通过激光烧蚀加工材料的方法和通过该加工方法加工的材料的制作方法

专利名称：通过激光烧蚀加工材料的方法和通过该加工方法加工的材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用激光烧蚀加工材料的方法，还涉及采用该加工方法 加工的材料，特别地涉及一种用于加工具有受到脉冲宽度变化较小负面作用 的区域的材料的方法，其采用具有在该区域范围内的脉沖宽度的激光束。
背景技术：
传统地，已经广泛实行将强烈、局部集中的激光束(光)直射到材料上 从而在材料的辐射部分产生物理或化学变化，用于加工，例如焊接、熔化再 结晶、钻孔和切断。当执行上面的操作时，与连续波振动相比较，脉冲的振动具有如下特征可通过改变振动频率，控制激光输出光；由于每个脉沖的 发射能量能够提高，所以基于激光能量辐照物质可具有相当大精度；并且由 于发射能量的峰值高，所以甚至当平均输出相对低时加工能力也高；等等。 因此，脉沖激光束被广泛应用于加工金属、活生命体、树脂和类似的物质。 此外，已经提出了具有小脉冲宽度(短持续时间)特别是脉冲宽度在飞 秒(10'15)时标的激光束的使用，目的是局部集中激光烧蚀、减少对邻近加 工点的周围区域的负面作用和在材料的内部或外部的期望图案中引发破坏 (国际公开第95/27587号册子(见专利文件1 ))。 专利文件1:国际7>开第95/27587号册子发明内容本发明要解决的问题然而，当采用具有小激光脉沖宽度(短持续时间)的激光束、特别是飞 秒的激光束时，如专利文件l中所示，认为显示了流量破坏阈值(fluence breakdown threshod)例如烧蚀阈值与激光脉冲宽度之间关系的图表限定为曲 线，且表现为快速且明显的在曲线斜率方面的变化。这意味着烧蚀阈值随激 光脉冲宽度的改变而发生巨大改变。然而，由于激光具有大的输出和高密度 能量，所以很难准确控制用于加工材料的激光的脉冲宽度。因此，传统地，
当采用具有小激光脉冲宽度的激光束、特别地采用飞秒的激光束加工材料 时，为了确保高精度认为各种措施都是必要的。本发明的目标就是提供一种 通过激光烧蚀加工材料的方法，在其中轻易地控制激光脉沖宽度且高效地执 行高精度的加工操作，以及提供一种通过该加工方法加工的高精度材料。 解决问题的方法通过直射脉冲激光到材料上同时改变不同种类的参数例如激光波长、激 光脉冲宽度、工件材料与激光束的对焦点之间的距离和类似的参数，发明者坚持不解地工作从而找到更好的加工技术。最终，发明者发现了对于特定 材料，在特定激光脉冲宽度的区域内，激光脉冲宽度和经由烧蚀的材料的破 坏阈值之间，加工上存在高度优选的关系，并且完成了本发明。本发明为 一种采用脉冲激光束经由激光烧蚀加工材料的方法。该方法的 特征为当采用沿水平轴以皮秒描绘激光脉沖宽度和沿垂直轴以J/cm"描绘 烧蚀阈值的两对数图表示激光脉冲宽度与烧蚀阈值之间的关系时，具有在其 中两对数图显示出斜度不大于0.5的直线形状的线的区域的材料通过具有在 该区域内的激光脉冲宽度的脉冲激光束来加工。由于使用激光烧蚀的加工是在表示烧蚀(烧蚀材料的中性原子和正/ 负电性离子的喷射)阈值和激光脉沖宽度的关系的对数图显示为直线形状的 线的范围内进行的，依照本发明激光脉冲宽度轻易地得到控制。如果图的斜度(与水平轴所呈角度)很大，那么甚至在该线为直线形状 的区域内烧蚀阈值也随变化的激光脉沖宽度而变化巨大。然而，依照本发明， 由于图的斜度不大于0.5 ，由激光脉沖宽度的变化？ 1起的对烧蚀破坏的负面 影响能够得到最小化且高度准确的加工可以进行得稳定且有效率，结果通过 本发明的方法提供了 一种高精度的材料。由于测量误差、材料的不均匀性和类似的情况，用在这里的术语"直线 形状的线，，并不是必要地意味着在图中所有的测量点都在一条直线上。因此 它包括一些点位于直线的上方或下方或测量点位于带状区域中的那些情况。 指出由于数字的位数可变得很大如果采用飞秒(10—15秒)为单位代替皮秒， 在此原则上使用皮秒(10一秒)为单位用于激光脉沖宽度。有机高分子材料可以被主要提出作为具有在其中图显示出斜度不大于 0.5的直线形状的线的区域的材料，尽管本发明并不局限于此。也就是说， 依照本发明，当在两对数图中激光脉沖宽度由以皮秒为单位的水平轴表示且 烧蚀阈值由以J/cm2为单位的垂直轴表示时，通过确定是否该材料对应于在 其中该图显示为斜度不大于0.5的直线形状的线的区域，任何具有显示出如 此直线形状的线的区域的材料能够被选择作为目标材料从而经由本发明的 方法进行加工，包括其中流量破坏阈值与激光脉沖宽度之间的关系已被认为 在斜率方面表现出快速且明显的变化的材料。通过采用具有该区域内的激光 脉冲宽度的脉冲激光，高精度的加工能够在以这种方式选择出的材料上有效 率的进行，而不需要采取其他各种措施。依照本发明的材料的特征为通过利用上面提到的激光烧蚀的材料加工方法进行加工。由于经由上面提到的加工方法进行加工，所以能够提供高精度的材料。本发明的效果依照本发明，尽管在激光脉沖宽度方面的一些改变，具有适合被辐照的 材料的加工能量的激光束能够稳定地直射到该材料上。因此，便于控制激光脉沖宽度，实现高度准确且有效率的加工。


图1显示在激光脉沖宽度0.135皮秒情况下激光能量和加工直径之间的 关系。图2显示激光脉冲宽度和烧蚀阈值之间的关系。
具体实施方式
在本实施例中，延伸的聚四氟乙烯(PTFE)多孔体， 一种被认为很难 以高精确度加工的有机高分子材料，被选择为用于实验的材料。用于本实验 的延伸的PTFE对应于经由日本专利公开第42-13560号中描述的方法和类似 的方法制造的材料，且为一种具有60%孔隙率、膜厚60|im且平均孔直径 0.1pm的层状材料。该层的整个表面通过静电力的方法完全粘附到样品支撑 架上，接着实施了具有对每个激光脉冲宽度不同的激光能量的脉沖激光的辐 射。由于钛蓝宝石能够振荡激光具有最高的稳定性和强度，所以采用具有 800nm波长的钛/蓝宝石激光。实验以脉冲宽度为0.135皮秒、0.183皮秒、 0.189皮秒、0.305皮秒、0.7皮秒和400皮秒实施。 (实验结果)(1 )加工痕迹的形状图1显示当激光直射到材料上其能量从7.25mJ改变到212^J的附近、脉 冲宽度0.135皮秒、频率10Hz且激光点直径44pm时，加工直径和激光能量 的关系。相似地在图1中，示出基于加工直径和激光能量两者的理论值的理 论曲线用于比较。指出当激光的空间分布为高斯形状时该理论值公知以下面 的公式表达D=ax{ln (F/Fth) }1/2 其中D为加工直径，a为激光点直径，F为激光能量和Fth为烧蚀阈值数值。 此外，图1中，每个点显示为测量点，且对于每个点的水平和垂直线段显示 为误差条。从图1的结果清楚的看到，由实验得到的值靠近理论值，也就是， 这可确定用于实验的材料已经以高度准确性加工了 。 (2)激光脉沖宽度和烧蚀阈值之间的关系此后，评价激光脉冲宽度和烧蚀阈值之间的关系。也就是说，参考图1 中具有加工直径D-O的流量，在应用于实验的材料的情况下，激光脉沖宽度 0.135皮秒时烧蚀阈值为7.5mJ，也就是，当用流量(能量密度)表达时得到 0.5J/cmM乍为结果。随后，在上面提到的材料上采用其他激光脉沖宽度实施相似的实验，以 通过比较具有理论曲线的图确定实现了高精度的加工，也用来确定对于每个 激光脉沖宽度的烧蚀阈值。结果显示在图2中。图2中，水平轴显示以皮秒 为单位、对数标度的激光脉沖宽度。相似地，垂直轴显示以J/cn^为单位、 对数标度的烧蚀阈值(能量密度)。每个点显示为测量点，且对于每个点的 垂直线段显示为误差条。从图2可见，表达激光脉冲宽度和烧蚀阈值间关系的图的斜率约为0.26， 也就是，小于0.5,对于用于实验的材料，其为中等的线性斜度。此外，确 定的是在该关系的斜率中没有快速且明显的变化。也就是说，就用于实验的 材料来说，可以理解的是由于激光脉沖宽度和烧蚀阈值之间的这种关系，即 使激光脉冲宽度改变，烧蚀阈值只受到较小的负面影响。因此，变得易于控 制激光脉冲宽度且以高精度高效率地加工材料。由于前面所述，表达激光脉 沖宽度和烧蚀阈值间关系的图的斜率优选地不大于0.40,更优选地不大于 034。图2中所示的测量点分别为对于脉沖宽度0.135皮秒、0.183皮秒、0.189
皮秒、0.305皮秒、0.7皮秒和400皮秒，以及对于每个脉冲宽度的烧蚀阈值 分别为0.50J/cm2、 0.75J/cm2、 0.44J/cm2、 0.75J/cm2、 0.99J/cm2和3.87J/cm2。意味着本发明的范围通过附加的权利要求的条款来表达，而不是通过上述描 述来表达，且包括了在权利要求及其等价物的意义和范围内的所有修改。
权利要求
1.一种通过采用脉冲激光束的激光烧蚀加工材料的方法，其中当采用沿水平轴以皮秒描绘的激光脉冲宽度且沿垂直轴以J/cm2描绘的烧蚀阈值的双对数图表示激光脉冲宽度与烧蚀阈值之间的关系时，具有所述双对数图显示出斜度不大于0.5的直线形状的线的区域的材料通过具有在所述区域内的激光脉冲宽度的脉冲激光束来加工。
2. —种材料，通过依照权利要求1经由激光烧蚀加工材料的方法加工该 材料。
全文摘要
为了易于控制激光脉冲宽度和进行高精度加工，依照本发明的通过激光烧蚀加工材料的方法的特征为当采用沿水平轴以皮秒描绘的激光脉冲宽度和沿垂直轴以J/cm²描绘的烧蚀阈值的双对数图表示激光脉冲宽度与烧蚀阈值之间的关系时，具有双对数图显示出斜度不大于0.5的直线形状的线的区域的材料通过具有在该区域内的激光脉冲宽度的脉冲激光束来加工。
文档编号B23K26/40GK101128280SQ20068000614
公开日2008年2月20日 申请日期2006年2月23日 优先权日2005年3月2日
发明者三岛英彦, 增田泰人, 奥田泰弘, 桥田昌树, 清水政二, 绵谷研一, 阪部周二 申请人:住友电气工业株式会社