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1、利用光波导进行准分子激光打孔的加工系统研究 郭商勇， 陈涛， 刘世炳， 钱晓峰， 张帅 （北京工业大学激光工程研究院， 北京 100022） 提要： 分析了现有准分子激光打孔系统的优缺点， 研究了对经过光波导的光束进行掩模打孔的一套加工系统。对光波导的制作进行了分 析， 并进行了一系列实验， 文中给出了试验结果和分析。 关键词： 准分子激光打孔； 光波导； 掩模 中图分类号： TN248.1文献标识码： A 文章编号： 0253 - 2743 （2006） 03 - 0069 - 02 The research of excimer laser drilling system with wav
2、eguide GUO Shang - yong， CHEN Tao， LIU Shi - bing， QIAN Xiao - feng， ZHANG Shuai （College of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing，100022， China） Abstract： A system of drilling is designed with respect to the defects of general excimer laser microdrilling system. In the new syst
3、em，a hollow metal waveg- uide is used to uniform the exeimer laser beam. The theoretical analysis of hollow waveguide is given out. Microdrilling experiment is carried out utilizing this new method，and a good many promising results are obtained. Key words： drilling with excimer laser；hollow waveguid
4、e；aperture mask 收稿日期： 2005 - 04 - 05 基金项目： 北京市教委重点项目 （KM200310005016） ， 北京市自然基 金重点项目 （3031001） 。 作者简介： 郭商勇 （1977 - ） ， 男， 北京工业大学在读硕士研究生， 主 要从事准分子激光及光学设计方面的研究。 随着科学技术特别是微电子和生物技术的发展， 对加工 技术也提出了越来越高的要求， 其中微加工技术也属于一个 重要的技术领域。我们进行的微加工工作， 也越来越多地以 脉冲准分子激光为工具。这是由于准分子激光具有很多微 加工优势： 1、 准分子激光波长短， 光子能量高， 可对材料达到
5、微米级的加工。2、 所处波段正是大多数非金属材料所吸收 的波段， 从而很容易实现对非金属尤其是有机材料的加工。 但是由于准分于激光自身的特点， 如光斑大， 发散角大 以及光束能量分布不均匀等， 在进行微孔加工时成为其不利 的地方。故当前进行准分子加工时， 最主要的就是解决其光 束质量对材料加工的限制。结合准分子激光的特点， 我们设 计了用于准分子激光打孔的光束转换传输系统。该系统通 过光波导对光束进行了转换， 对打孔的加工效率和精度都有 一定的提高。 图 1 掩模加工系统示意图 1现行准分子激光打孔实验装置 准分子激光不同于 CO2和 YAG 激光， 较大的光斑使得 要想利用其全部能量进行微加
6、工是不太可能的。所以要得 到微孔， 采用掩模投影是一种比较容易实现加工目的方法， 现有的准分子打孔装置大多都采用掩模的方法， 加工装置如 图 1 所示。而且所用掩模可根据加工件的特殊要求进行设 计， 能够极大限度地满足各种不同加工形状的要求。这种加 工方法的加工精度取决于两个因素： 1、 掩模的加工精度。由 于掩模的加工采用的是常规加工方法， 一般可以达到一定精 度的掩模尺寸可达到几百个微米左右， 要想得到再小的掩模 则不一定能满足其图形的精确度。2、 透镜对图形的放缩比。 透镜的作用是把从掩模透射的光束成像在加工件上， 得到比 掩模形状还要小的掩模的像， 从而提高加工精度。由于加工 距离，
7、成像质量等因素的影响， 一般可选的透镜可成缩小 10 倍左右的像。可以看出， 现有的加工系统可以达到一定的精 度要求， 满足一定的微加工要求。 但是我们也不难看出， 在现有掩模加工系统中， 其加工 精度是以牺牲了能量的利用率为代价的。准分子激光加工 有机材料时， 依靠的是光子能量， 其加工效率由光子密度决 定， 光子密度越大， 加工效率也就越高。一般准分子激光的 光斑都比较大， 例如 Lambda physik LPX 305iF 型 KrF 准分子激 光的光斑为 16.5 36.5 mm2， 而掩模所能通过的能量显然是 很小的一部分。这种直接的掩模加工系统浪费了大量的能 量的同时， 也降低了
8、系统的加工效率。而且由于准分子激光 输出光束的光强分布在局部上有很大的起伏， 也使掩模截取 光斑的能量具有不稳定性， 从而影响加工效果。 2设计改进的准分子激光打孔实验装置 由以上分析可以看出， 在打孔的精度可以得到保证的前 提下， 要对准分子激光打孔的效率有所提高， 就要尽量多利 用光束的能量。然而要把准分子激光这么大的光斑直接聚 焦， 是不容易实现的。而且当光束会聚到一定程度时， 光束 的发散角就会很大， 造成的问题是打孔时焦深变小， 打孔的 深度成为解决不了的问题。针对此问题我们设计了该套加 工系统。实验装置示意图如图 2 所示。 图 2 准分子激光微加工示意图 由于准分子激光为矩形光斑
9、， 故我们采用柱透镜 1 和柱 透镜 2 分别从水平和竖直方向对准分子激光束进行会聚， 以 使其能够全部进入波导管。在矩形波导中传输的激光束， 经 过波导管的多次反射， 在波导管的出口处形成多份光束的叠 加， 将原来的光斑大大缩小， 同时提高了出射光束的能量密 度， 同时也使光束能量达到很好的均匀度， 这是该系统加工 工艺得到提高的关键环节。 以激光束在矩形波导中传输的各个条件为依据， 系统中 金属光波导采用金属铝制成。首先， 当光波导传播光束时， 会在金属波导管的内表面产生感应电流， 称之为管壁电流。 这种电流有趋肤效应， 即电流集中在波导管的内表面流动， 其趋肤效应的典型深度为 10 -
10、4cm， 所以可以把这种管壁电流 看成是面电流。我们在选取波导材料时， 应考虑材料的导电 96激光杂志 2006 年第 27 卷第 3 期LASER JOURNAL （Vol.27.No.3.2006） 性， 电导率越大， 形成的电阻越小， 对光束的损耗就越小， 利 于光束的传播。同时波导中也有磁场的存在， 我们还要这种 材料是非磁性的， 同样以减少损耗为目的。在波导的材料特 性中， 它的折射率也是一个很重要的方面， 波导材料的折射 率相对于其外面环境的折射率越小， 越有利于光束的传输。 表 1 几种金属折射率 材料铜银金铝铁 折射率0.971.031.420.120.80 金属铝对各波段的光
11、都有极高的反射率， 当反射面的光 洁度达到一定程度时， 对紫外光的反射率可以达到 0.86 - 0. 9。而且金属铝不易被腐蚀和氧化， 表面光洁度可以保持很 长的时间。通过对各种材料的综合分析比较， 我们最终选择 工业纯铝作为制作光波导的材料。 表 2 波导管加工参数 宽高长管内壁粗糙度 5mm4mm150mm74nm 波导管的能量传输率是我们所关心的问题， 对管壁的光 洁度要求非常高。加工过程中我们对波导管反射表面的加 工精度提出了相当高的要求， 得到表面粗糙度为 74nm 的反 射面。由实验得到， 单脉冲平均能量 769J/ 脉冲的情况下传 输过程中能量通过率达到 83.06%。 表 3
12、光束通过光波导前后的能量数值 入射前能量 mJ805732775764 平均 769 出射后能量 mJ695610605645 平均 638.75 系统中成像系统由两个透镜组成， 从波导管出射的光束 发散角比入射前有所减小， 为了达到最好的打孔效果， 我们 设计了透镜组， 以把发散的光束准直， 减小打孔的锥度， 增加 深宽比。该成像系统可对图形成缩小 10 倍的完善的像， 可 以很好地应用到本加工系统。 图 3 成像系统示意图 3准分子聚集实验装置的打孔实验结果及分析 我们利用该系统进行了打孔试验， 在加工 1.5mm 厚的 PMMA 基材时， 打通孔所用脉冲平均数为 120 个， 而且保证了
13、 孔的精确度。而直接掩模加工时要用 900 多个， 加工效率比 直接掩模打孔提高了约七倍。图 4 所示为在实验中采用 248nm KrF 准分子激光器， 加工光斑能量密度为 2.5J/ cm2时 的加工图片。所用基片 PMMA 的厚度为 1.5mm， 所用圆形掩 模直径为 1mm， 所有加工过程均在空气中进行。图片给出了 打出的通孔的上下表面形貌图。 由图 4a 可以看出， 通孔上表面边缘比较清晰， 圆形孔的 形状保持得也相当好。圆孔周围有加工基材时飞溅出的残 渣， 可用酒精清洗。图 4b 所示为通孔底面形貌， 由图可以看 出， 在下表面有较明显的烧坏现象， 也存在一定范围的热影 响区域。这是
14、由于随着孔的深度加大， 由于飞溅物等的影 响， 基材对热量的吸收也在增加， 从而使热效应影响变大。 图 4 c 为准分子激光能量密度在 2.5J/ cm2时， 在 1.5mm 厚的 PMMA 基片上打出通孔的整体外观图。由图可以看出， 通孔在 1.3mm 的深度范围内保持了较精确的形状， 只是到达 底部时才显示出较大的锥度。这种现象在激光打孔中普遍 存在， 也是需要解决的问题， 一般可以通过适当增加脉冲数 来减小锥度。 图 4a通孔上表面 4b通孔底部光学4c通孔的整体外观 光学显微镜图片显微镜图片形貌图长度 1.5mm 图 5 所示为该系统加工的盲孔的加工面形貌图， 孔底部 为激光束的加工表
15、面。我们可以看到激光束加工面平整均 匀， 表明其能量分布均匀。所以该系统不仅可以用来加工微 孔， 还可以加工包含微通道及微槽的生物芯片， 以及材料的 表面改性， 用途广泛。 图 5 激光加工表面的光学显微镜图片 4结论 研究了利用光波导变换传输光束的准分子激光打孔系 统， 以改进准分子激光打孔效果。由试验结果我们可以看 出， 该加工系统：（1） 光波导可以有效地传输 248 nm 的紫外激 光， 传输效率可达 83%。 （2） 该加工系统可对掩模成缩小 5 - 10 倍的像进行精确微孔加工。 （3） 通过制作掩模可实现多种 形状要求的加工， 应用范围广。 参 考 文 献 1 郑启光， 辜建辉
16、. 激光与物质相互作用 M . 武汉： 华中理工大 学出版社， 1996.TN24. 2 魏仁选 .准分子激光直写加工特性与脉冲参数关系的研究 J . 激光技术， 2004， 28 （1） ： 85 - 87. 3 佘守宪 .导波光学物理基础 H . 北京： 北京交通大学出版社， 2002， 1， TN25. 4 江超， 王又青， 胡少六， 李波 . 248nm KrF 准分子激光精密加工 Al2O3的实验研究 J .激光杂志， 2002， 23 （2） ： 5961. 5 U.Kubo， K.Okada and Y.Hashishin.Hollow tube guide for UV - p
17、ow- er laser beams C . SPIE， OP - tical Fibers in Medicine， 1991， 1420： = = = = = = = = 102 - 107. 激光杂志 全文光盘发行 我刊已制作完成 激光杂志 全文光盘 （CD - ROM） 。该光 盘收集自 1975 年创刊至 30 年所刊全部图文内容， 展示了我国 激光技术的发展进程， 是个人或单位用户， 阅读、 下载的电子工 具书， 便于订阅、 收藏。该光盘采用国际通用的 Acrobat Reader 浏览器， 版面美观， 浏览方便， 功能全面， 易学易用， 有完善的全 文检索功能， 能实现复杂版面的全文检索和下载。 欢迎广大读者和单位订购。光盘定价 275 元 （含邮寄费） 。 联 系 人：刘 凌 云；Email：JGZZ001 163. com；电 话： （ 023） 68611056； 地址： 重庆市渝州路 35 号 激光杂志 ； 邮编： 400039。 07激光杂志 2006 年第 27 卷第 3 期LASER JOURNAL （Vol.27.No.3.2006）