超快激光在精密加工及微納制造領域的廣泛應用

飛秒激光可以高效實現微米級尺寸、特殊形狀、精度的加工，材料表面無熔化痕迹，邊緣光滑、清潔，無飛濺物。

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應用舉例

1）锂離子電池電極材料精密切割；

2）锂離子電池焊具材料的精密刻蝕；

3）血管支架的精密切割；

4）飛機發動機葉片精密打孔；

5）手機面屏的精密切割；

6）陶瓷面闆的精密切割與刻蝕；

超快激光：未來精細加工新趨勢

快激光與傳統激光還是有所區别。傳統激光是利用光的熱效應對材料進行加工，而快激光采用的超短脈沖激光是利用場效應進行加工，不僅可以達到更高的精度，并且不會對材料表面造成損傷，超短脈沖激光的整個加工過程中理論上不産生熱，因此稱為“冷加工”。超短脈沖激光另一個特性是瞬時功率非常高，高到可以直接使材料電離，打斷材料的分子鍵。這種瞬時功率可以達到甚至超過全世界電網的平均功率。

由于上述特點，賦予了快激光在精細加工方面的突出優勢。不僅可以實現高加工精度，并且由于無損加工，可以達到很高的表面精度和質量。對超硬、耐高溫等衆多傳統方式難以加工的材料也具有極好的适用性，同時可以加工一些極其複雜的微結構。

快激光微納加工是一種特種超精細加工技術，由于具有極大瞬态功率的超短脈沖光與物質強烈的非線性相互作用，使加工技術适用于各種材料，對于透明介質，可以在其内部制備三維結構。其“特”就表現在可以加工特種材料、可以實現特殊結構和特定的光、電、機械等性能。精密微細、低損低熱、三維選擇，這些優勢，使得快激光微加工在航空航天、生物醫療、信息技術、新能源、新材料等産業日益得到應用。

我國制造業整體呈現出由低端走向高端的趨勢，因此快激光每年增長率要比傳統激光更高，它代表着未來的一個發展方向。

裝備制造業是國民經濟發展的基礎性産業，制造業的未來趨勢必将是智能化、自動化，而以激光、機器人、3D打印、大數據、雲計算等新興技術為核心的智能制造将是未來制造業發展的必然趨勢，并将在傳統産業的轉型升級和結構性調整中扮演十分重要的角色。快激光作為激光微加工2.0的标配利器，在近幾年工業界越來越受重視。其特殊的冷加工和非線性吸收機理使得激光加工對材料的适用性大大增強。

快激光産業化應用已經越來越廣泛，比如半導體行業，電子消費領域等。多種激光技術已經整合進入許多重要的半導體工藝中，受母版推動的包括激光切割、通孔、焊接/接合、剝離、标記、圖案形成、測量、沉積。它們廣泛用于加工半導體器件，高密度互聯（HDI）印刷電路闆（PCB），以及集成電路（IC）封裝應用等。當前智能手機設計潮流向着全面屏的方向不斷演進，屏占比數值明顯提升，但是由于前置攝像頭、聽筒、距離傳感器等部件的存在，出現了“劉海屏”、“挖孔屏”等多種異形屏，如何對藍寶石等硬度高且熱脆性的面闆材質進行加工，成為考驗加工工藝的難題，而快激光加工則可以提供良好的解決方案。

包括在食品加工設備、船艦水下部分以及醫療植入物等領域，快激光也被廣泛應用于抗菌抑菌表面。微生物粘附在材料表面并生長形成生物被膜（biofilm）的現象，會對人們的生命和财産安全造成威脅。例如，在醫療植入物中，細菌傾向于附着在植入材料上，不僅會導緻感染、排斥，嚴重時甚至會直接導緻患者死亡。即使可以通過二次手術對植入材料進行替換，但這不僅會造成醫療資源的浪費，也會給患者的身體和經濟上帶來壓力。

生物被膜一旦形成就難以根除，因此，防止細菌的初始粘附才是解決生物被膜的根本方法。細菌粘附的影響因素有很多，包括細菌和材料的種類、外界環境等，但更重要的是材料表面的化學成分、潤濕性、粗糙度和表面形貌等，因此，可以通過對材料表面進行化學改性和物理改性來得到抗菌表面。化學改性有着本質缺點，例如存在潛在毒性和使細菌産生耐藥性等。相比而言，對材料表面形貌的物理改性更加根本、長久、環保、生物相容性好。

自然界中一些生物表面具有獨特的、有着抗菌效果的微納結構，例如蟬翅表面的納米錐結構、蜻蜓翅膀的納米團簇結構、蛾眼的納米主結構等，如圖1所示。

圖1 自然界中的抗菌表面

人們利用仿生學手段，基于上述結構，構建了多種具有良好抗菌性能的微納結構表面，例如納米管、納米線、納米尖刺等。随着超快激光制備技術的發展，其強大的微米結構制備能力和可以同時誘導出多種納米結構的能力，使其在衆多物理改性方法中脫穎而出，成為制備抗菌表面有效的手段之一。例如，激光誘導周期性表面結構(LIPSS)以及LIPSS與微米溝槽的複合結構等均具有良好的抗菌性能，如圖2所示。而這主要是由于細菌粘附在微納結構表面時，細菌膜由于拉伸作用破裂，導緻細菌死亡，從而抑制生物被膜的形成，如圖3所示。

圖2 快激光制備的抗菌表面

圖3 微納結構抗菌的物理機制

激光在各個行業有很多較強的應用場景，研究發現，物質的表面成分和微觀結構能夠明顯影響界面結合情況。界面處成分相容性好，可以發生化學反應生成界面産物時，界面通過化學鍵力相結合，能夠獲得極大的結合強度；相容性不佳時，界面隻能依靠粗糙界面的機械咬合作用和分子間作用力結合，結合相對較弱。在物質表面引入微觀結構，在兩種材料能夠充分接觸時，能夠在增強機械咬合的同時明顯增大物質間實際接觸面積，從而增強界面結合；而在材料不能接觸充分時，将極大地減小實際接觸面積，對界面結合起到削弱效果。

圖二 表面結構對界面結合的影響

(1)光滑表面物質接觸情況；(2)表面結構存在，物質微觀充分接觸時，實際接觸面積更大，界面結合較強；(3)表面結構存在，物質微觀接觸不良時，實際接觸面積更小，存在薄弱部位，界面結合較弱

快激光是一種高效強大的表面制備改性手段，幾乎可以作用于所有固體，在微納結構制備上擁有明顯優勢。它具有可控改變物質表面成分并同時制備圖案化微結構表面的能力，對界面結合能夠起到顯著的調節效果，是調整界面結合強有力的手段。利用快激光表面改性調控界面間的結合已在焊接、減阻、傳熱、脫模等多個領域得到充分的研究與應用，具有巨大的潛力，有望得到大規模的普遍應用。

圖三 超快激光處理增強界面結合的實例

銅與鎢之間因快激光制備得到的表面結構增大了實際接觸面積，而有了更強的機械結合強度和更高的導熱能力，界面結合強度超過銅基體的拉伸強度

圖四 激光制備微結構表面減少界面處材料間的實際接觸面積，從而減弱界面結合粘附作用的實例

在目前衆多材料制備手段中，快激光作為一種可以快速、可調控地制備精細微納結構的工具，成為了目前微納結構的主流方法和熱點之一。經快激光刻蝕後，材料表面具有豐富的微米-納米分級結構。其中微米結構通過“幾何陷光”和多次内反射來提高光的吸收，而納米結構則通過增強等離激元共振來進一步促進吸光。這種微納複合結構極大地增強了光吸收率，通過将吸收的光轉變為電能或熱能，可以大幅度地提升材料的光電和光熱轉變率。

通過一種基于快激光脈沖注入調控的金屬表面微米-納米雙尺度複合結構雙級調控制備新方法，通過對快激光加工過程中脈沖注入數量和注入方式的靈巧控制，實現了對微米尺度結構和納米尺度結構的分别有效調控，從而可以同時發揮微米尺度結構的幾何陷光效應和納米尺度結構的等效介質效應，終達到優異的高效抗反射性能。該方法對于Cu、Ti、W等多種金屬均有效，可在其表面分别獲得1.4%，0.29%，2.5%的已知低金屬表面反射率，是一種在金屬表面可控構建微納米複合功能結構的通用方法。

表面微納米複合結構在抗反射、自清潔、高效催化等領域具有重要應用，而表面微納米結構的可控制備是其中的核心問題。快激光加工作為一種微納米制造方法，已為人們所熟知，并在微米尺度結構的高效靈活可控加工方面具有突出優勢，但其所形成的納米結構多為微米結構加工過程中誘導而成，無法對其進行有效的控制。其他納米制造手段，如電子束光刻、化學合成等，雖然可以形成可控的納米結構，但無法有效構建出微納米複合的結構特征。本應用方法，打破了之前快激光隻能可控加工微米尺度結構的限制，在微米-納米雙尺度結構的雙級分别可控制備方面邁出紮實一步，為表面微納米複合功能結構的有效構建提供了新的思路和方法。

“以高科技技術為驅動力，在快激光與納米新材料應用領域深耕挖掘，将創造良好的社會效益和經濟價值，願為中國向高端制造轉型提供技術支持和保障。

擁有自行研發的國際領先的專利技術，已獲批與申請18項目發明專利，形成50多項專門訣竅，構成系統自主知識産權，産生重要國際影響，形成了強大的技術儲備、知識産權儲備和綜合實力。“鐳納激光”基于一系列核心技術，開拓消費電子、檢測、航天航空、醫療、新能源、安防、汽車等衆多行業的産業應用。

首席科學家為國際知名的激光加工專家，擁有國際和國内行業資源，目前已與國際國内知名合作機構建立了12個快激光聯合實驗室，實現軟硬件的強強聯合，共同緻力于快激光的工業化前沿創造應用與市場發展。

擁有國際一流的快激光裝備（百瓦級高功率三波長飛秒激光器、百瓦級高功率皮秒激光器、綠光和紫外皮秒激光器、多種納秒激光器），配套數控精密加工系統，擁有20多年宏觀激光加工和微納米精密激光加工研究積累，具有強大的快激光精密加工實力，承接快激光精密加工對外技術服務，包括激光表面微納結構化（超疏水）、激光精密加工、激光精密鑽孔、激光精密切割、激光精密焊接、激光燒蝕成形(激光精密雕刻)、激光精密清洗和激光精密抛光等業務。