金属材料脉冲激光刻蚀微加工的基础研究

摘要

本文研究了不同脉冲宽度的激光刻蚀金属铜靶的机理，通过等离子体静电探针测量，分析了材料表面纳秒脉冲刻蚀粒子的扩散机制和扩散速度；利用三维轮廓仪测量了纳秒脉冲刻蚀铜靶的深度随脉冲能量和气压的变化；通过数值模拟方法，讨论了1-20皮秒脉冲刻蚀金属铜靶时，热平衡刻蚀和非平衡静电场刻蚀两种机制的竞争；为了论文的完整性，概述了飞秒激光刻蚀金属材料的特征以及刻蚀的机理。通过研究得到的具体结论如下： 1．飞秒激光刻蚀金属铜靶时，热传导过程完全可以忽略(<100fs)电子在激光场的作用下高速喷出靶面，在靶的表面附近形成正、负电荷中心偏离的强静电场(非平衡场)。随着电子在激光场中进一步加速，该正负电荷分离场进一步增强，直至分离场对靶面离子的作用势能大于离子与靶材结合能时，靶离子被强行“拉”出靶材表面，从而实现刻蚀加工。 2．皮秒脉冲(1-20ps)激光刻蚀金属材料的过程则非常复杂，刻蚀过程中非平衡场刻蚀和热平衡刻蚀两种机制都起着不可忽视的作用。脉宽较短时，非平衡场刻蚀所占份额大于热平衡刻蚀份额，脉宽较长时反之。 3．纳秒激光脉冲刻蚀金属铜靶过程中热平衡刻蚀占主导地位，随着激光脉冲能量的增加，刻蚀机制由正常情况下的粒子蒸发转变为材料表面微层直接的液相爆破。环境压强会对等离子体扩散行为产生很大的影响，压强较高时，刻蚀出来的粒子聚集在靶材表面附近，大量吸收激光能量，阻碍刻蚀的进一步进行；纳秒刻蚀存在明显的热影响区，不仅降低了加工效率而且造成刻蚀质量和刻蚀精度的下降。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1本课题的研究背景

1.2国内外脉冲激光刻蚀研究现状

1.2.1脉冲激光技术的发展状况

1.2.2脉冲激光刻蚀研究的现状

1.3脉冲激光刻蚀金属材料的机理

1.4本文主要研究内容

第二章飞秒脉冲激光刻蚀金属概述

2.1引言

2.2飞秒激光刻蚀加工的机理及特点

2.3飞秒激光刻蚀金属的一维双温理论模型

2.4本章小结

第三章皮秒脉冲激光刻蚀金属材料研究

3.1引言

3.2皮秒脉冲刻蚀金属基本模型

3.3皮秒脉冲刻蚀金属的模拟结果及分析

3.4本章小结

第四章纳秒脉冲激光刻蚀金属材料的基础研究

4.1引言

4.2纳秒脉冲刻蚀金属材料的实验研究

4.2.1实验条件

4.2.2纳秒脉冲激光刻蚀金属材料的机理

4.2.3纳秒脉冲刻蚀粒子的扩散分析

4.3纳秒脉冲刻蚀金属材料的工艺

4.4纳秒脉冲刻蚀金属材料时电子离子温度的模拟

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢