高硬度透明材料混合激光加工技术

撰稿 | 刘华刚（新加坡国立大学）

说明 | 本文由论文作者（课题组）投稿

金刚石、蓝宝石、石英、玻璃、晶体等透明材料具有优良的综合性能，广泛地应用于各类光电子器件、精密仪器中。然而这类材料普遍具有硬度高、脆性大、耐腐蚀性强的特点，给这类材料的加工造成很大的困难。

随着透明材料功能性元器件朝越来越小型化、精密化的趋势发展，传统的机械加工方式无法满足这一需求。激光加工提供了一种先进的非接触式的材料处理方法。依靠光与物质相互作用，可以有效地克服高硬度带来的挑战，因此激光非常适合于高硬度材料的加工与处理。

然而由于低吸收的特性，激光直接加工透明材料存在极大的困难。通常需要特殊的激光器，如波长在透光窗口以外的紫外、深紫外、中远红外激光器，或能激发非线性吸收的超短脉冲激光器。另外，当前激光加工还存在粗糙度高、裂纹产生、加工效率低等一些问题。

在汽车领域，除了“油驱动”和“电驱动”两种车型外，还有一种被称为“混合动力”的驱动类型。混动汽车集成了两种驱动方式的优势，不仅具有补充能量快、节能省油的优势，还兼具了电动汽车的诸多优点。

与此类似，激光加工领域也可以通过“混合”的方式来解决高硬度透明材料难加工、质量差的问题。混合激光加工技术引入了其它的介质或加工手段来辅助激光加工过程。利用这些辅助的手段，这种混合的方式具备了很多直接加工所不具备的优势，例如可以增强透明材料的吸收率、提高加工效率、降低加工表面粗糙度或减小热效应的影响。

鉴于此，来自新加坡国立大学的洪明辉教授、刘华刚博士和中国科学院福建物质结构研究所的林文雄研究员共同以“Hybrid Laser Precision Engineering of Transparent Hard Materials: Challenges, Solutions and Applications”为题在Light: Science & Applications上发表了综述文章。

本篇文章系统地总结了几种常用的混合激光加工技术，分析了它们各自的特点和优势，并对混合激光加工技术的应用和未来发展进行了讨论和展望。聚焦于以激光为主，其他方法为辅的混合激光加工技术。

根据所引入的辅助手段的不同，针对高硬度透明材料的混合激光加工技术大致可分为两类(如图1所示)：

图1. 混合激光加工技术分类

（1）引入其他介质来辅助激光加工，常用的介质有等离子体、液体或薄膜材料等。引入介质的主要作用是增强透明材料对激光能量的吸收，或者直接作用于透明材料，通过物理或化学作用加快激光对材料的去除速度。

这一类技术主要包括：激光诱导等离子体辅助加工技术 (Laser-induced plasma-assisted ablation，LIPAA)、激光诱导背面湿法刻蚀 (Laser-induced backside wet etching，LIBWE)、激光诱导背面干法刻蚀 (Laser-induced backside dry etching， LIBDE)、激光诱导正向刻蚀 (Laser-induced front side etching，LIFE)。

（2）激光加工结合其他加工技术或工艺。这种混合的方式可以充分利用激光加工和其他加工技术的优点，提高加工质量或加工速度。这一类型主要包括湿法/干法刻蚀辅助激光改性、双光束激光加工和水导激光加工等。

该综述详细讨论了三种在高硬度透明材料加工中应用较为广泛的混合激光加工技术。

1.  激光诱导等离子体辅助加工技术(LIPAA)

在LIPAA混合激光加工技术中，一个固体靶材以一定的距离(一般为零到几百微米)放置于透明材料的背面。激光通过透明材料照射到靶材表面，激发出等离子体、微纳颗粒喷射到透明材料的背面。在等离子体、微纳颗粒的作用下，透明材料背面的激光吸收率显著增大，导致其损伤阈值迅速降低。因此在激光诱导等离子体的作用下可以在较小的功率下实现透明材料的加工。该技术使得近红外或可见光工业纳秒激光器可以直接用于透明材料的加工，不需采用紫外或超短脉冲激光器，可以大幅度地降低使用和维护成本。基于纳秒激光器的LIPAA已经大量地应用于石英、玻璃、蓝宝石等材料的切割、表面微结构加工、表面图案化和薄膜沉积加工中。超短脉冲激光也可以应用于LIPAA技术中，由于更小的热效应，飞秒激光LIPAA可以有效地减小裂纹产生，并获得光学级的加工粗糙度，可以应用于透明材料上高深宽比微结构制作和光学器件的直接加工(如图2所示)。

图2. 飞秒LIPAA在蓝宝石材料上直接加工达曼光栅(Dammann Grating)和涡旋光产生器(OAM generator，Orbital Angular Momentum generator）

2. 激光诱导背面湿法刻蚀技术(LIBWE)

LIBWE是利用液体来辅助激光加工透明材料的一种技术。透明材料的背面与液态介质接触，激光透过透明材料并在透明材料与液态介质的交界面处实施加工。多种液态介质可用于LIBWE技术中，例如无机盐、有机溶剂、水和液态金属等。液态介质在LIBWE技术中扮演了重要的作用：

(1)在与透明材料的接触面上增强对激光能量的吸收，降低激光加工阈值；

(2)某些材料可以在激光加热的条件下与透明材料反应，加快透明材料的去除速度；

(3)液态介质在激光作用下，产生局部高温高压气体，可以促进材料从透明基底上快速剥离；

(4)液态介质的流体特性可以带走激光加工过程中产生的残渣。

基于以上作用，LIBWE被广泛地应用于石英、各种玻璃、蓝宝石、氟化钙等材料的加工处理上。其中研究较多的是如何利用LIBWE提高激光加工的效率(材料去除率)和加工的质量(表面粗糙度)。通过优化参数，LIBWE可以实现600nm/pulse的去除速率和小于5nm的表面粗糙度，使得这种技术可以广泛地应用于玻璃或晶体等透明材料的切割、钻孔、微结构加工甚至光学元器件的加工(如图3所示)。

图3. LIBWE技术用于透明材料切割、微结构加工和光学器件加工

3. 湿法/干法刻蚀辅助激光改性技术

受激光衍射极限和热效应的限制，直接的激光加工往往分辨率不高，加工获得的表面粗糙度较大，无法满足许多高精度、高质量加工的需求。

湿法或干法刻蚀技术是一种应用广泛的高精度加工方法，但这种技术往往需要前期复杂的光刻或掩模处理。激光改性和刻蚀后处理相结合的技术则可以利用这两种技术的优势，在透明材料的加工上获得大量的研究和应用。该项混合激光加工技术的优点主要体现在：

(1)这种技术可以实现内部加工。激光可以聚焦于材料的内部，在内部进行材料改性，再通过后续的化学腐蚀处理实现内部材料的去除或内部结构的加工。这一特性是其他技术很难实现的；

(2)这种混合技术可以获得高精度和高表面质量的加工。利用透明材料对超短脉冲激光(飞秒或皮秒)的非线性吸收的阈值特性，可以获得超衍射极限的加工分辨率。而后续进行的湿法和干法腐蚀则可以进一步提高加工的表面质量，其加工质量可以达到光学器件等级；

(3)激光改性过程可以采用直写的方法，避免了采用较为复杂和昂贵的光刻过程。

这些独特的优势的整合使得激光改性+后处理刻蚀混合加工技术可以直接在透明材料上加工高质量、高精度的微透镜阵列、达曼光栅、菲涅尔透镜、光机械相位调制器等微光学器件和光机元件。同时这种技术也广泛地应用于透明材料内部或表面2D/3D结构的加工，并在光流体学、集成芯片实验室、光子晶体等结构的加工中发挥重要作用(如图4所示)。

图4. 激光改性+后处理刻蚀混合加工技术应用

随着技术的发展进步，透明材料的混合激光加工技术在未来将面临很多新的挑战和机遇：

(1)硅等半导体材料在中红外波段是透明的，因此混合激光加工技术可以拓展到半导体材料的加工中，这一领域应用前景广阔；

(2)随着人造金刚石质量的提升和价格的逐步降低，金刚石材料的应用越来越广泛，混合激光加工在金刚石的加工方面可以发挥重要的作用，也有许多挑战有待解决；

(3)当前平板显示与可穿戴消费电子领域对透明窗口、衬底材料、光学器件提出很多新的需求，混合激光加工技术可以在工业应用领域占有一席之地。

在总结展望部分，文章还定性比较了几种常用的混合激光加工技术优劣、适用范围和各自的特点，为该领域的研究和技术人员提供了有意义的参考。

论文信息：

Liu, H., Lin, W. & Hong, M. Hybrid laser precision engineering of transparent hard materials: challenges, solutions and applications. Light Sci Appl 10, 162 (2021).

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00596-5

原文传送门在此，请进>>>

编辑 | 赵阳

欢迎课题组投稿——新闻稿

文章转载/商务合作/课题组投稿，微信：447882024

带您每天读1篇文献！加入>Light读书会