皮秒激光在微納加工中的應用現狀與展望

剛肖

【摘 要】皮秒激光作為超短脈沖激光的典型代表，具有超短脈寬、超高峰值功率的特點，其加工對象廣泛，在加工制造過程中可用于加工金屬、有機材料（含透明材料）、陶瓷以及復合材料。基于其熱損傷小且加工精度高等優點目前被廣泛應用于微納加工領域，在制備親/疏水（油）表面、彩色表面等功能化表面以及清洗涂層、光柵、微焊接等實踐方面取得了進展。

【關鍵詞】皮秒激光；微納加工；功能化表面；應用現狀

【Abstract】As a typical ultrashort pulse laser，picosecond laser has the characteristics of ultrashort pulse width and high peak power，it can be used in various materials such as metal，torganic materials （including transparent material），ceramic and composite materials in the manufacturing process.Based on the advantages of low thermal damage and high machining accuracy，picosecond laser has been widely used in the micro nano processing field and has made some progress in the aspects below：fabrication of functional surface such as hydrophilic/hydrophobic surface （or oil） and color surface，cleaning the coating，grating，micro welding and so on.

【Key words】Picosecond laser；Micro and nano processing；Functional surface；Application status

0 前言

微納加工技術是一種前沿加工技術，主要用于特殊零部件或者特殊表面的制備，是目前尖端領域的一項重要內容，也是反映一個國家制造業水平和經濟社會發展程度的重要方面。盡管目前已有許多較為成熟的微納加工技術，如微注塑成型技術、超聲波微加工技術等，但它們都或多或少存在一些問題，例如微注塑成型技術手受模具影響其加工精度提升起來很困難，且主要加工對象為有機材料，范圍有限[1]。激光自20世紀60年代誕生以來就一直是國內外廣泛重視的一門技術和研究方向，關于激光的應用也是逐步從光學延伸到了光電、機械加工、醫療等領域。隨著超短脈沖激光（ultrashort pulse laser）的誕生，圍繞超短脈沖激光作用于材料表面制備微-納米結構、精確控制材料去除的研究就一直是熱點和領域前沿，這些微-納米結構帶來了許多獨特的性質：超疏水性[2]、減阻特性[3]、強耐磨性[4]、陷光效應及表面結構色[5]等。傳統的激光加工熱輸入大，在加工過程中會產生熱應力使得金屬等薄板材料發生變形，影響了微納加工的效果。皮秒激光（picosecond laser）介于納秒激光和飛秒激光之間，既有著類似于飛秒激光的典型的超短脈寬、超高峰值功率特性，也具備飛秒激光所不具備而又有別于長脈沖激光的加工效率[6]。因此，皮秒激光在微納加工領域具有獨一無二的特點，目前也被廣泛應用于這一領域，在許多方面取得了實質性進展[7]。

1 皮秒激光加工機理與特點

激光照射到材料表面時，除一部分光被反射外，其余光能基本都進入材料內部，這其中的一部分被材料本身吸收，另一部分則透過材料（對于不透明物質，透射光則被吸收）。普通的長脈沖激光在與材料的相互作用過程中，隨作用時間的推移，通常經歷以下幾個階段：1）固態加熱及表層熔化階段；2）形成增強吸收等離子體云階段；3）形成小孔和阻隔激光的等離子體云階段[8]。對于金屬材料，皮秒激光的能量被材料內的自由電子線性吸收，激發之后產生等離子體，在等離子體與皮秒激光共同作用下，材料內部膨脹、爆炸產生沖擊波，使得受作用區域材料脫離母材，完成材料加工過程。對于有機材料，當聚合物的多鍵所吸收激光的能量過多時，鍵發生斷裂從而實現材料的去除。一般地，皮秒激光的熱損傷極小，在適當工藝條件下可實現無損傷加工，但是當同一部位皮秒激光加工重復進行時則容易出現損傷和破壞。

皮秒激光用于微納加工有很多優點。一方面，皮秒激光可加工材料范圍廣。從理論上來講，只要皮秒激光的脈沖足夠短、能量足夠大，可以對任何材料進行精細加工和處理。另一方面，皮秒激光微納加工精度高。激光的準直度好，皮秒激光光斑大小又是微米量級，因此在實際加工過程中易于控制，可重復性較好。同時，皮秒激光加工所需的脈沖能量一般為毫焦耳或微焦耳量級，相比于傳統激光加工消耗的能量大大降低，具有能耗低的優點。

2 皮秒激光在微納加工中的應用

2.1 皮秒激光制備功能化表面

仿生學是人類模仿生物進行相關特性研究的一門學科，基于生物的進化理論和生物的多樣性，生物體本身有很多值得我們學習和研究的內容，大多數功能化表面的研究也都是從仿生這一角度入手。

自然界中，荷葉表面具有許多絨毛狀凸起的微細結構，而這些微細結構與材料表面自身的物理化學性能一道共同決定了材料表面的潤濕性，潤濕性可分為親水和疏水兩種，當表面靜態接觸角大于150°時我們稱其為超疏水表面。荷葉等自然界中植物的葉子表面的自清潔現象就是來源于此，水珠滴在葉子表面后由于無法良好浸潤而發生滾落，在滾落過程中帶走了表面的灰塵，通過仿生制備網格狀、乳狀或者點陣微結構可以獲得所需疏水/疏油性能，較好的工藝下可達170°左右的靜態接觸角。鯊魚表面同樣具有類似微細結構，顯微鏡觀察發現其表皮存在有盾形鱗次櫛比的微細結構，這一結構減小了表面上流動的液體的流動阻力。

2.2 皮秒激光用于表面清洗

許多零部件在使用或維護階段需要對表面進行清洗。例如焊釘作為大量應用于大型建筑鋼架的緊固件，在焊接開始之前需要將其表面的氧化層去除，同樣的，鋁合金焊接的一個難點就在于表面氧化層的去除，傳統的清洗法主要有機械刮除和化學酸洗法，不僅操作環境惡劣，而且還會對基體造成損傷。利用皮秒激光、納秒激光去除氧化層是一種清潔、有效的方法，去除氧化層的同時還增加了表面粗糙度，進而促進了焊接過程中的能量吸收。在比如船體表面在維修過程中需要將原本被部分破壞掉的涂層去除掉，然后除銹之后進行重新噴涂，激光清洗技術的應用可以充分滿足去涂層和除銹任務，同時保證了再噴涂前的表面清潔度和粗糙度。

2.3 皮秒激光用于微焊接

傳統玻璃焊接技術中，因為所添加的焊料的緣故總是存在易老化、易腐蝕等問題，且焊接質量較差。超短脈沖激光引起玻璃的非線性吸收，能量的輸入引起了材料的熔化和固化，吸收的強弱受激光參數影響。皮秒激光峰值能量較高的特點可以輕易滿足焊接的能量需求，同時脈沖激光的形式可以實現小部位的點焊接、線掃加工的線焊接等多種方式。通過調節激光的重復頻率、點陣間隔、激光功率、加工速率等參數可以最終實現較好的無焊料玻璃疊焊。但是，由于皮秒激光的平均功率較低，尚無法滿足大型零件或者大厚板的焊接加工，這也是皮秒激光用于焊接的局限性之一所在。

2.4 皮秒激光用于外觀設計

智能與電子產品的流行滿足了人們日常生活的諸多需求，在追求便利實用的同時人們也在追求設備產品的美觀，一個美麗的外殼更加被人們看重和欣賞。研究人員通過調控激光工藝參數間接控制微-納米級結構的形貌，以實現類似于蝴蝶表面的彩色外觀，現彩色技術已可應用于鋁、鉑、鈦等多種金屬表面。手機外殼、智能手環表框等諸多零部件均可利用此技術進行外觀設計和美化，在不損傷材料的基礎上帶來色彩的變幻會給人們帶來不小的驚喜。

3 展望

超短的脈沖寬度、超高的峰值功率、超快的反應時間，這些都賦予了皮秒激光等超短脈沖激光以獨特的魅力，通過激光燒蝕、直寫等方式，皮秒激光可以制備表面微結構以實現功能化表面，可以去除表面涂層及氧化層，可以定點焊接，可以帶來金屬表面色彩的改變。雖然目前關于皮秒激光在微納加工領域的一些應用還處于實驗室研究階段，但其巨大的潛力伴隨著激光器成本的降低一定會成為市場上的一匹黑馬，也會給社會帶來巨大的經濟效益。

【參考文獻】

[1]王立鼎，劉沖，等.聚合物微納制造技術[M].北京：國防工業出版社，2012：3-6.

[2]鄭黎俊，烏學東，樓增，等.表面微細結構制備超疏水表面[J].科學通報，2004，49（17）：1691-1699.

[3]李鵬.基于微納結構的艦船仿生減阻研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[4]嚴新平，袁成清，白秀琴，等.綠色船舶的摩擦學研究現狀與進展[J].摩擦學學報，2012，32（4）：410-419.

[5]李平，王煜，馮國進，等.超短激光脈沖對硅表面微構造的研究[J].中國激光，2006，33（12）：1688-1691.

[6]王國彪.光制造科學與技術的現狀與展望[J].機械工程學報，2011，47（21）：157-169.

[7]季凌飛，凌晨，李秋瑞，等.皮秒激光工程應用研究現狀與發展分析[J].械工程學報，2014，50（5）：115-126.

[8]李亞寧，李嘉寧，等.激光焊接/切割/熔覆技術[M].北京：化學工業出版社，2012：2-3.

[責任編輯：田吉捷]