高硬度透明材料混合鐳射加工技術

撰稿 | 劉華剛（新加坡國立大學）

說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

金剛石、藍寶石、石英、玻璃、晶體等透明材料具有優良的綜合性能，廣泛地應用於各類光電子器件、精密儀器中。然而這類材料普遍具有硬度高、脆性大、耐腐蝕性強的特點，給這類材料的加工造成很大的困難。

隨著透明材料功能性元器件朝越來越小型化、精密化的趨勢發展，傳統的機械加工方式無法滿足這一需求。

鐳射加工

提供了一種先進的非接觸式的材料處理方法。依靠光與物質相互作用，可以有效地克服高硬度帶來的挑戰，因此鐳射非常適合於高硬度材料的加工與處理。

然而由於低吸收的特性，鐳射直接加工透明材料存在極大的困難。通常需要特殊的鐳射器，如波長在透光視窗以外的紫外、深紫外、中遠紅外鐳射器，或能激發非線性吸收的超短脈衝鐳射器。另外，當前鐳射加工還存在粗糙度高、裂紋產生、加工效率低等一些問題。

在汽車領域，除了“油驅動”和“電驅動”兩種車型外，還有一種被稱為“混合動力”的驅動型別。混動汽車集成了兩種驅動方式的優勢，不僅具有補充能量快、節能省油的優勢，還兼具了電動汽車的諸多優點。

與此類似，鐳射加工領域也可以透過“

混合

”的方式來解決高硬度透明材料難加工、質量差的問題。混合鐳射加工技術引入了其它的介質或加工手段來輔助鐳射加工過程。利用這些輔助的手段，這種混合的方式具備了很多直接加工所不具備的優勢，例如可以增強透明材料的吸收率、提高加工效率、降低加工表面粗糙度或減小熱效應的影響。

鑑於此，來自新加坡國立大學的

洪明輝

教授、

劉華剛

博士和中國科學院福建物質結構研究所的

林文雄

研究員共同以“

Hybrid Laser Precision Engineering of Transparent Hard Materials: Challenges, Solutions and Applications

”為題在

Light: Science & Applications

上發表了

綜述文章

。

本篇文章系統地總結了幾種常用的混合鐳射加工技術，分析了它們各自的特點和優勢，並對混合鐳射加工技術的應用和未來發展進行了討論和展望。聚焦於以鐳射為主，其他方法為輔的混合鐳射加工技術。

根據所引入的輔助手段的不同，

針對高硬度透明材料的混合鐳射加工技術大致可分為兩類（如圖1所示）：

圖1。 混合鐳射加工技術分類（1）引入其他介質來輔助鐳射加工，常用的介質有等離子體、液體或薄膜材料等。引入介質的主要作用是增強透明材料對鐳射能量的吸收，或者直接作用於透明材料，透過物理或化學作用加快鐳射對材料的去除速度。

這一類技術主要包括：鐳射誘導等離子體輔助加工技術 （Laser-induced plasma-assisted ablation，LIPAA）、鐳射誘導背面溼法刻蝕 （Laser-induced backside wet etching，LIBWE）、鐳射誘導背面幹法刻蝕 （Laser-induced backside dry etching， LIBDE）、鐳射誘導正向刻蝕 （Laser-induced front side etching，LIFE）。

（2）鐳射加工結合其他加工技術或工藝。這種混合的方式可以充分利用鐳射加工和其他加工技術的優點，提高加工質量或加工速度。這一型別主要包括溼法/幹法刻蝕輔助鐳射改性、雙光束鐳射加工和水導鐳射加工等。

該綜述詳細討論了三種在高硬度透明材料加工中應用較為廣泛的混合鐳射加工技術。

1. 鐳射誘導等離子體輔助加工技術(LIPAA)

在LIPAA混合鐳射加工技術中，一個固體靶材以一定的距離（一般為零到幾百微米）放置於透明材料的背面。鐳射透過透明材料照射到靶材表面，激發出等離子體、微納顆粒噴射到透明材料的背面。在等離子體、微納顆粒的作用下，透明材料背面的鐳射吸收率顯著增大，導致其損傷閾值迅速降低。因此在鐳射誘導等離子體的作用下可以在較小的功率下實現透明材料的加工。該技術使得近紅外或可見光工業納秒鐳射器可以直接用於透明材料的加工，不需採用紫外或超短脈衝鐳射器，可以大幅度地降低使用和維護成本。基於納秒鐳射器的LIPAA已經大量地應用於石英、玻璃、藍寶石等材料的切割、表面微結構加工、表面圖案化和薄膜沉積加工中。超短脈衝鐳射也可以應用於LIPAA技術中，由於更小的熱效應，飛秒鐳射LIPAA可以有效地減小裂紋產生，並獲得光學級的加工粗糙度，可以應用於透明材料上高深寬比微結構製作和光學器件的直接加工（如圖2所示）。

圖2。 飛秒LIPAA在藍寶石材料上直接加工達曼光柵（Dammann Grating）和渦旋光產生器（OAM generator，Orbital Angular Momentum generator）

2. 鐳射誘導背面溼法刻蝕技術(LIBWE)

LIBWE是利用液體來輔助鐳射加工透明材料的一種技術。透明材料的背面與液態介質接觸，鐳射透過透明材料並在透明材料與液態介質的交介面處實施加工。多種液態介質可用於LIBWE技術中，例如無機鹽、有機溶劑、水和液態金屬等。液態介質在LIBWE技術中扮演了重要的作用：

（1）在與透明材料的接觸面上增強對鐳射能量的吸收，降低鐳射加工閾值；

（2）某些材料可以在鐳射加熱的條件下與透明材料反應，加快透明材料的去除速度；

（3）液態介質在鐳射作用下，產生區域性高溫高壓氣體，可以促進材料從透明基底上快速剝離；

（4）液態介質的流體特性可以帶走鐳射加工過程中產生的殘渣。

基於以上作用，LIBWE被廣泛地應用於石英、各種玻璃、藍寶石、氟化鈣等材料的加工處理上。其中研究較多的是如何利用LIBWE提高鐳射加工的效率（材料去除率）和加工的質量（表面粗糙度）。透過最佳化引數，LIBWE可以實現600nm/pulse的去除速率和小於5nm的表面粗糙度，使得這種技術可以廣泛地應用於玻璃或晶體等透明材料的切割、鑽孔、微結構加工甚至光學元器件的加工（如圖3所示）。

圖3。 LIBWE技術用於透明材料切割、微結構加工和光學器件加工

3. 溼法/幹法刻蝕輔助鐳射改性技術

受鐳射衍射極限和熱效應的限制，直接的鐳射加工往往解析度不高，加工獲得的表面粗糙度較大，無法滿足許多高精度、高質量加工的需求。

溼法或幹法刻蝕技術是一種應用廣泛的高精度加工方法，但這種技術往往需要前期複雜的光刻或掩模處理。鐳射改性和刻蝕後處理相結合的技術則可以利用這兩種技術的優勢，在透明材料的加工上獲得大量的研究和應用。

該項混合鐳射加工技術的優點主要體現在：

（1）這種技術可以實現內部加工。鐳射可以聚焦於材料的內部，在內部進行材料改性，再通過後續的化學腐蝕處理實現內部材料的去除或內部結構的加工。這一特性是其他技術很難實現的；

（2）這種混合技術可以獲得高精度和高表面質量的加工。利用透明材料對超短脈衝鐳射（飛秒或皮秒）的非線性吸收的閾值特性，可以獲得超衍射極限的加工解析度。而後續進行的溼法和幹法腐蝕則可以進一步提高加工的表面質量，其加工質量可以達到光學器件等級；

（3）鐳射改性過程可以採用直寫的方法，避免了採用較為複雜和昂貴的光刻過程。

這些獨特的優勢的整合使得鐳射改性+後處理刻蝕混合加工技術可以直接在透明材料上加工高質量、高精度的微透鏡陣列、達曼光柵、菲涅爾透鏡、光機械相位調製器等微光學器件和光機元件。同時這種技術也廣泛地應用於透明材料內部或表面2D/3D結構的加工，並在光流體學、整合晶片實驗室、光子晶體等結構的加工中發揮重要作用（如圖4所示）。

圖4。 鐳射改性+後處理刻蝕混合加工技術應用

隨著技術的發展進步，透明材料的混合鐳射加工技術在未來將面臨很多新的挑戰和機遇：

（1）矽等半導體材料在中紅外波段是透明的，因此混合鐳射加工技術可以拓展到半導體材料的加工中，這一領域應用前景廣闊；

（2）隨著人造金剛石質量的提升和價格的逐步降低，金剛石材料的應用越來越廣泛，混合鐳射加工在金剛石的加工方面可以發揮重要的作用，也有許多挑戰有待解決；

（3）當前平板顯示與可穿戴消費電子領域對透明視窗、襯底材料、光學器件提出很多新的需求，混合鐳射加工技術可以在工業應用領域佔有一席之地。

在總結展望部分，文章還定性比較了幾種常用的混合鐳射加工技術優劣、適用範圍和各自的特點，為該領域的研究和技術人員提供了有意義的參考。

論文資訊：

Liu， H。， Lin， W。 & Hong， M。 Hybrid laser precision engineering of transparent hard materials： challenges， solutions and applications。 Light Sci Appl 10， 162 （2021）。

論文地址：

https：//doi。org/10。1038/s41377-021-00596-5

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編輯 | 趙陽

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