發布日期：2022-10-09 點擊率：118
如今，超快激光器（飛秒和皮秒脈寬）是工業生產過程中的一個重要組成部分。憑借其高質量的非熱材料加工能力，再加上在激光技術、工藝開發、光束控制和傳輸等方面的進步，從而進一步擴大了超快激光器在工業市場上的應用范圍。不過，為了維持投入和產出的平衡，必須同時滿足以下條件：首先必需證明其在工業加工過程中的技術可行性，由于超快激光和物質之間的相互作用具有獨特性，因而需要對這一過程有一個精細的科學的理解；其次，工業生產的生產率必須確保能給終端用戶帶來與其投資相匹配的收益，這勢必推動在光束控制和傳輸方面的進步，以充分利用潛在的加工速度。
消費電子產品領域顯然提供了最多的證據。手機、微處理器、顯示器、內存芯片都是極其復雜的組件，由大量的不同材料、尺寸很小、厚度極小的多層材料組成。因而需要先進的、高精密度的加工能力，以及在經濟上可行的大批量生產的能力。下面舉例說明為什么我們需要同步發展加工、激光技術以及新的光束傳輸技術，來滿足目前以及未來可能出現的挑戰。
制造手機、平板電腦或電視用的平板顯示器是如今最復雜的技術之一，困難程度類似或更甚于二十世紀六十年代的阿波羅計劃。不同的生產步驟涉及了大量不同的材料，它們具有微米級的橫向分辨率和數十納米的厚度。由于整個過程都很有難度，將工業生產率（能通過嚴格的質量檢測的產品比例）視為一項機密和挑戰也就不足為奇了。一個關鍵的限制是壞點在面板上的存在，這將阻礙屏幕的商業化。在過去幾年中開發了幾種不同的修復工藝，通常都涉及多波長納秒激光器。例如，通過激光碳化或者切割控制像素的薄膜晶體管的電極，來修復一個亮的像素（圖1）。
圖1：薄膜晶體管電極切割，切割寬度為1.9μm。（圖片由韓國金屬和機械研究所提供）
當前的技術已經達到極限。因為在高清屏幕的分辨率方面的進步，像素的尺寸變得越來越小，與之相關的納秒激光器加工的熱效應限制了修復的質量。此外，包括有機發光二極管（OLED）和有源矩陣發光二極管（AMOLED）在內的新的顯示技術廣泛使用了有機和高分子材料，這些材料對加熱高度敏感，因而與熱處理格格不入。由于脈沖持續時間非常短，所以超快激光實際上很適合非熱微加工，也不會產生熱。它們在先進的屏幕修復加工領域的應用日益擴大，從而推動了新一代緊湊的高速多波長超快激光器的發展。
一些工業加工過程已經開始利用高精度的超快激光加工。這包括選擇性燒蝕（通常可以實現精確到30nm/脈沖的燒蝕率），以及高精度薄膜晶體管電極切割，切割寬度小于2μm。這些加工過程需要開發先進靈活的光束整形技術，以獲得平頂光束并確保其均勻傳輸，并能塑形成樣品的形狀，尺寸低至2×2μm。
在另外一個例子中，半導體電路變得越來越復雜，它們要求在更小的尺寸上集成更多的功能。因此，現在的晶片是由許多層的多種材料組成，例如適用于快速運行的低介電常數材料。半導體制造業中的一個重要的過程就是晶圓的劃切和分離，即將一個晶圓切割成單獨的晶片（如圖2）。傳統上來說是用金剛石鋸的加工方法，但是目前的技術已經達到了極限。由于低介電常數材料的脆性、較低的厚度和較多的層數，發生裂紋和分層剝離等負面影響的幾率不斷升高。
圖2：半導體晶圓切割和劃片。（本圖片由Amplitude Systemes提供）
盡管紫外納秒激光加工的使用獲得推動，但是納秒激光加工帶來的熱效應仍然大大限制了加工結果的質量。另一方面，超快激光展示出在加工硅和高質量多層材料方面的能力。直到最近，超快激光在平均功率方面的限制仍然是一個主要的問題，這嚴重限制了總的生產效率。如今具備高可靠性的工業級飛秒激光器的功率在50-100W之間，這使其生產能力可以與工業要求相匹配。
超快激光是先進的微加工過程的一個重要組成部分，它們在質量控制和測量方面起著重要作用。RudolphTechnologies公司最近為半導體行業推出了一款測量不透明薄膜厚度的新型工具。該系統基于聲波測量，使用了一種非常短的激光產生的超短脈沖。這種超聲脈沖在各層表面反射的時間是通過高精度的泵浦-探測技術來測量的。
在另外一個例子中，法國CAMECA公司可以實現半導體和金屬樣品的原子級分辨率的3D成像和分析表征。這個驚人的測量過程是基于原子探針層析技術，即使用超快激光器來照射樣品的納米半徑尖端（如圖3所示）。如果能精細地控制激光的功率，那么就不會出現激光燒蝕，而是發生適度的原子蒸發，然后每個原子被送到位置傳感探測器，從而確定該原子來自哪一個位置。同時，利用飛行時間質譜儀來測量原子的質量，從而確定該尖端的組成成分。然后，逐層進行三維重建。該方法在半導體行業用于監控半導體材料的成分和雜質，以及在冶金材料中用于精細控制冶金合金的質量。
圖3：原子探針層析的原理。（本圖由CAMECA提供）
高功率、高可靠性激光系統的出現使得激光加工以及質量控制大幅提升。更具體地說，平均功率在50到200W的超快激光器能夠提高生產效率和生產力，從而擴大其在新領域的應用。然而，如此高功率激光的光束控制和傳輸卻并不容易。要想保本盈利，則需要加工速度達到100m/s，同時保持微米級的定位精度。當前一代的振鏡掃描器已經達到了極限，亟待新方法的產生。
ESI公司推出了一個結合振鏡和聲光技術的混合加工系統。當在一個較高的加工速度下操作時，掃描振鏡的慣性意味著執行的滯后，例如一個急轉彎，所以加工出來的結構不會和設計的形狀相同。然而，聲光調制器表現出極靈敏的反應性，不過是在非常小的范圍。將振鏡運動和聲光偏轉結合起來，能夠精確同步，從而克服這一局限性。這種技術在互聯數字電路的圖形制造中尤其有用，這是因為它們變得越來越集成，因而需要增加布線密度。
日本DISCO公司的研究員用相同激光器同時進行微加工和過程控制，從而將兩者結合起來。
在該案例中，用超快激光器在一個雙層基板上進行激光盲孔鉆孔，上層是80μm厚的透明材料，下層是20μm厚的金屬薄膜。為了精確地控制激光脈沖的數量，以使得燒蝕的范圍僅限于透明基板，需要利用光譜分析儀來監測等離子體發射，即利用激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術。
圖4：Kagome光纖的纖芯形狀。（圖片由CNRS/Glo Photonics提供)
因為根據燒蝕的原子種類，等離子體發射具有獨特的發射光譜，因而可以及時并精確地監測到透明層何時完全燒蝕。另外一種方法是，多邊形掃描儀可以實現超過100m/s的掃描速度。這種單一的多面鏡能進行高速旋轉，完全能取代只能在x和y軸方向反射光束的低慣性振鏡。如果脈沖激光與多面鏡的旋轉能精確同步，那么每個面上只有一個點可能會影響到樣品的加工。在這種情況下，這種微加工過程更類似一種數字化過程，也就是說，需要控制激光器的開啟和關閉來生產需要的圖形。為了獲得理想的結果，需要在激光器與掃描儀之間實現非常精確的同步，并且多面鏡的制作精度要非常高，加工過程也需要精心設計。瑞士Bern University ofApplied Sciences大學的Beat Neuenschwander教授與AmplitudeSystèmes和比利時的NextScan公司合作，利用500 kHz的超快激光器實現了微米級定位精度的高速表面微造型。
更多的關于光束傳輸的創新仍在孕育之中。光纖傳輸系統讓激光加工行業煥然一新，而工業級超快激光器直到最近還仍然不能受益于此。由于小的光纖纖芯的光束限制，再加上超快脈沖具有非常高的峰值強度，因而會產生嚴重的非線性效應，并最終導致光纖降解。為了擺脫這種限制，人們開發出空心的微結構光纖，不過纖芯直徑限制在幾個微米，這對于實際應用來說太小了。空心大模場面積Kagome微結構光纖的開發為高能量高功率飛秒激光光束的光纖傳輸鋪平了道路。這種特別的圓內旋輪線形狀的空心光纖纖芯限制了激光模式，防止它與光纖微結構相互作用，并將低的非線性、大模場面積和靈活的分散控制結合起來。通過與法國Glo Photonics公司合作，Amplitude Systèmes公司已經可以將毫焦耳量級的脈沖傳輸幾米遠的距離，同時還能保證脈沖持續時間低于500fs。在另一個與Photonics Tools公司合作進行的實驗中，已經可以傳輸平均功率為100W的脈沖激光，并且可以實現低于100fs的脈沖壓縮。其他團隊和激光制造商也迅速利用Kagome光纖開發出靈活的傳輸系統（如圖4），我們可以期待超快激光加工技術在今后幾年迎來更深入的變革。
隨著對短脈沖激光與物質相互作用的原理的進一步深入，以及在光束控制和傳輸系統方面的技術發展，超快激光器已經走入我們的日常生活。通過深入最先進的工業加工過程，它改變著我們看待事物、交流溝通和工作的方式，它將是未來成功制造更復雜的消費電子設備的關鍵所在。
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