激光切割机的工作原理激光切割机刻蚀

    激光切割机的工作原理在前面有介绍，当激光束辐照在材料表面，一部分被反射（记为R）；透过的部分在材料内部被吸收，强度相应衰减。衰减规律按比尔定律吸收系数的倒数记作光学穿透深度，在光学穿透深度以下，激光切割机激光强度降到入射时的1/e.提出光分解烧蚀模型中，发色团吸收辐射。当受激的发色团密度超过一定阈值后，大分子分解为小的挥发性物质，从体材表面以很高的速度逃逸，并带走吸收激光能量的大部分。当在体材内的激光切割机激光强度按比尔定律减少时，受激发色团的强度也减小，直到在一定深度h处达到分解阈值e.通过重演比尔定律和导出表达式e=I*T（T：激光脉冲长度），烧蚀深度可以表述为两个材料参数a和e和激光通量e的函数由于实际的原因，项（1-R）被忽略，既然反射率R对高聚物而言是0.05（垂直入射）。

     典型的激光切割机刻蚀率曲线所示，该反映聚酰亚胺对不同波长的烧蚀情况。刻蚀率正好在1um/脉冲，说明单脉冲去除几百个纳米的薄层是可能的。上面公式（6-47）的关系符合数据的半对数拟和线；数据点的数值评价可以导致a和e的求导。简单的激光切割机模型和实验结果对大多数高聚物在较低光通量时（≈lOe）较接近，上面的求导可导致较陡的线型（见图6.24中308nm的数据线）或更平的斜线（见图6. 33中193nm的线型）.这一原因可以在光化学过程影响吸收性能和退化动力学中发现，在此处不再详细讨论。一般情况，激光切割机烧蚀速率取决于材料、波长、周围大气和光束的几何参数。

       值得一说的显著特征是烧蚀羽辉的形成。当激光切割机中激光束达到材料表面，很快材料就会以气体、团簇和微粒的形式向外喷出。高速摄影捕捉图像显示在激光脉冲前沿到达几纳秒后，气化就开始产生，冲击波也得以形成。在整个准分子激光脉冲期间（FWHM为10~30ns），激光切割机激光辐射和材料间相互作用的过程一直存在.一般每个脉冲的去除深度定义为刻蚀率或刻蚀系数，以um/pulse表示。以高聚物的准分子激光刻蚀加工为例的激光刻蚀工艺。

        激光切割机刻蚀率就是材料从激光脉冲的曝光区域去除的速度。研究聚合物刻蚀zui简单有效的方法就是测量激光切割机的刻蚀率。在准分子激光切割机刻蚀聚合物材料的研究中，刻蚀率是一个重要的参数，刻蚀率高则意味着激光切割机加工效率高。现在已经知道了很多种类的聚合物和很大范围的激光波长相互作用的刻蚀率，对于波长为248nm的准分子激光切割机，聚氨酯（PUR）zui高刻蚀率为1.3um/pulse，有机玻璃（PMMA）为4.2um/pulse，聚四氟乙烯（PTFE）和聚乙烯对苯二甲酯（PET）为0.85um/pulse，聚碳酸酯（PC）为0.6um/pulse.

    用x表示刻蚀率，用F表示光通量。这里的刻蚀率定义为单激光切割机脉冲固体表面的刻蚀深度，通常由测量出的n个脉冲产生的刻蚀深度h导出，即x=h/n.刻蚀率和入射激光波长、聚合物的有效吸收系数、脉冲重复频率、脉冲数、激光入射能量等都有关系。

    脉冲重复频率对刻蚀率的影响主要表现为PRR（pulse repetition rate，激光切割机激光脉冲频率）效应，即激光脉冲频率的升高会导致刻蚀率的升高，这一效应与激光脉冲个数和激光能量之间也有着密切的关系。产生PRR效应的zui小重复频率，D为热扩散系数；a为有效吸收系数；n为脉冲个数。对于PMMA材料，在同～加工处所刻蚀的脉冲数n一般小于50，因此，脉冲频率至少为1340Hz以上才会产生PRR效应。在实际的操作中，激光切割机的激光频率工作一般为1～5Hz，出现PRR效应的脉冲个数在13000~67000之间。所以在低脉冲重频率的*刻蚀PMMA的过程中，PRR效应可以忽略不计。下面我们将着重研究刻蚀率和脉冲数、激光入射能量的关系。