量不再穿透工件的近表面。激光波长越长，超过光致爆炸波长的那部分光强越低。当调整激光强度使其处于较为合适的区间时，光致等离子体和材料表面之间处于连接状态，生成了一种光致等离子体的包裹层。如图2.1所示。激光束被工件表面附近的等离子体部分吸收，作为热量以及紫外光和可见光范围的辐射由等离子体直接转化到工件上方27。或者直接

37、到达工件。当激光光强较大时，蒸气密度和吸收都显著提高。绝大多数的光子能量被浓密的光致等离子体和有等离子体附着的材料额外区域所吸收，仅有极少数的激光能量才能作用在抛光区域。如图2.2所示。等离子体被显著加热加速，并离开工件表面，加工过程被中断。只有当稠密的、具有较强吸收能力的等离子体膨胀、变得稀薄时，才有足够的激光束到达工件表面，加工过程才得以继续。图2.1 光致等离子体对激光与材料之间进行了耦合图2.2 光致等离子体在激光束和材料表面间进行了屏蔽在某些状态下，通过合理的利用可以使光致等离子体来提高激光光子能量的耦合；另一种情况下等离子体的作用是相反的，它把激光束与工件屏蔽开来。除了对于激光束的

38、吸收以外，蒸气等离子体也可以使激光束发生散射。如果在激光加工过程中加工区域需要更多的热能以提升效率，那么可以利用光致等离子体来提高能量耦合。但是，如果在激光加工过程中加工区域需要尽可能的减少热效应带来的不良影响。那么就需要考虑减少光致等离子体带来的热效应问题。在普通激光加工过程中,被加工表面喷出的处于膨胀状态的等离子体会吸收来自激光的能量,通过等离子体中的热传导,使激光能量传递到加工领域。当照射激光的脉冲宽度与等离子体的生成时间相比较长时,激光等离子体频率与照射激光频率达到某种平衡,即在临界密度区域被屏蔽,无法再进入被抛光表面。此情况就是所谓的光致等离子体屏蔽现象。根据脉冲激光的一般标准来说,

39、脉冲宽度小于10ps(大约为材料热传导的时间)的激光脉冲就属于超快类型激光脉冲。作为超快激光脉冲的飞秒激光,激光等离子体从表面向外侧膨胀时的膨胀速度大约为104m/s,如果使用的激光脉冲宽度在100fs以下,很明显,在等离子体膨胀之前,激光照射即已停止,从而使得等离子体屏蔽停滞了28。2.2超快激光抛光机理 超快激光抛光过程实质上就是超快激光与材料表面相互的作用,它遵循激光与材料作用的普遍规律。激光能量和被加工区域之间的作用主要可以分为两类过程:即热效应作用和光化学分解作用。根据激光与材料作用过程的不同,可把激光抛光简单分为两种:一种为热抛光,另一种为冷抛光。 热抛光一般使用连续长波长激光作为

40、激光源。例如：波长为1.06m的YAG激光器和波长10.6m的CO2激光器。当连续长波长激光束照射到材料表面时,表面因为吸收激光光子能量而升温。当作用区域的温度达到了被抛光材料的熔沸点时,材料表层作用区域开始进行熔化与蒸发。表面熔化部分因为各处曲率半径不同，所以使得处于熔融状态的材料向曲率较低(即曲率半径大)的地方流动,最终各处的曲率趋于一致。与此同时,表面材料的固液界面处以每秒数米的速度凝固,最终获得了平整光滑的抛光表面29。需要指出的是，热抛光仅适合于对于热物理性能较好的材料抛光。原因在于红外波段激光在材料表面抛光过程中,产生了较多的热效应。使得材料温度梯度大，从而产生的热应力较大,容易产

41、生裂纹,抛光质量不佳,抛光精度所达到的级别不是很高。激光与材料的冷作用即光化学分解作用,也称为光化学作用，是指材料表面的作用区域经过激光辐照后进行“单光子吸收”或“多光子吸收”了激光光子的能量,使得材料表层的化学键被破坏或者是其晶格结构受到了损坏。光化学分解作用生成的产物体积极速膨胀，最终自身产生爆炸从而脱离了该区域同时带走了多余的能量,此作用过程又被称作是光解剥离3031。利用上述光解剥离作用来去除工件表层的材料，从而完成抛光的过程被称作是激光冷抛光。激光冷抛光工艺往往选择短脉宽短波长的激光器作为激光源,例如：皮秒(pico-second)量级脉冲激光器与飞秒(femto-second)量级

42、脉冲激光器。YAG激光器利用倍频技术得到的紫外光也可用于激光冷抛光。超快激光冷抛光工艺由于其作用过程是光化学分解作用,所以抛光时在材料表面生成的热效应可以忽略不计。因此超快激光冷抛光时的热应力很小,加工时材料表面不产生裂纹,也不影响周围材料,而且容易控制材料的去除量,所以特别适合于硬脆材料的精密加工。超快激光冷抛光能够完成长波长连续激光热抛光所不能完成的一些工作,因此,在精密抛光、硬脆性材料和高分子材料抛光等方面具有得天独厚的优越性。如图2.3所示，左图反映了长脉冲激光加工时的情景，光束聚焦处会产生材料的熔化区，并对内部带来冲击波，冲击波使表面产生褶皱，使内部生成微型裂隙；由于存在热影响区，热

43、量会传递到周边区域，在激光作用临界面会产生重铸层;在加工区域以及附近还会有材料的残渣分布。而右图反映的则是超快激光加工时无热效应的情况。图2.3 长脉冲激光与超快脉冲激光和物质作用的对比在实验中发现，利用皮秒激光对单晶硅进行抛光的时候会在材料作用区域表面附近产生一些棕褐色粉末。如图2.4所示。推测棕色粉末是硅残渣和空气中的氧气或者是氮气在抛光时的高温高电场强度环境下生成的化合物。而利用脉宽较短的飞秒激光对单晶硅进行抛光的时候，几乎看不到这些棕褐色粉末。由此，证实了长脉冲激光在与材料作用时会产生热应力导致微细颗粒的产生，而超快激光在于与材料作用时，几乎看不到由热应力带来的微细颗粒。图2.4 单晶

44、硅抛光区域附近附着的棕色粉粒。2.3本章小结本章首先讨论了材料表面对激光的吸收情况，建立了激光抛光的能量吸收模型。其次分析了抛光时工件表面产生的光致等离子体对超快激光抛光效果的影响。最后，从激光与物质作用的方面介绍了超快激光的抛光机理。3超快激光抛光系统的组建超快激光抛光系统可以粗略分为加工系统和检测系统两部分。加工系统内包含激光源、光路单元、运动单元和控制单元。检测系统内包含激光能量检测单元、显微拍摄单元和粗糙度检测单元。1.通过查阅文献可知，脉宽较短的激光在进行精密加工时的效果更佳。所以，选用飞秒和皮秒量级的超快激光器作为激光源来提供抛光时所需的能量；2.根据激光波长等参数来选择合适的反射

45、镜搭建光路；3.利用光束对抛光区域进行扫描，选择激光振镜来完成二维平面的扫描；4.需要调节工件的离焦量，选择电控升降平台来完成工件相对高度的变化；5.激光的功率、振镜的扫描方式和升降台的高度等参数均要进行精确控制，选择两台计算机并安装相应软件进行控制。计算机1号用于控制超快激光器的开关、功率和重频等加工参数，还可以监测超快激光器的工作状态；计算机2号用于控制扫描振镜的开关、扫描方式和扫描间距等加工参数，还可调节电控升降台的高度；6.激光的功率、微观形貌的对比以及抛光前后的粗糙度Ra值均需要进行测量，选择激光功率计、数码显微系统和表面轮廓仪来完成相关工作。超快激光抛光系统的主要组成如图3.1所示

46、图3.1 超快激光抛光系统主要组成单元3.1超快激光抛光加工系统超快激光加工系统所需器材如下：超快激光器及其配套设施两套、反射镜若干支、括束镜一支、计算机两台、激光振镜一台以及单晶硅若干片。超快激光器 超快激光器是整个激光抛光系统的核心，其性能的优劣对于最终抛光效果的影响举足轻重。此次实验选用了立陶宛Light Conversion公司生产的Pharos系列飞秒激光器和德国Edge wave公司生产的皮秒激光器作为激光源。飞秒激光器如图3.2所示，其主要技术指标详见表3.1。皮秒激光器如图3.3所示，其主要技术指标详见表3.2。表3.1 飞秒激光器的主要技术指标主要指标详情设备型号Pharo

47、s-6-600-PP平均功率6W(610KHz，1026nm)重复频率1KHz-610MHz脉冲宽度230fs-10ps单脉冲能量1500mj光束质量因子M1.2波长342nm 513nm 1026nm图3.2 立陶宛Light Conversion公司生产的Pharos飞秒激光器表3.2 皮秒激光器的主要技术指标主要指标详情设备型号PX50-2-G平均功率50W(615KHz，1064nm)重复频率50KHz-20MHz脉冲宽度10ps单脉冲能量50j光束质量因子M1.3波长532nm 1064nm图3.3 德国Edge wave公司生产的皮秒激光器3.1.2反射镜 超快激光抛光系统选用了Zolix公司的45介质膜超快激光专用反射镜，在隔振光学平台上合理地搭建了光路，使得激光束从激光器发射后按照预期的路径反射传递至激光振镜入口。激光反射镜如图3.4所示。图3.4反射镜3.1.3激光扩束镜激光扩束镜是一类由多个光学元器件构成的系统，其作用可以改变