已有幾種激光器可被用于切割，打孔，焊接，以及改變相對厚的金屬的表面，這些技術被廣泛用于各種工業，包括了汽車，造船，以及醫療器械工業。然而，許多最近新興的應用方面要求使用很薄的金屬薄膜來進行激光加工，并且要求很高的精確度和光潔的邊緣。近幾年來，人們提出了許多用于激光微加工的新激光技術。這些激光器具有很好的模式質量及可聚焦性，這兩個因素對于獲得很小的特征尺寸以及很光潔的邊緣來說是很重要的。 在本研究中，我們比較了使用幾種不同類型的低功率激光得到的結果，這些激光波長包括了355 nm, 532 nm, 1064 nm以及 1.085 μm。本文主要關注將不同厚度復雜形狀的金屬薄膜切割成多個部分。 激光的優勢 雖然用來加工金屬有很多不同的技術，但是他們都具有一些缺陷，尤其是與激光相比的時候更是如此。比如，你可以利用EDM（電火花加工）來很有效的加工金屬，但是這個過程在加工對象的最小特性尺寸上存在著限制。此外，與激光相比，EDM越小的電極越昂貴而且越容易故障，頻繁的更換更增加了開支。 蝕刻技術也被用于加工金屬，這些技術在某些情況下可能十分經濟，但是這種加工方法也有著一些嚴重的缺陷。首先，蝕刻加工需要很多步的加工工序，而激光加工只需一步便可完成。其次，人們不得不處理蝕刻技術導致的一些腐蝕性化學制品和有毒廢品。最后，縱橫比局限為1:1,在這種情況下甚至會出現底切作用或者錐形側壁。與此同時，機械打孔或者刻槽特征直徑局限在250 μm。雖然有100 μm的鉆頭出售，但是這些鉆頭不僅價格昂貴而且使用壽命短。 使用激光來將金屬切割成不同的形狀和樣式帶來了許多了便利。利用了激光以后，不再需要考慮鉆頭破損和工具磨損的問題。此外，利用激光技術對可達到的孔直徑以及特征尺寸的限制小的多。激光技術也使在有角度或者彎曲的表面鉆孔成為可能，而且不論材料是硬質還是軟質均適用。另外，激光設備的可編程特性也使得在很短周期時間內高速完成數千個這類的高速打孔和常規應用成為可能。 在這個研究中，我們評估了許多難以加工的薄膜金屬，包括了銅（Cu），銅鈹合金（BeCu），磷青銅（Pbronze） ，鉬（Mo），不銹鋼（SS），鎳（Ni），鋁（Al），鈦（Ti），回火鋼（TS），以及具金屬性質的氧化銦錫（ITO）薄層（在軟與硬材料基片上）和其它金屬的薄覆蓋層。在要求光潔邊緣和特征尺寸小的主流加工和外來加工應用方面目前都使用著上述的金屬。厚度很薄的金屬膜目前倍受關注。隨著電路不斷的變小而且更加集成，絕緣體和導體的厚度也在不斷變? Ｔ謖廡┓矯嬗行┖苡腥さ撓τ茫渲兄瘓禿禿鼙。ㄍǔＮ赴俑靄＃┑牡繼宀牧嫌泄兀?Cu， Au， Ag，和 ITO。這些金屬在薄膜的形態下表現出很有趣的特性，它們受到激光的作用時，其表現與它們在塊狀下反應稍有不同。比如，燒蝕“厚”金屬時（厚度約大于1微米）需要的能量密度在幾個到幾十個的J/cm2數量級，而同樣的金屬在薄膜形態下只用1 J/cm2的幾分之一就足以從基片上剝離該金屬。這些薄膜被用于許多產品，如，觸摸屏，平板顯示，飛機駕駛艙，以及醫療器械，這只是幾個例子，而更多的應用尚在研究開發中。 在每個例子中，我們都使用了低功率的激光（小于100 W，大部分情況下都是遠小于這個值）。因此，我們把金屬的厚度限制在小于20密耳（500微米）。研究中，我們使用相干公司（加州，Santa Clara）Avia 355nm，3W的激光器，Photonics Industries公司（紐約州，Bohemia）532nm， 7W的激光器，光譜物理公司（加州，Mountain View）1064nm, 3W的激光器。在研究中，我們沒有使用CO2激光器或準分子激光器。這是由于對我們所研究的金屬來說，CO2激光發生了反射，而準分子激光器的商業化程度還不足以滿足此類工作。 我們還使用了1.085微米波長，100W的光纖激光器進行了一些實驗并對結果進行了討論。二極管泵浦的固態激光器在短波長時有著優良的光束質量，可被聚焦成20微米或更小的光斑。由于這比我們在實驗中所要研究的特征尺寸小的多，因此我們需要多次進行打孔或者刻槽。我們將DXF文件導入光學加工軟件并且加上激光參數。這樣，我們便得到了一個存有所有加工信息的加工文件，這便于日后的參考和使用。需要指出的是，這里所附的所有圖片（除了特別指出的一張），即高分辨率的照片都是用40倍放大的立體照相設備在激光加工完成后直接拍攝的，并未經加工后的清洗。因此，這里給出的圖片可以認為是“最差”的情況。此外，所有的附圖都是利用檢流計掃描光束得到的，并未利用輔助氣體。 圖1a：355nm激光在125μm厚的銅上的切口 圖1b：532nm激光在125μm厚的銅上的切口 圖2a：355nm激光在150μm厚的鈹銅合金上的切口 圖2b：532nm激光在150μm厚的鈹銅合金上的切口 圖3a：355nm激光在50μm厚的鉬上的切口 圖3b：532nm激光在50μm厚的鉬上的切口 圖4a：355nm激光在100μm厚的不銹鋼上的切口 圖4b：532nm激光在100μm厚的不銹鋼上的切口 圖5a：355nm激光在125μm厚的回火鋼上的切口 圖5b：532nm激光在125μm厚的回火鋼上的切口 圖6a：355nm激光在330μm厚的鎳上的切口 圖6b：532nm激光在330μm厚的鎳上的切口激光加工結果 這里我們給出了一些激光加工的結果，其中包括了兩種不同激光的對比：355 nm激光（所有的圖a）和532 nm（所有的圖b）。圖1給出了一個典型的切割，它利用這兩種激光來切割125微米厚度的銅；所有情況中，切口均在大約75到85微米范圍內。雖然兩種激光的切割結果都很不錯，但是532nm激光耦合得非常好，而且與355nm激光的結果相比，加工時間更快而且更加光潔。355nm激光適合用在印刷電路板加工方面，因為532nm激光與電介質的耦合不如355nm的紫外激光好。 圖2給出了同樣的兩束激光作用在150微米厚的銅鈹合金上。這些結果與銅的結果進行了很好的對比（磷青銅的結果也是如此，這里并未給出）。所有這些金屬銅和金屬合金都與兩種激光耦合的很好。這里我們需要指出的是，我們用1.085微米的光纖激光器無法得到銅的光潔加工，這是由于在1.085微米波長時反射率太大了。 圖3給出了激光切割鉬同樣的圖樣。532nm激光與鉬的耦合并不如它與銅的耦合，雖然這種激光仍然可用。將這些結果與100微米厚的不銹鋼（圖4），回火鋼（圖5），鎳（圖6）的結果進行對比。這里需指出，鋁對532nm激光響應并不是很好，而355nm激光倒可以在300微米厚的鋁板上進行很好的切割（圖7）。作為比較，圖8給出了與圖6a一樣的切口，就是使用355nm激光切割鎳，但是圖8中我們還使用了在弱酸條件下，用超聲波進行激光加工后的清洗，這就給出了一個非常光潔的最終產品。圖9給出了355nm激光切割125微米厚的鉬得到的圖樣。圖中的“臂”延伸到圖中給出的以下約25毫米處。由于切割口只有稍許加熱，因此我們沒有看到表面的不平，而這種現象在使用很多“熱”激光器時是很常見的。 圖7：355nm激光在300μm厚的鋁上的切口 圖8：圖6a所示樣品經過超聲波清潔的結果 圖9：激光在鉬上的指狀切口我們也觀察了使用1.5微米的光纖激光器的效果。我們使用它無法刻蝕任何銅基金屬。然而，對其他金屬，如不銹鋼，回火鋼，以及鎳，其加工速度快（相對），刻蝕質量好，結果很令人滿意。我們注意到在這里，實驗室設備是處在堿性條件下的，所以我們使用了一個固定光束傳輸系統，并使用了高度的氣體輔助。我們也研究了13ps，1064nm激光的使用效果。我們發現切割質量非常的好，雖然我們并未將這種激光進一步對其他金屬進行驗證，但是可以相信，這種激光將對相當大范圍內的物質有效。圖10a給出的是利用光纖激光器切割不銹鋼的圖，圖10b給出的是利用皮秒激光器在不銹鋼上產生的25微米的切口。注意到光纖激光器的結果與其他的結果相比不太均勻，但是這是由于人為設置倉促產生的原因，不是由于激光光源本身的缺陷。 圖10a：1.085μm光纖激光在100μm厚的不銹鋼上的切口 圖10b：1064nm皮秒激光在不銹鋼上的切口 圖11：塑料上金的鍍膜的復合圖樣最后，圖11給出了刻蝕噴鍍在聚酯薄膜上的黃金的復合圖樣。利用激光我們可以很容易且干凈的將很復雜而密集的圖樣薄膜剝離，使用355nm或者532nm激光取決于基片以及要求的特征尺寸。基于檢流計的光束傳輸可以使傳輸更為簡單并且使精確度達到10到20微米的量級（固定光束傳輸精確度可以達到微米量級，但是處理速度較慢）。 結論 下面是我們的得到的結論： 355nm的調Q激光器在我們所測試的所有金屬中都表現了很好的加工性能，特征尺寸小（點距為25微米）。任何厚度薄于125微米的金屬均可以進行快速且光潔的加工。在5到10密耳（250微米）厚的金屬其加工結果十分光潔，但是塊狀體的加工可能會比較慢。加工中還可能有近20密耳（500微米）厚的金屬，這些加工速度會降低。而大于20密耳的金屬就不適合用調Q激光器來進行加工了。我們認為這個結論對目前可使用的如10W或者15W的激光器來說都不會有很大的變化。 532nm的激光器在很多金屬上也同樣給出很好的結果，尤其是對含銅的金屬。因為它波長更長，所以對一個給定的光學設備，它可以達到的最小光斑大小比355nm激光器要大一些。這些激光器可用范圍達到15W，其M2值較小（也有更大的激光器可用，但是M2值也上升了），這些激光器比355nm激光器的購買和運行成本要低。 532nm和355nm激光器在從各種不同基片上剝離薄膜方面表現出很好的特性。可以利用532nm激光穿過透明基片如玻璃。355nm激光即使在基片對紫外光有吸收的情況下，也可以剝離頂面的覆蓋層，而對基片的損壞則很少或幾乎沒有。 皮秒激光器也值得關注，它提供了非常光潔的加工結果。但是由于目前其成本相對比較昂貴，使得皮秒激光器除了在某些特殊場合外幾乎未能被使用。 簡言之，光纖激光器似乎是金屬加工的又一可利用方案，其激光切割光潔而且迅速，甚至對幾毫米厚的金屬也是如此。固有的頻率無法應用于含銅金屬，但是以后二倍頻和三倍頻技術的發展可能促使這些激光器對所有的金屬都適用。 所有作者均參與了美國New Hampshire，Pelham市的PhotoMachining公司的激光應用研究，作者對Chuck Ratermann提供皮秒激光照片表示感謝，尤其對IPG Photonics 應用實驗室的William Shiner和Vijay Kancharla為作者提供光纖激光器的使用表示感謝。