本文主要涉及紫外雷射加工技術．通過實驗，將紫外／紅外兩種雷射設備對材料的加工結果進行比較，發現在特殊材料加工上，紫外雷射相對於紅外雷射，加工邊沿更光滑、效率更高．對於用紅外透過率較高的材料加工的紅外器件來說，紫外雷射在加工中具有明顯的優勢。
1引言
雷射技術是20世紀與原子能、半導體及計算機齊名的四項重大發明之一．四十多年來，隨著小型電子產品和微電子元器件需求量的日益增長，對於加工材料(尤其是聚合物材料以及高熔點材料)的精密處理日漸成為雷射在工業應用中發展最快的領域之一．
雷射加工是雷射產業的重要應用，與常規的機械加工相比，雷射加工更精密、更準確、更迅速．該技術利用雷射束與物質相互作用的特性對包括金屬與非金屬的各種材料進行加工，涉及到了焊接、切割、打標、打孔，熱處理、成型等多種加工工藝。雷射獨一無二的特性使之成為微處理的理想工具，目前廣泛應用於微電子、微機械和微光學加工三大領域。
雷射加工技術是利用雷射束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術．
雷射加工有其獨特的特點：
(1)範圍廣泛：幾乎可以對任何材料進行雕刻切割。
(2)安全可靠：採用非接觸式加工，不會對材料產生機械擠壓或機械應力．
(3)精確細緻；加工精度可達0．01mm．
(4)效果一致：保證同一批次的加工效果一致．
(5)高速快捷：可立即根據電腦輸出的圖樣進行高速雕刻和切割，且雷射切割的速度比線切割的速度要快很多．
(6)成本低廉：不受加工數量的限制，對於小批量加工服務，雷射加工更加便宜。
(7)切割縫隙小：雷射切割的割縫一般在0.02mm-0.05mm．
(8)切割面光滑：雷射切割的切割面無毛刺。
(9)熱變形小；雷射加工的雷射割縫細、速度快、能量集中，因此傳到被切割材料上的熱量小，引起材料的變形也非常小。
紅外器件技術中所用的材料(寶石等)、加工條件(精度，變形等)要求採用雷射加工。鑑於雷射種類很多，我們主要涉及的是紅外雷射設備和紫外雷射加工系統。因此希望通過實驗，將紫外／紅外兩種雷射系統對同種材料的加工結果進行比較，從而了解它們的特點與區別，並確定出各自的適用範圍和優越性，為今後更好地發展特殊材料加工作鋪墊。
2實驗設備介紹
本文採用的實驗設備是JHM-1GY-300B型YAG雷射設備與PSV-6001型355nm全固態紫外雷射鑽孔機。
2．1 YAG雷射設備
YAG雷射設備的雷射波長為1.06μm，輸出的最大單脈衝雷射能量為60J，脈衝頻率為1Hz-100Hz(連續可調)。它將雷射聚焦到一點，焦平面上的功率密度可達到105-1013W／cm2。該設備還可以用於雷射焊接，雷射焊接就是利用雷射束優良的方向性和高功率密度等特點來進行工作的．通過光學系統將雷射束聚集到很小的區域，在極短的時間內，使被焊處形成一個能量高度集中的局部熱源區，從而使被焊物熔化並形成牢固的焊點和焊縫。圖1為用YAG雷射焊接不鏽鋼和鈦合金的焊縫實例。
2．2紫外雷射鑽孔機
PSV-6001型紫外雷射鑽孔機採用的是基於半導體泵浦固態雷射器的高功率三倍頻(DPSS)雷射，波長為355nm，平均功率為2.3W，最高頻率可達100kHz，工件上的光斑直徑可小到20μm以下。該機應用繪圖軟體並進行合理的參數設置，可執行鑽孔、刻線、切割等一系列操作。在已做的各項實驗中，利用該紫外雷射鑽孔機進行加工的有機材料包括聚合物、紙製品等。無機材料包括金屬、寶石、玻璃、陶瓷等．
2．3紫外／紅外雷射器的比較
紅外YAG雷射器(波長為1．06μm)是在材料處理方面用得最為廣泛的雷射源。但是，許多塑料和大量用作柔性電路板基體材料的一些特殊聚合物(如聚醯亞胺)，都不能通過紅外處理或"熱"處理進行精細加工。因為"熱"使塑料變形，在切割或鑽孔的邊緣上產生炭化形式的損傷，可能導致結構性的削弱和寄生傳導性通路，而不得不增加一些後續處理工序以改善加工質量。因此，紅外雷射器不適用於某些柔性電路的處理。除此之外，即使在高能量密度下，紅外雷射器的波長也不能被銅吸收，這更加苛刻地限制了它的使用範圍。
然而，紫外雷射器的輸出波長在0.4μm以下，這是處理聚合物材料的主要優點。
與紅外加工不同，紫外微處理從本質上來說不是熱處理，而且大多數材料吸收紫外光比吸收紅外光更容易。高能量的紫外光子直接破壞許多非金屬材料表面的分子鍵，用這種"冷"光蝕處理技術加工出來的部件具有光滑的邊緣和最低限度的炭化。而且，紫外短波長本身的特性對金屬和聚合物的機械微處理具有優越性．它可以被聚焦到亞微米數量級的點上，因此可以進行細微部件的加工，即使在不高的脈衝能量水平下，也能得到很高的能量密度，有效地進行材料加工．
微細孔在工業界中的應用已經相當廣泛，主要形成的方式有兩種：
一是使用紅外雷射：將材料表面的物質加熱並使其汽化(蒸發)，以除去材料，這種方式通常被稱為熱加工．主要採用YAG雷射(波長為1.06μm)。
二是使用紫外雷射：高能量的紫外光子直接破壞許多非金屬材料表面的分子鍵，使分子脫離物體，這種方式不會產生高的熱量，故被稱為冷加工，主要採用紫外雷射(波長為355nm)．
表1是這兩種加工方式的比較。
3實驗結果與討論
3．1鑽孔實驗
圖2為採用JHM-1GY-300B型YAG雷射設備與PSV-6001型355nm紫外雷射鑽孔機分別在厚度同樣為lmm的陶瓷片上打出的咖2小孔。
結果表明，用紅外雷射打的小孔圓度較差，且邊緣被"燒"黑．而用紫外雷射加工的陶瓷片，小孔圓度較好且邊緣光滑。從實驗結果以及表1中的數據不難發現，紫外雷射較紅外雷射在加工速度、鑽孔精度上不止高出幾個等級，而且質量效果也有明顯的優勢．
3．2切割實驗
雷射切割是利用聚焦的高功率雷射照射加工材料表面，當雷射超過閾值功率密度後，引起照射點材料溫度急劇上升，溫度達到沸點後，材料產生氣化並形成孔洞，隨著雷射束與工件的相對移動，最終在材料表面形成切縫。切割質量(包括切縫寬度、邊緣的直線度、光潔度)由雷射功率、雷射束模式、輔助氣體壓強和切割速度決定。切割所需的雷射功率直接正比於材料的厚度，對於黑色金屬更是一條典型的直線。最大切割厚度為功率、會聚透鏡焦距、雷射波長、切割速度的函數。焦距及收斂角是切割質量、厚度、速度的重要參數。
在理論上，切割厚度由雷射高斯光束的瑞利區域所決定，瑞利區在工業界稱作焦深(DOF)，其物理表達式為
式中，λ為波長，f和D分別為會聚透鏡的焦距和直徑，焦深給出的是切割厚度的上限。圖3為用紫外雷射鑽孔機在0.1mm厚的高熔點金屬鉬片上進行切割的SEM照片，從SEM圖片可以看出，由於高熔點金屬對紫外光的較高吸收，其切割邊緣平整。
雷射切割具有切縫窄、熱影響區小、效率高、切邊無機械應力、可適合多種不同薄膜材料的加工等優點，而且對孔徑以及特徵尺寸的限制小．
圖4為紫外雷射劃片與機械劃片的對比情況，被切割濾光片介質膜的成分主要為硫化鋅、錫化鋅等。紫外雷射鑽孔機的加工頻率為100kHz，切割速度為10mm／s．
從圖4中可以看出，用紫外雷射劃的濾光片邊緣光滑，損傷小．而用機械劃片機則容易產生"崩邊"，切割產生的應力容易使介質膜脫落，損壞濾光片。我們知道，紅外雷射切割是將材料表面的物質加熱汽化，而濾光片介質膜在溫度超過130℃時很容易氧化變質．因而用紅外雷射無法形成濾光片的劃片工藝。目前，用紫外雷射切割的濾光片已經用於某種型號的紅外器件。用高功率紫外雷射切割一些金屬，如銅薄膜、鉬片等，具有切縫窄、熱影響區小、切割效率高等優勢，適合於多種不同高精度微細薄膜器件的研製。對高功率紫外雷射切割技術的研究大大地促進了雷射作為萬能加工工具的應用與發展。
3．3實驗比較
(1)銅具有良好的導熱(熱擴散率為1．19cm2／s，熱傳導係數為4．01W／cm℃)、導電(導電率為6×103s／m)及延展性能，而且在空氣中比較穩定[引．因此，這些優異的性能使得銅薄膜材料目前在薄膜器件生產製造中得以廣泛應用。然而，銅在雷射材料加工中屬於難加工材料，這是因為銅的熱反射率高，對雷射的吸收率很低。因此即使在高能量密度下，使用普通的C02雷射及Nd：YAG雷射也很難對銅進行微細切割加工。
但是銅對波長為355nm的三倍頻固體紫外雷射卻具有較高的吸收率，而且由於紫外雷射的波長短，其聚焦點可小到亞微米數量級，因此採用紫外雷射對銅薄膜進行切割加工，將是研製這種高精度微細薄膜器件的有效方法．利用紫外雷射鑽孔機在厚度為0.05mm的銅片上鑽小孔，目標是小孔孔徑小、圓度和邊緣質量高．
經過反覆實驗，紫外雷射鑽孔機的加工頻率為25KHz，切割速度為0.3mm／s．圖5是利用紫外雷射鑽孔機加工出來的咖為10μm的小孔．
(2)在0.1mm厚生陶瓷上的加工實驗在郭棟等的《氧化鋁陶瓷基板過孔的新型雷射打孔工藝》中，筆者選用了常見的氧化鋁陶瓷作為研究對象，雷射器為Nd：YAG撒光器。圖6是其加工出來的孔。
圖6中，當打孔進行到雷射脈衝尾緣後，由於光強和蒸汽壓銳減及光束的發散等，熔化而未來得及被攜帶走的液相會重新凝聚在孔壁和孔入口處形成重鑄層和堆積物，陶瓷體直接加工時孔的周圍會形成大量不規則堆積物。而圖7中幾乎沒有堆積物，其表面也更乾淨和平滑。
4結論
通過幾種實驗對比發現：
(1)與常規機械加工相比，雷射加工更精密、更準確和更迅速．
(2)通過鑽孔實驗可以看出：紫外雷射較紅外雷射在加工速度、鑽孔精度及質量效果上有較為明顯的優勢．因此在某些孔徑精度高、孔的表面質量要求高、加工材料熔點高的場合則可以用紫外雷射來替代紅外雷射．
(3)從切割實驗中不難發現：用紫外雷射切割一些金屬，如銅薄膜、鉬片等，具有切縫窄、熱影響區小、切割效率高等優勢，適合於多種不同高精度微細薄膜器件的研製。雖然固態半導體泵紫外雷射具有許多優勢，但如何通過加工參數的優化和調整，更好地利用固態半導體泵紫外雷射進行精密加工，是現階段需進一步探索的問題．