摘 要

微细加工广泛应用于光电子器件、阵列芯片和集成技术等，传统微细加工技术具有刀具磨损、精度较低、工件要求较高和热影响较严重等问题，已经不能满足发展需求。而激光诱导等离子体微细加工（LIPMM）是一种可应用于多种材料加工且无需刀具的微细加工技术，通过入射超短脉冲激光诱导击穿介质产生高温高能量密度等离子体，以烧蚀与机械冲击的形式与工件相互作用达到去除材料的目的，其具有能量密度高、加工精度高、加工范围广等众多特点，因此进行“磁控皮秒激光诱导等离子体微细加工机理研究及实验平台设计”研究具有重要的理论意义和实际工程应用价值。

本文基于激光诱导产生等离子体、介质的选择、材料去除机制及微观形貌加工对皮秒脉冲激光诱导等离子体微细加工技术进行了机理研究，并分析了磁场调节对等离子体及微加工的影响。设计并搭建了磁控皮秒脉冲激光诱导等离子体微细加工实验平台，基于实验平台，通过皮秒脉冲激光击穿介质水产生等离子体并对304不锈钢进行微通道加工，发现磁场通过约束等离子体的自由扩散并压缩体积，可以显著影响等离子体形态，增加等离子体能量密度，减少热影响区大小，改善加工效果；在10kHz到80kHz范围内增加脉冲重复率可以显著增加微通道的宽度和深度，增加微通道纵横比。

关键词：皮秒激光；等离子体；磁场辅助；微纳加工；

Abstract

Micro-machining is widely used in optoelectronic devices, array chips and integrated technology. Traditional micro-machining technology has some problems, such as tool wear, low precision, high workpiece requirements and serious thermal influence, which can not meet the needs of development. Laser-induced plasma micro-machining (LIPMM) is a kind of micro-machining technology which can be used to process many kinds of materials without cutting tools. The high-temperature and high-energy density plasma is produced by the incident ultrashort pulse laser-induced breakdown medium, and the material is removed by the interaction with the workpiece in the form of ablation and mechanical shock. It has many characteristics, such as high energy density, high machining precision, wide processing range and so on. Therefore, the research on the mechanism of magnetically controlled picosecond laser-induced plasma micromachining and the design of experimental platform has important theoretical significance and practical engineering application value.

In this paper, the mechanism of picosecond pulse laser-induced plasma micromachining technology is studied based on laser-induced plasma, medium selection, material removal mechanism and micro-morphology processing. the effects of magnetic field adjustment on plasma and micromachining are analyzed. An experimental platform for plasma micromachining induced by magnetically controlled picosecond pulse laser is designed and built. based on the experimental platform, plasma is produced by picosecond pulse laser breaking medium water and microchannel processing of 304-stainless steel. It is found that the magnetic field can significantly affect the shape of the plasma, increase the energy density of the plasma and reduce the size of the heat-affected zone by restricting the free diffusion of the plasma and compressing the volume. Improve the processing effect; Increasing the pulse repetition rate in the range from 10kHz to 80kHz can significantly increase the width and depth of the microchannel and increase the aspect ratio of the microchannel.

Key words: Picosecond Laser; Plasma; Magnetic Field Assistance; Micro-nano machining;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的和意义 2

1.3 国内外研究现状 4

1.3.1 国外研究现状 4

1.3.2 国内研究现状 6

1.4 研究内容、研究方案及结构安排 6

1.4.1 研究内容 6

1.4.2 研究方案 6

1.4.3 结构安排 7

1.5 本章小结 8

第2章 激光诱导等离子体微细加工（LIPMM）机理分析 9

2.1 激光诱导产生等离子体 9

2.1.1 等离子体的产生 9

2.1.2 等离子体产生概率 10

2.1.3 击穿阈值 12

2.2 介质的选择 13

2.3 材料去除机制 14

2.3.1 入射激光与等离子体之间的能量转化 15

2.3.2 热烧蚀机制去除材料 16

2.3.3 机械冲击机制去除材料 16

2.4 微观形貌加工 18

2.5 本章小结 19

第3章 外加磁场对等离子体影响规律研究 21

3.1 动力学行为 21

3.2 密度 22

3.3 温度和能量密度 22

3.4 膨胀半径 23

3.5 持续时间 24

3.6 加工效果 24

3.7 本章总结 25

第4章 实验装置和平台设计 26

4.1 实验装置总体设计 26

4.1.1 平台设计 26

4.1.2 激光器选型 27

4.2 激光光路传输设计 28

4.3 高精密位移平台设计 29

4.4 可控辅助磁场设计 30

4.5 其他辅助设备 31

4.6 本章小结 33

第5章 磁控皮秒脉冲激光诱导等离子体微细加工实验研究 34

5.1 皮秒脉冲激光诱导等离子体实验 34

5.1.1 实验条件设置 34

5.1.2 加工效果对比及总结 35

5.2 皮秒脉冲激光诱导等离子体加工304-不锈钢微通道实验 39

5.2.1 实验条件设置 39

5.2.2 加工效果对比及总结 40

5.3 本章小结 43

第6章 结论及展望 44

6.1 结论 44

6.2 展望 44

参考文献 45

致谢 48

第1章 绪论

1.1 研究背景

微纳米结构是一种在微纳尺度上具有特殊性质的人造结构^[1]。因为微纳米结构具有独特的光学、电学、磁学和热学性质，因此对于微纳米结构的研究和制备具有相当大的研究意义和应用前景^[1]。目前微细加工技术已经在光子学、微电子器件、集成电路、生物医学中得到了广泛应用：通过微细加工技术得到的微细表面纹理结构具有超疏/亲水性、低粘附性、减阻性特性；研究微纳米结构模拟医学病理环境进行医学研究；在微纳米通道控制流体作用于化学、生物研究。

传统的微细加工技术包括：微细电火花加工和机械微细加工、光刻技术、聚焦离子束技术（FIB）、聚焦电子束加工(FEB)及其光刻技术等。但是传统微细加工技术具有工具磨损、加工效率低、加工要求较高、材料去除率较低等各种局限性：基于工具的加工会产生由于刀具磨损造成的几何精度降低、导电电极和工件的要求高等问题；传统聚焦离子束加工（FIB）可以进行纳米、微米的高精度刻蚀，并且可以对微细结构进行操控，但是由于刻蚀中存在溅射过程，会产生再沉积效应，从而阻碍刻蚀效率、影响刻蚀效果；并且传统聚焦离子束加工（FIB）的加工材料受限，在加工不导电样品时，带正电荷的离子会积累在样品表面从而干扰后续的离子束加工，导致加工偏离设计好的扫描方案^[2]；聚焦电子束加工（FEB）通过电子束的高度聚焦，电子束束斑直径已经可以达到nm、μm量级，可以实现精准加工，可应用于三维结构器件的加工，但是如果不使用光刻胶以及前驱体气体，为了实现微细加工要求，聚焦电子束需要极高的能量密度（10⁹/cm²），因此加工要求较高，材料的去除率较低；并且因为入射电子的前散射和背散射而产生的电子束邻近效应会使曝光图形变形，致使图形失真。此外，为保证电子光学系统的稳定运行，电子束加工对设备和系统的真空度要求较高，尽管现在已经出现了局部真空下的加工方式，但是仍对微细加工在生产中的应用造成了一定的限制。