專(zhuān)利名稱(chēng)：通過(guò)激光燒蝕加工材料的方法和通過(guò)該加工方法加工的材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用激光燒蝕加工材料的方法，還涉及采用該加工方法 加工的材料，特別地涉及一種用于加工具有受到脈沖寬度變化較小負(fù)面作用 的區(qū)域的材料的方法，其采用具有在該區(qū)域范圍內(nèi)的脈沖寬度的激光束。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)地，已經(jīng)廣泛實(shí)行將強(qiáng)烈、局部集中的激光束(光)直射到材料上 從而在材料的輻射部分產(chǎn)生物理或化學(xué)變化，用于加工，例如焊接、熔化再 結(jié)晶、鉆孔和切斷。當(dāng)執(zhí)行上面的操作時(shí)，與連續(xù)波振動(dòng)相比較，脈沖的振動(dòng)具有如下特征可通過(guò)改變振動(dòng)頻率，控制激光輸出光；由于每個(gè)脈沖的 發(fā)射能量能夠提高，所以基于激光能量輻照物質(zhì)可具有相當(dāng)大精度；并且由 于發(fā)射能量的峰值高，所以甚至當(dāng)平均輸出相對(duì)低時(shí)加工能力也高；等等。 因此，脈沖激光束被廣泛應(yīng)用于加工金屬、活生命體、樹(shù)脂和類(lèi)似的物質(zhì)。 此外，已經(jīng)提出了具有小脈沖寬度(短持續(xù)時(shí)間)特別是脈沖寬度在飛 秒(10'15)時(shí)標(biāo)的激光束的使用，目的是局部集中激光燒蝕、減少對(duì)鄰近加 工點(diǎn)的周?chē)鷧^(qū)域的負(fù)面作用和在材料的內(nèi)部或外部的期望圖案中引發(fā)破壞 (國(guó)際公開(kāi)第95/27587號(hào)冊(cè)子(見(jiàn)專(zhuān)利文件1 ))。 專(zhuān)利文件1:國(guó)際7>開(kāi)第95/27587號(hào)冊(cè)子發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問(wèn)題然而，當(dāng)采用具有小激光脈沖寬度(短持續(xù)時(shí)間)的激光束、特別是飛 秒的激光束時(shí)，如專(zhuān)利文件l中所示，認(rèn)為顯示了流量破壞閾值(fluence breakdown threshod)例如燒蝕閾值與激光脈沖寬度之間關(guān)系的圖表限定為曲 線，且表現(xiàn)為快速且明顯的在曲線斜率方面的變化。這意味著燒蝕閾值隨激 光脈沖寬度的改變而發(fā)生巨大改變。然而，由于激光具有大的輸出和高密度 能量，所以很難準(zhǔn)確控制用于加工材料的激光的脈沖寬度。因此，傳統(tǒng)地，
當(dāng)采用具有小激光脈沖寬度的激光束、特別地采用飛秒的激光束加工材料 時(shí)，為了確保高精度認(rèn)為各種措施都是必要的。本發(fā)明的目標(biāo)就是提供一種 通過(guò)激光燒蝕加工材料的方法，在其中輕易地控制激光脈沖寬度且高效地執(zhí) 行高精度的加工操作，以及提供一種通過(guò)該加工方法加工的高精度材料。 解決問(wèn)題的方法通過(guò)直射脈沖激光到材料上同時(shí)改變不同種類(lèi)的參數(shù)例如激光波長(zhǎng)、激 光脈沖寬度、工件材料與激光束的對(duì)焦點(diǎn)之間的距離和類(lèi)似的參數(shù)，發(fā)明者堅(jiān)持不解地工作從而找到更好的加工技術(shù)。最終，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)了對(duì)于特定 材料，在特定激光脈沖寬度的區(qū)域內(nèi)，激光脈沖寬度和經(jīng)由燒蝕的材料的破 壞閾值之間，加工上存在高度優(yōu)選的關(guān)系，并且完成了本發(fā)明。本發(fā)明為 一種采用脈沖激光束經(jīng)由激光燒蝕加工材料的方法。該方法的 特征為當(dāng)采用沿水平軸以皮秒描繪激光脈沖寬度和沿垂直軸以J/cm"描繪 燒蝕閾值的兩對(duì)數(shù)圖表示激光脈沖寬度與燒蝕閾值之間的關(guān)系時(shí)，具有在其 中兩對(duì)數(shù)圖顯示出斜度不大于0.5的直線形狀的線的區(qū)域的材料通過(guò)具有在 該區(qū)域內(nèi)的激光脈沖寬度的脈沖激光束來(lái)加工。由于使用激光燒蝕的加工是在表示燒蝕(燒蝕材料的中性原子和正/ 負(fù)電性離子的噴射)閾值和激光脈沖寬度的關(guān)系的對(duì)數(shù)圖顯示為直線形狀的 線的范圍內(nèi)進(jìn)行的，依照本發(fā)明激光脈沖寬度輕易地得到控制。如果圖的斜度(與水平軸所呈角度)很大，那么甚至在該線為直線形狀 的區(qū)域內(nèi)燒蝕閾值也隨變化的激光脈沖寬度而變化巨大。然而，依照本發(fā)明， 由于圖的斜度不大于0.5 ，由激光脈沖寬度的變化？ 1起的對(duì)燒蝕破壞的負(fù)面 影響能夠得到最小化且高度準(zhǔn)確的加工可以進(jìn)行得穩(wěn)定且有效率，結(jié)果通過(guò) 本發(fā)明的方法提供了 一種高精度的材料。由于測(cè)量誤差、材料的不均勻性和類(lèi)似的情況，用在這里的術(shù)語(yǔ)"直線 形狀的線，，并不是必要地意味著在圖中所有的測(cè)量點(diǎn)都在一條直線上。因此 它包括一些點(diǎn)位于直線的上方或下方或測(cè)量點(diǎn)位于帶狀區(qū)域中的那些情況。 指出由于數(shù)字的位數(shù)可變得很大如果采用飛秒(10—15秒)為單位代替皮秒， 在此原則上使用皮秒(10一秒)為單位用于激光脈沖寬度。有機(jī)高分子材料可以被主要提出作為具有在其中圖顯示出斜度不大于 0.5的直線形狀的線的區(qū)域的材料，盡管本發(fā)明并不局限于此。也就是說(shuō)， 依照本發(fā)明，當(dāng)在兩對(duì)數(shù)圖中激光脈沖寬度由以皮秒為單位的水平軸表示且 燒蝕閾值由以J/cm2為單位的垂直軸表示時(shí)，通過(guò)確定是否該材料對(duì)應(yīng)于在 其中該圖顯示為斜度不大于0.5的直線形狀的線的區(qū)域，任何具有顯示出如 此直線形狀的線的區(qū)域的材料能夠被選擇作為目標(biāo)材料從而經(jīng)由本發(fā)明的 方法進(jìn)行加工，包括其中流量破壞閾值與激光脈沖寬度之間的關(guān)系已被認(rèn)為 在斜率方面表現(xiàn)出快速且明顯的變化的材料。通過(guò)采用具有該區(qū)域內(nèi)的激光 脈沖寬度的脈沖激光，高精度的加工能夠在以這種方式選擇出的材料上有效 率的進(jìn)行，而不需要采取其他各種措施。依照本發(fā)明的材料的特征為通過(guò)利用上面提到的激光燒蝕的材料加工方法進(jìn)行加工。由于經(jīng)由上面提到的加工方法進(jìn)行加工，所以能夠提供高精度的材料。本發(fā)明的效果依照本發(fā)明，盡管在激光脈沖寬度方面的一些改變，具有適合被輻照的 材料的加工能量的激光束能夠穩(wěn)定地直射到該材料上。因此，便于控制激光脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確且有效率的加工。


圖1顯示在激光脈沖寬度0.135皮秒情況下激光能量和加工直徑之間的 關(guān)系。圖2顯示激光脈沖寬度和燒蝕閾值之間的關(guān)系。
具體實(shí)施方式
在本實(shí)施例中，延伸的聚四氟乙烯(PTFE)多孔體， 一種被認(rèn)為很難 以高精確度加工的有機(jī)高分子材料，被選擇為用于實(shí)驗(yàn)的材料。用于本實(shí)驗(yàn) 的延伸的PTFE對(duì)應(yīng)于經(jīng)由日本專(zhuān)利公開(kāi)第42-13560號(hào)中描述的方法和類(lèi)似 的方法制造的材料，且為一種具有60%孔隙率、膜厚60|im且平均孔直徑 0.1pm的層狀材料。該層的整個(gè)表面通過(guò)靜電力的方法完全粘附到樣品支撐 架上，接著實(shí)施了具有對(duì)每個(gè)激光脈沖寬度不同的激光能量的脈沖激光的輻 射。由于鈦藍(lán)寶石能夠振蕩激光具有最高的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，所以采用具有 800nm波長(zhǎng)的鈦/藍(lán)寶石激光。實(shí)驗(yàn)以脈沖寬度為0.135皮秒、0.183皮秒、 0.189皮秒、0.305皮秒、0.7皮秒和400皮秒實(shí)施。 (實(shí)驗(yàn)結(jié)果)(1 )加工痕跡的形狀圖1顯示當(dāng)激光直射到材料上其能量從7.25mJ改變到212^J的附近、脈 沖寬度0.135皮秒、頻率10Hz且激光點(diǎn)直徑44pm時(shí)，加工直徑和激光能量 的關(guān)系。相似地在圖1中，示出基于加工直徑和激光能量?jī)烧叩睦碚撝档睦?論曲線用于比較。指出當(dāng)激光的空間分布為高斯形狀時(shí)該理論值公知以下面 的公式表達(dá)D=ax{ln (F/Fth) }1/2 其中D為加工直徑，a為激光點(diǎn)直徑，F(xiàn)為激光能量和Fth為燒蝕閾值數(shù)值。 此外，圖1中，每個(gè)點(diǎn)顯示為測(cè)量點(diǎn)，且對(duì)于每個(gè)點(diǎn)的水平和垂直線段顯示 為誤差條。從圖1的結(jié)果清楚的看到，由實(shí)驗(yàn)得到的值靠近理論值，也就是， 這可確定用于實(shí)驗(yàn)的材料已經(jīng)以高度準(zhǔn)確性加工了 。 (2)激光脈沖寬度和燒蝕閾值之間的關(guān)系此后，評(píng)價(jià)激光脈沖寬度和燒蝕閾值之間的關(guān)系。也就是說(shuō)，參考圖1 中具有加工直徑D-O的流量，在應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的材料的情況下，激光脈沖寬度 0.135皮秒時(shí)燒蝕閾值為7.5mJ，也就是，當(dāng)用流量(能量密度)表達(dá)時(shí)得到 0.5J/cmM乍為結(jié)果。隨后，在上面提到的材料上采用其他激光脈沖寬度實(shí)施相似的實(shí)驗(yàn)，以 通過(guò)比較具有理論曲線的圖確定實(shí)現(xiàn)了高精度的加工，也用來(lái)確定對(duì)于每個(gè) 激光脈沖寬度的燒蝕閾值。結(jié)果顯示在圖2中。圖2中，水平軸顯示以皮秒 為單位、對(duì)數(shù)標(biāo)度的激光脈沖寬度。相似地，垂直軸顯示以J/cn^為單位、 對(duì)數(shù)標(biāo)度的燒蝕閾值(能量密度)。每個(gè)點(diǎn)顯示為測(cè)量點(diǎn)，且對(duì)于每個(gè)點(diǎn)的 垂直線段顯示為誤差條。從圖2可見(jiàn)，表達(dá)激光脈沖寬度和燒蝕閾值間關(guān)系的圖的斜率約為0.26， 也就是，小于0.5,對(duì)于用于實(shí)驗(yàn)的材料，其為中等的線性斜度。此外，確 定的是在該關(guān)系的斜率中沒(méi)有快速且明顯的變化。也就是說(shuō)，就用于實(shí)驗(yàn)的 材料來(lái)說(shuō)，可以理解的是由于激光脈沖寬度和燒蝕閾值之間的這種關(guān)系，即 使激光脈沖寬度改變，燒蝕閾值只受到較小的負(fù)面影響。因此，變得易于控 制激光脈沖寬度且以高精度高效率地加工材料。由于前面所述，表達(dá)激光脈 沖寬度和燒蝕閾值間關(guān)系的圖的斜率優(yōu)選地不大于0.40,更優(yōu)選地不大于 034。圖2中所示的測(cè)量點(diǎn)分別為對(duì)于脈沖寬度0.135皮秒、0.183皮秒、0.189
皮秒、0.305皮秒、0.7皮秒和400皮秒，以及對(duì)于每個(gè)脈沖寬度的燒蝕閾值 分別為0.50J/cm2、 0.75J/cm2、 0.44J/cm2、 0.75J/cm2、 0.99J/cm2和3.87J/cm2。意味著本發(fā)明的范圍通過(guò)附加的權(quán)利要求的條款來(lái)表達(dá)，而不是通過(guò)上述描 述來(lái)表達(dá)，且包括了在權(quán)利要求及其等價(jià)物的意義和范圍內(nèi)的所有修改。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)采用脈沖激光束的激光燒蝕加工材料的方法，其中當(dāng)采用沿水平軸以皮秒描繪的激光脈沖寬度且沿垂直軸以J/cm2描繪的燒蝕閾值的雙對(duì)數(shù)圖表示激光脈沖寬度與燒蝕閾值之間的關(guān)系時(shí)，具有所述雙對(duì)數(shù)圖顯示出斜度不大于0.5的直線形狀的線的區(qū)域的材料通過(guò)具有在所述區(qū)域內(nèi)的激光脈沖寬度的脈沖激光束來(lái)加工。
2. —種材料，通過(guò)依照權(quán)利要求1經(jīng)由激光燒蝕加工材料的方法加工該 材料。
全文摘要
為了易于控制激光脈沖寬度和進(jìn)行高精度加工，依照本發(fā)明的通過(guò)激光燒蝕加工材料的方法的特征為當(dāng)采用沿水平軸以皮秒描繪的激光脈沖寬度和沿垂直軸以J/cm²描繪的燒蝕閾值的雙對(duì)數(shù)圖表示激光脈沖寬度與燒蝕閾值之間的關(guān)系時(shí)，具有雙對(duì)數(shù)圖顯示出斜度不大于0.5的直線形狀的線的區(qū)域的材料通過(guò)具有在該區(qū)域內(nèi)的激光脈沖寬度的脈沖激光束來(lái)加工。
文檔編號(hào)B23K26/40GK101128280SQ20068000614
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2006年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月2日
發(fā)明者三島英彥, 增田泰人, 奧田泰弘, 橋田昌樹(shù), 清水政二, 綿谷研一, 阪部周二 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社