CN111922521B - 一种实现聚酰亚胺烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞秒激光应用技术领域，尤其涉及一种实现聚酰亚胺烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统和方法。本发明利用放大极激光峰值功率高的特点对PI进行精密的烧蚀去除，又利用振荡级激光的热效应对PI进行碳化。本发明的系统可以对放大极飞秒激光和振荡级飞秒激光分别进行参数调整，从而实现对烧蚀过程和碳化过程的分别控制，互不干涉。利用本发明的系统，可以使飞秒激光对PI的加工效果在烧蚀去除模式和碳化模式之间快速灵活切换，根据需要实现烧蚀和碳化效果，一次搭建好光路系统后，加工过程中无需对光路系统进行调整。本发明具有光路系统调节方便、加工灵活性高、可加工结构范围广的优点，为制备PI表面微结构、碳基微电路提供了一种可行的方案。
Description
技术领域
本发明属于飞秒激光应用技术领域，尤其涉及一种实现聚酰亚胺烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统和方法。
背景技术
聚酰亚胺(以下简称PI)是一种聚合物绝缘体，其制造工艺成熟，绝缘性能、机械性能、热学性能优良，长期被用作绝缘胶带，在电工行业有广泛的应用。因为其分子结构中含有苯环，在高温条件下会发生裂解反应，产生碳结构。利用此特性，研究人员发现，以激光束对PI进行辐照，可以利用激光的热效应，对PI进行碳化，使被激光辐照过的区域产生碳结构，并具备导电性，而未被激光辐照的区域仍然保持绝缘体特征。利用此特性，PI可以同时作为碳结构的前驱材料和柔性载体，为柔性碳基微电路的制备提供了可能。
部分微电路结构需要对PI进行去除，在PI上制备碳基微电路后，亦需要进行微电路与周围材料的分离。对于PI的去除加工，因为尺寸和材料特性的限制，传统的加工方法不再适用。利用激光烧蚀的方法可以精确实现目标区域与周围材料的分离，并且避免对周围的材料造成损伤。
连续激光常用于对PI的碳化，但是因为其热效应十分明显，热影响区大，不利于对PI进行精密的烧蚀去除加工。飞秒激光因为脉冲超短，峰值功率高，热影响区小，更适合对这种材料进行烧蚀去除。同时，飞秒激光也具备对PI进行碳化的能力，但需要利用未经过脉冲啁啾放大的振荡极飞秒激光进行加工。当振荡极激光作用时，飞秒激光的峰值功率低于PI的烧蚀阈值，但每个激光脉冲均可以因为带来的能量使PI温度略微升高，因为激光重复频率超高，PI温度持续上升至碳化温度区间，从而发生碳化。
飞秒激光器的振荡极激光和放大极激光的出光原理不同，出光位置不同。通常情况下，因为加工中常利用放大极飞秒激光峰值功率高的特点，飞秒激光光路系统主要配合放大极激光的使用，如已有的专利飞秒激光在单个蛋白质晶体上加工微纳结构的方法及系统(专利申请号：201910300981.4)中所述的飞秒激光加工系统，就是利用飞秒激光放大极高峰值功率的特点，在待加工材料上加工微纳结构。当利用振荡极飞秒激光进行加工时，需要另外搭建飞秒激光光路系统，两个加工系统平行存在，如图1所示。如果待加工的结构既需要振荡极激光，也需要放大极激光加工，则需要将材料在两个加工系统间转移，影响了加工过程的连续性，也可能造成二次装夹、重新定位不准确等问题，为加工带来了不便，无法满足微电路加工过程中连续对PI进行烧蚀和碳化的需求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种利用飞秒激光实现对PI的烧蚀或碳化的加工系统和方法，通过计算机控制光路系统，根据加工的需要，随时切换为烧蚀加工模式和碳化加工模式，从而在PI表面灵活加工碳化、烧蚀复合微图案，制备碳基微器件。
本发明提出的实现对PI烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统，包括飞秒激光器、第一衰减片、第一光阑、第一反射镜、第二反射镜、第二衰减片、第二光阑、第三反射镜、第四反射镜、一维平移台、挡光板、第五反射镜、电控快门、，二向色镜、加工物镜、六维平移台、半透半反镜、照明灯、CCD和计算机；所述的飞秒激光器有放大极和振荡极两个出光口，分别输出两种模式的飞秒激光，飞秒激光器的放大极输出的飞秒激光，经第一衰减片调节飞秒激光功率、第一光阑调节飞秒激光光斑直径后经第一反射镜反射；飞秒激光器的振荡极输出的飞秒激光经第二反射镜反射后通过第二衰减片调节飞秒激光功率、第二光阑调节飞秒激光光斑直径后经第三反射镜反射；第四反射镜安装在一维平移台上，第四反射镜根据平移台的位置调节反射飞秒激光器的放大极或振荡极输出的飞秒激光，当反射其中一种飞秒激光时，另一种飞秒激光则被挡光板吸收；飞秒激光经过第五反射镜反射后，通过电控快门，经过二向色镜反射，进入加工物镜，经过加工物镜聚焦，到达PI样品的表面，PI样品放在六维平移上，随着平移台移动；半透半反镜和照明灯、CCD组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；飞秒激光器、一维平移台、电控快门、六维平移台、照明灯、CCD通过信号线与计算机连接，由计算机控制。
本发明提出的实现对PI烧蚀或碳化的飞秒激光加工方法统，包括以下步骤：
(1)搭建实现对PI烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统，该加工系统包括飞秒激光器、第一衰减片、第一光阑、第一反射镜、第二反射镜、第二衰减片、第二光阑、第三反射镜、第四反射镜、一维平移台、挡光板、第五反射镜、电控快门、，二向色镜、加工物镜、六维平移台、半透半反镜、照明灯、CCD和计算机；所述的飞秒激光器有放大极和振荡极两个出光口，分别输出两种模式的飞秒激光，飞秒激光器的放大极输出的飞秒激光，经第一衰减片调节飞秒激光功率、第一光阑调节飞秒激光光斑直径后经第一反射镜反射；飞秒激光器的振荡极输出的飞秒激光经第二反射镜反射后通过第二衰减片调节飞秒激光功率、第二光阑调节飞秒激光光斑直径后经第三反射镜反射；第四反射镜安装在一维平移台上，第四反射镜根据平移台的位置调节反射飞秒激光器的放大极或振荡极输出的飞秒激光，当反射其中一种飞秒激光时，另一种飞秒激光则被挡光板吸收；飞秒激光经过第五反射镜反射后，通过电控快门，经过二向色镜反射，进入加工物镜，经过加工物镜聚焦，到达PI样品的表面，PI样品放在六维平移上，随着平移台移动；半透半反镜和照明灯、CCD组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；飞秒激光器、一维平移台、电控快门、六维平移台、照明灯、CCD通过信号线与计算机连接，由计算机控制；
(2)对飞秒激光加工系统进行调试：开启飞秒激光器，移动一维平移台的位置，使放大极激光被第四反射镜反射，调节第一光阑大小，使得激光光斑聚焦前的直径为8mm，调节第一衰减片使飞秒激光的功率，达到在PI样表面产生加工效果；设定电控快门为连续打开模式，调节六维平移台的高度，使固定功率下飞秒激光在PI样品表面扫线产生的线宽最小，完成飞秒激光加工系统的调试，飞秒激光通过加工物镜聚焦到PI样品表面；
(3)移动一维平移台的位置，使得放大极激光或振荡极激光通过加工物镜聚焦，在PI样品表面产生烧蚀或碳化加工效果，在加工过程中根据需要改变一维平移台的位置，改变加工模式，实现对PI烧蚀或碳化的飞秒激光加工。
本发明提出的实现对PI烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统和方法，其优点是：
1、本发明的实现对PI烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统和方法，利用了飞秒激光器不同出光模式下的激光特点，既可以利用放大极激光峰值功率高的特点对PI进行精密的烧蚀去除，也可以利用振荡级激光的热效应，对PI进行碳化。
2、利用本发明的系统，可以对放大极飞秒激光和振荡级飞秒激光分别进行参数调整，从而实现对烧蚀过程和碳化过程的分别控制，互相不干涉。
3、利用本发明的系统，可以使飞秒激光对PI的加工效果在烧蚀去除模式和碳化模式之间快速灵活切换，根据需要实现烧蚀或碳化效果，一次搭建、调整好光路系统后，加工过程中只需要计算机进行简单操作即可实现模式切换。
附图说明
图1是已有的分别利用振荡极和放大极飞秒激光加工系统示意图。
图2是本发明提出的实现对PI烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统的结构示意图。
图3是本发明实施例1的烧蚀打孔加工效果电镜图。
图4是本发明实施例2的碳化扫线加工效果电镜图。
图2中，1是飞秒激光器、2是第一衰减片，3是第一光阑，4是第一反射镜，5是第二反射镜，6是第二衰减片，7是第二光阑，8是第三反射镜，9是第四反射镜，10是一维平移台，11是挡光板，12是第五反射镜，13是电控快门，14是二向色镜，15是加工物镜，16是PI样品，17是六维平移台，18是半透半反镜，19是照明灯，20是电荷耦合元件(CCD)，21是计算机。
具体实施方式
本发明提出的实现聚酰亚胺烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统，其结构示意图如图2所示，该加工系统包括飞秒激光器1、第一衰减片2、第一光阑3、第一反射镜4、第二反射镜5、第二衰减片6、第二光阑7、第三反射镜8、第四反射镜9、一维平移台10、挡光板11、第五反射镜12、电控快门13、，二向色镜14、加工物镜15、六维平移台17、半透半反镜18、照明灯19、CCD 20和计算机21；所述的飞秒激光器1有放大极和振荡极两个出光口，分别输出两种模式的飞秒激光，飞秒激光器1的放大极输出的飞秒激光，经第一衰减片2调节飞秒激光功率、第一光阑3调节飞秒激光光斑直径后经第一反射镜4反射；飞秒激光器1的振荡极输出的飞秒激光经第二反射镜5反射后通过第二衰减片6调节飞秒激光功率、第二光阑7调节飞秒激光光斑直径后经第三反射镜8反射；第四反射镜9安装在一维平移台10上，第四反射镜9根据平移台10的位置调节反射飞秒激光器1的放大极或振荡极输出的飞秒激光，当反射其中一种飞秒激光时，另一种飞秒激光则被挡光板11吸收；飞秒激光经过第五反射镜12反射后，通过电控快门13，经过二向色镜14反射，进入加工物镜15，经过加工物镜聚焦，到达PI样品16的表面，PI样品放在六维平移17上，随着平移台移动；半透半反镜18和照明灯19、CCD 20组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；飞秒激光器1、一维平移台10、电控快门13、六维平移台17、照明灯19、CCD20通过信号线与计算机21连接，由计算机21控制。
本发明提出的实现聚酰亚胺烧蚀或碳化的飞秒激光加工方法，包括以下步骤：
(1)搭建一个如上所述的实现聚酰亚胺烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统，其结构如图1所示；
(2)对飞秒激光加工系统进行调试：开启飞秒激光器，移动一维平移台的位置，使放大极激光被第四反射镜反射，调节第一光阑大小，使得激光光斑聚焦前的直径为8mm，调节第一衰减片使飞秒激光的功率，达到在PI样表面产生加工效果；设定电控快门为连续打开模式，调节六维平移台的高度，使固定功率下飞秒激光在PI样品表面扫线产生的线宽最小，完成飞秒激光加工系统的调试，飞秒激光通过加工物镜聚焦到PI样品表面；
(3)移动一维平移台的位置，使得放大极激光或振荡极激光通过加工物镜聚焦，在PI样品表面产生烧蚀或碳化加工效果，在加工过程中根据需要改变一维平移台的位置，改变加工模式，实现对PI烧蚀或碳化的飞秒激光加工。
本发明的系统和方法中，可以根据加工需求调整光路系统，实现对PI的不同加工效果。如需要在PI表面进行烧蚀去除，则将一维平移台位置向上移动，使放大极激光进入后续光路，对样品进行加工；如需要在PI表面进行碳化，则将一维平移台位置向下移动，使振荡极激光进入后续光路，对样品进行加工。利用两种加工模式的灵活切换与配合，可以在PI表面加工复杂的微图案、微器件。
本发明的实施例中，使用的飞秒激光器1是由COHERENT公司生产的Astrella型飞秒激光器，其主要参数为：中心波长800nm，放大极重复频率1000Hz，振荡级重复频率80MHz，脉冲宽度35fs。使用的CCD17由映美精公司生产，产品型号为DMK23ux236。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步介绍。
实施例1
在PI样品16表面进行烧蚀去除性质的打点加工，首先打开飞秒激光器1产生飞秒激光，利用计算机21控制一维平移台10移动位置，使放大极激光被第四反射镜9反射。通过第一衰减片2调节激光功率，使激光通量为1.2J/cm2，通过第一光阑3调节光斑大小为8mm；打开照明灯19，调节CCD 20的位置使其能够清晰地成像；调整加工物镜15的位置使飞秒激光聚焦在PI样品16表面。利用计算机21设置电控快门13打开的时间为100ms，打开快门，使PI样品16表面产生烧蚀加工效果；利用计算机21控制六维平移台17平移50μm，设置快门时间为200ms，再次打开快门加工；重复利用六维平移台17平移样品，并依次设置快门时间为500ms，1000ms，2000ms，5000ms，在PI样品16表面进行打点加工。最后加工得到了6处烧蚀加工结果，如图3所示。
由实施例1可知，将一维平移台定位于向上位置，可以使飞秒激光加工系统处于烧蚀加工模式，可以在PI样品表面产生烧蚀加工效果，并且烧蚀加工效果可以通过调整激光光斑直径、功率、脉冲个数等进行控制，产生精确去除的效果。
实施例2
在PI样品16表面进行碳化扫线，加工连续的碳化结构，首先打开飞秒激光器1产生飞秒激光，利用计算机21控制一维平移台10移动位置，使振荡极激光被第四反射镜9反射。通过第二衰减片6调节激光功率为80mW，通过第二光阑7调节光斑大小为8mm；打开照明灯19，调节CCD 20的位置使其能够清晰地成像；调整加工物镜15的位置使飞秒激光聚焦在PI样品16表面。利用计算机21设置电控快门13为连续打开模式，设置六维平移台17的平移速度为1000μm/s；打开快门，使PI样品16表面产生碳化扫线加工效果；利用计算机21控制六维平移台17向垂直方向平移500μm，通过第二衰减片6调节激光功率为60mW，再次打开快门，使PI样品16表面再次产生碳化扫线加工效果；利用计算机21控制六维平移台17向垂直方向平移500μm，通过第二衰减片6调节激光功率为30mW，打开快门，使PI样品16表面产生第三条碳化扫线加工效果。最后得到3条碳化扫线加工结果，如图4所示。
由实施例2可知，将一维平移台定位于向下位置，可以使飞秒激光加工系统处于碳化加工模式，可以在PI样品表面产生碳化加工效果，并且碳化加工效果可以通过调整激光光斑直径、功率、扫描速度等进行控制，产生良好的碳化效果。
实施例3
在PI样品16表面加工指叉型微电容，首先打开飞秒激光器1产生飞秒激光，通过第一衰减片2调节放大极激光通量为1.2J/cm2，通过第一光阑3调节光斑大小为8mm；通过第二衰减片6调节振荡极激光功率为60mW，通过第二光阑7调节光斑大小为8mm；利用计算机21控制一维平移台10移动位置，使振荡极激光被第四反射镜9反射。打开照明灯19，调节CCD 20的位置使其能够清晰地成像；调整加工物镜15的位置使飞秒激光聚焦在PI样品16表面。利用计算机21设置电控快门13为连续打开模式，设置六维平移台17的平移速度为1000μm/s，并根据微电容的形状设计其平移路径，使得激光焦点依次扫过微电容区域，打开快门，在PI样品16表面碳化形成微电容的形状；关闭快门，利用计算机控制一维平移台10迅速移动至另一位置，使加工系统切换为烧蚀加工模式，打开快门，控制六维平移台17平移，使得激光焦点在已经碳化形成的微电容外围沿着矩形路径扫描，在矩形路径产生烧蚀去除效果，从而将加工的微电容与基体分离。
由实施例3可知，本加工系统适用于同时需要进行碳化和烧蚀加工的场合，利用系统在两种加工模式之间的快速切换，可以加工出结构更加复杂、功能更加完善的微图案、微电路器件等。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种实现对PI烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统，其特征在于，该加工系统包括飞秒激光器、第一衰减片、第一光阑、第一反射镜、第二反射镜、第二衰减片、第二光阑、第三反射镜、第四反射镜、一维平移台、挡光板、第五反射镜、电控快门、二向色镜、加工物镜、六维平移台、半透半反镜、照明灯、CCD和计算机；所述的飞秒激光器有放大极和振荡极两个出光口，分别输出两种模式的飞秒激光，飞秒激光器的放大极输出的飞秒激光，经第一衰减片调节飞秒激光功率、第一光阑调节飞秒激光光斑直径后经第一反射镜反射；飞秒激光器的振荡极输出的飞秒激光经第二反射镜反射后通过第二衰减片调节飞秒激光功率、第二光阑调节飞秒激光光斑直径后经第三反射镜反射；第四反射镜安装在一维平移台上，第四反射镜根据平移台的位置调节反射飞秒激光器的放大极或振荡极输出的飞秒激光，当反射其中一种飞秒激光时，另一种飞秒激光则被挡光板吸收；飞秒激光经过第五反射镜反射后，通过电控快门，经过二向色镜反射，进入加工物镜，经过加工物镜聚焦，到达PI样品的表面，PI样品放在六维平移台 上，随着平移台移动；半透半反镜和照明灯、CCD组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；飞秒激光器、一维平移台、电控快门、六维平移台、照明灯、CCD通过信号线与计算机连接，由计算机控制。
2.一种实现对PI烧蚀或碳化的飞秒激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)搭建实现对PI烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统，该加工系统包括飞秒激光器、第一衰减片、第一光阑、第一反射镜、第二反射镜、第二衰减片、第二光阑、第三反射镜、第四反射镜、一维平移台、挡光板、第五反射镜、电控快门、二向色镜、加工物镜、六维平移台、半透半反镜、照明灯、CCD和计算机；所述的飞秒激光器有放大极和振荡极两个出光口，分别输出两种模式的飞秒激光，飞秒激光器的放大极输出的飞秒激光，经第一衰减片调节飞秒激光功率、第一光阑调节飞秒激光光斑直径后经第一反射镜反射；飞秒激光器的振荡极输出的飞秒激光经第二反射镜反射后通过第二衰减片调节飞秒激光功率、第二光阑调节飞秒激光光斑直径后经第三反射镜反射；第四反射镜安装在一维平移台上，第四反射镜根据平移台的位置调节反射飞秒激光器的放大极或振荡极输出的飞秒激光，当反射其中一种飞秒激光时，另一种飞秒激光则被挡光板吸收；飞秒激光经过第五反射镜反射后，通过电控快门，经过二向色镜反射，进入加工物镜，经过加工物镜聚焦，到达PI样品的表面，PI样品放在六维平移台 上，随着平移台移动；半透半反镜和照明灯、CCD组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；飞秒激光器、一维平移台、电控快门、六维平移台、照明灯、CCD通过信号线与计算机连接，由计算机控制；
(2)对飞秒激光加工系统进行调试：开启飞秒激光器，移动一维平移台的位置，使放大极激光被第四反射镜反射，调节第一光阑大小，使得激光光斑聚焦前的直径为8mm，调节第一衰减片使飞秒激光的功率，达到在PI样表面产生加工效果；设定电控快门为连续打开模式，调节六维平移台的高度，使固定功率下飞秒激光在PI样品表面扫线产生的线宽最小，完成飞秒激光加工系统的调试，飞秒激光通过加工物镜聚焦到PI样品表面；
(3)移动一维平移台的位置，使得放大极激光或振荡极激光通过加工物镜聚焦，在PI样品表面产生烧蚀或碳化加工效果，在加工过程中根据需要改变一维平移台的位置，改变加工模式，实现对PI烧蚀或碳化的飞秒激光加工。
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