皮秒激光在微纳加工中的应用现状与展望

刚肖

【摘 要】皮秒激光作为超短脉冲激光的典型代表，具有超短脉宽、超高峰值功率的特点，其加工对象广泛，在加工制造过程中可用于加工金属、有机材料（含透明材料）、陶瓷以及复合材料。基于其热损伤小且加工精度高等优点目前被广泛应用于微纳加工领域，在制备亲/疏水（油）表面、彩色表面等功能化表面以及清洗涂层、光栅、微焊接等实践方面取得了进展。

【关键词】皮秒激光；微纳加工；功能化表面；应用现状

【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

微纳加工技术是一种前沿加工技术，主要用于特殊零部件或者特殊表面的制备，是目前尖端领域的一项重要内容，也是反映一个国家制造业水平和经济社会发展程度的重要方面。尽管目前已有许多较为成熟的微纳加工技术，如微注塑成型技术、超声波微加工技术等，但它们都或多或少存在一些问题，例如微注塑成型技术手受模具影响其加工精度提升起来很困难，且主要加工对象为有机材料，范围有限[1]。激光自20世纪60年代诞生以来就一直是国内外广泛重视的一门技术和研究方向，关于激光的应用也是逐步从光学延伸到了光电、机械加工、医疗等领域。随着超短脉冲激光（ultrashort pulse laser）的诞生，围绕超短脉冲激光作用于材料表面制备微-纳米结构、精确控制材料去除的研究就一直是热点和领域前沿，这些微-纳米结构带来了许多独特的性质：超疏水性[2]、减阻特性[3]、强耐磨性[4]、陷光效应及表面结构色[5]等。传统的激光加工热输入大，在加工过程中会产生热应力使得金属等薄板材料发生变形，影响了微纳加工的效果。皮秒激光（picosecond laser）介于纳秒激光和飞秒激光之间，既有着类似于飞秒激光的典型的超短脉宽、超高峰值功率特性，也具备飞秒激光所不具备而又有别于长脉冲激光的加工效率[6]。因此，皮秒激光在微纳加工领域具有独一无二的特点，目前也被广泛应用于这一领域，在许多方面取得了实质性进展[7]。

1 皮秒激光加工机理与特点

激光照射到材料表面时，除一部分光被反射外，其余光能基本都进入材料内部，这其中的一部分被材料本身吸收，另一部分则透过材料（对于不透明物质，透射光则被吸收）。普通的长脉冲激光在与材料的相互作用过程中，随作用时间的推移，通常经历以下几个阶段：1）固态加热及表层熔化阶段；2）形成增强吸收等离子体云阶段；3）形成小孔和阻隔激光的等离子体云阶段[8]。对于金属材料，皮秒激光的能量被材料内的自由电子线性吸收，激发之后产生等离子体，在等离子体与皮秒激光共同作用下，材料内部膨胀、爆炸产生冲击波，使得受作用区域材料脱离母材，完成材料加工过程。对于有机材料，当聚合物的多键所吸收激光的能量过多时，键发生断裂从而实现材料的去除。一般地，皮秒激光的热损伤极小，在适当工艺条件下可实现无损伤加工，但是当同一部位皮秒激光加工重复进行时则容易出现损伤和破坏。

皮秒激光用于微纳加工有很多优点。一方面，皮秒激光可加工材料范围广。从理论上来讲，只要皮秒激光的脉冲足够短、能量足够大，可以对任何材料进行精细加工和处理。另一方面，皮秒激光微纳加工精度高。激光的准直度好，皮秒激光光斑大小又是微米量级，因此在实际加工过程中易于控制，可重复性较好。同时，皮秒激光加工所需的脉冲能量一般为毫焦耳或微焦耳量级，相比于传统激光加工消耗的能量大大降低，具有能耗低的优点。

2 皮秒激光在微纳加工中的应用

2.1 皮秒激光制备功能化表面

仿生学是人类模仿生物进行相关特性研究的一门学科，基于生物的进化理论和生物的多样性，生物体本身有很多值得我们学习和研究的内容，大多数功能化表面的研究也都是从仿生这一角度入手。

自然界中，荷叶表面具有许多绒毛状凸起的微细结构，而这些微细结构与材料表面自身的物理化学性能一道共同决定了材料表面的润湿性，润湿性可分为亲水和疏水两种，当表面静态接触角大于150°时我们称其为超疏水表面。荷叶等自然界中植物的叶子表面的自清洁现象就是来源于此，水珠滴在叶子表面后由于无法良好浸润而发生滚落，在滚落过程中带走了表面的灰尘，通过仿生制备网格状、乳状或者点阵微结构可以获得所需疏水/疏油性能，较好的工艺下可达170°左右的静态接触角。鲨鱼表面同样具有类似微细结构，显微镜观察发现其表皮存在有盾形鳞次栉比的微细结构，这一结构减小了表面上流动的液体的流动阻力。

2.2 皮秒激光用于表面清洗

许多零部件在使用或维护阶段需要对表面进行清洗。例如焊钉作为大量应用于大型建筑钢架的紧固件，在焊接开始之前需要将其表面的氧化层去除，同样的，铝合金焊接的一个难点就在于表面氧化层的去除，传统的清洗法主要有机械刮除和化学酸洗法，不仅操作环境恶劣，而且还会对基体造成损伤。利用皮秒激光、纳秒激光去除氧化层是一种清洁、有效的方法，去除氧化层的同时还增加了表面粗糙度，进而促进了焊接过程中的能量吸收。在比如船体表面在维修过程中需要将原本被部分破坏掉的涂层去除掉，然后除锈之后进行重新喷涂，激光清洗技术的应用可以充分满足去涂层和除锈任务，同时保证了再喷涂前的表面清洁度和粗糙度。

2.3 皮秒激光用于微焊接

传统玻璃焊接技术中，因为所添加的焊料的缘故总是存在易老化、易腐蚀等问题，且焊接质量较差。超短脉冲激光引起玻璃的非线性吸收，能量的输入引起了材料的熔化和固化，吸收的强弱受激光参数影响。皮秒激光峰值能量较高的特点可以轻易满足焊接的能量需求，同时脉冲激光的形式可以实现小部位的点焊接、线扫加工的线焊接等多种方式。通过调节激光的重复频率、点阵间隔、激光功率、加工速率等参数可以最终实现较好的无焊料玻璃叠焊。但是，由于皮秒激光的平均功率较低，尚无法满足大型零件或者大厚板的焊接加工，这也是皮秒激光用于焊接的局限性之一所在。

2.4 皮秒激光用于外观设计

智能与电子产品的流行满足了人们日常生活的诸多需求，在追求便利实用的同时人们也在追求设备产品的美观，一个美丽的外壳更加被人们看重和欣赏。研究人员通过调控激光工艺参数间接控制微-纳米级结构的形貌，以实现类似于蝴蝶表面的彩色外观，现彩色技术已可应用于铝、铂、钛等多种金属表面。手机外壳、智能手环表框等诸多零部件均可利用此技术进行外观设计和美化，在不损伤材料的基础上带来色彩的变幻会给人们带来不小的惊喜。

3 展望

超短的脉冲宽度、超高的峰值功率、超快的反应时间，这些都赋予了皮秒激光等超短脉冲激光以独特的魅力，通过激光烧蚀、直写等方式，皮秒激光可以制备表面微结构以实现功能化表面，可以去除表面涂层及氧化层，可以定点焊接，可以带来金属表面色彩的改变。虽然目前关于皮秒激光在微纳加工领域的一些应用还处于实验室研究阶段，但其巨大的潜力伴随着激光器成本的降低一定会成为市场上的一匹黑马，也会给社会带来巨大的经济效益。

【参考文献】

[1]王立鼎，刘冲，等.聚合物微纳制造技术[M].北京：国防工业出版社，2012：3-6.

[2]郑黎俊，乌学东，楼增，等.表面微细结构制备超疏水表面[J].科学通报，2004，49（17）：1691-1699.

[3]李鹏.基于微纳结构的舰船仿生减阻研究[D].武汉：华中科技大学，2009.

[4]严新平，袁成清，白秀琴，等.绿色船舶的摩擦学研究现状与进展[J].摩擦学学报，2012，32（4）：410-419.

[5]李平，王煜，冯国进，等.超短激光脉冲对硅表面微构造的研究[J].中国激光，2006，33（12）：1688-1691.

[6]王国彪.光制造科学与技术的现状与展望[J].机械工程学报，2011，47（21）：157-169.

[7]季凌飞，凌晨，李秋瑞，等.皮秒激光工程应用研究现状与发展分析[J].械工程学报，2014，50（5）：115-126.

[8]李亚宁，李嘉宁，等.激光焊接/切割/熔覆技术[M].北京：化学工业出版社，2012：2-3.

[责任编辑：田吉捷]