펨토초 레이저 마이크로 머시닝
펨토초 레이저: 마이크로 머시닝 기본 설명
Femtosecond laser micromachining: A back-to-basics primer
by Lonnie Lucas and Jim Zhang, Applied Energetics Co. at Industrial Laser Solutions
펨토초 레이저 소스 검토, 기본 메커니즘 및 잠재적인 적용 분야 A review of laser sources, basic mechanisms, and potential applications
펨토초 레이저란 무엇이며, 레이저 마이크로 머시닝 (미세 가공) 이란 무엇인가?. The title above immediately leads to two questions: What is a femtosecond laser, and what is laser micromachining? Let’s start by discussing the first question.
펨토초 레이저 Femtosecond lasers
펨토초 (fs) 레이저는 일반적으로 초고속 및/또는 초단파 (USP) 레이저로 알려져 있다. 펨토초 레이저를 설명하는 데 사용되는 두 가지 중요한 매개 변수는 펄스 지속 시간 (폭)과 펄스 반복률 (PRR)이다. 도1에 도시된 펄스 지속 기간 (tp)은 또한 최대 반치폭 (FWHM) 크기라고도 한다.
Femtosecond (fs) lasers are also commonly known as ultrafast and/or ultrashort-pulse (USP) lasers. Two important parameters used to describe femtosecond lasers are pulse duration (width) and pulse repetition rate (PRR). The pulse duration (tp), shown in FIGURE 1, is also referred to as full width at half maximum (FWHM) amplitude.
FIGURE 1. 레이저의 펄스 지속 시간 또는 펄스 폭 The pulse duration or pulse width of a laser.
펄스 반복률 (PRR)은 펄스가 레이저에 의해 방출되는 주파수를 나타낸다. 예를 들어, 도2에서, PRR이 1kHz라면, 주기 T는 0.001 초 (T = 1 / PRR)와 동일 할 것이다.
The pulse repetition rate (PRR) describes the frequency with which pulses are emitted by the laser. For instance, in FIGURE 2, if the PRR was 1 kHz, then the period T would be equal to 0.001 seconds (T= 1/PRR).
따라서 펨토초 레이저에 대해 논의 할 때, 레이저는 1 ~ 999 fs 범위에서 펄스 지속 시간 (tp)을 갖는다. 레이저와 함께 사용되는 보다 일반적인 시간 척도 중 일부는 아래 표에 나와 있다.
Thus, when we are discussing a femtosecond laser, it has pulse duration (tp) in the 1-999 fs regimes. Some of the more common time scales used with lasers are shown in the table below.
FIGURE 2. 레이저의 펄스 반복율 (PRR) The pulse repetition rate (PRR) of a laser.
펨토초 (10-15 초)는 10억 분의 1 초당 백만 분의 1입니다. 다른 방법으로 말하면, 펨토초는 1 초에 비해 3천만 년 분의 1초와 비교된다.
초고속 레이저에 대해 논의 할 때 피크 파워 (Peak)와 평균 파워 (Pavg)의 두 가지 파라미터가 유용하다.
A femtosecond (10-15 seconds) is one quadrillionth, or one millionth of one billionth of a second. Put another way: a femtosecond compares to a second, as a second compares to 30 million years.
A couple of other parameters are useful when discussing ultrafast lasers: peak power (Ppeak) and average power (Pavg).
Ppeak (Peak power) = pulse energy / pulse duration.
Pavg (Average power) = pulse energy x pulse repetition rate.
tp = 100fs에서 Ep = 5mJ의 경우, 그러한 레이저의 피크 파워는 50기가 와트 (GW)가 될 것이고, 대형 발전소가 제공하는 것 (약 1GW)보다 몇 배 더 많을 것이다. 렌즈에 의해 초점이 맞춰지면 레이저 펄스는 공기 분자와 같이 초점이 맞춰진 물질을 파괴한다.
For the case of Ep =5 mJ in tp= 100fs, the peak power of such a laser would be 50 gigawatts (GW), many times more than what a large electrical power plant delivers (about 1 GW). When focused by a lens, these laser pulses will destroy any material placed in their focus, even air molecules.
레이저 미세가공 Laser micromachining
레이저 미세가공 시장은 원래 펨토초 레이저를 1990년대 초반에 인터넷으로 인식되는 "일반적인 지혜"만큼 많이 보았다. 전 세계의 많은 사람들이 그것에 의존 할 것으로 예상되는 사람은 거의 없었다. 그러나 20년간의 femtosecond R&D 이후, 이 레이저는 열 손상으로부터 자유로운 고정밀 홀 (의료용 스텐트 제작과 같은)의 드릴링 및 절단과 같은 "콜드"절삭에 응용되고 있다. 초고속 레이저는 열을 발생시키지 않고 물질을 증발시켜 재료를 가공하는 새로운 방법을 만든다. 그들은 거친 소재에 아주 작고 매우 정확한 패턴을 가공 할 때 특히 좋다.
The market originally viewed the femtosecond laser much as “conventional wisdom” perceived the Internet back in the early 1990s: hardly anybody anticipated that so many people around the world would depend on it, and for such a range of uses. But after 20 years of femtosecond R&D, this laser is now finding applications in “cold” ablation, notably the drilling and cutting of high-precision holes (such as in the production of medical stents) free from thermal damage. The ultrafast lasers essentially vaporize matter without generating heat, creating new ways to machine materials. They are particularly good at machining very small, very precise patterns in tough materials. 1
FIGURE 3. 레이저 마이크로 제작 워크스테이션 Laser micro fabrication workstation.
그림 3은 레이저 절삭, 견고한 재료의 표면 구조, 도파관의 작성 및 미세 유체에 사용하도록 설계된 탁상용 레이저 마이크로 제작 워크 스테이션 인 Applied Energetics Laser Microfab (μFAB)을 보여준다. 절삭 응용 분야에서 종종 사용되는 관련 산업 자재에는 금속, 폴리머, 반도체, 유리 및 세라믹이 있다.
FIGURE 3 shows the Applied Energetics Laser Microfab (µFAB), a tabletop laser micro fabrication workstation designed for use in laser ablation, surface structuring of tough materials, writing of waveguides, and microfluidics. Relevant industrial materials often used in ablation applications include metals, polymers, semiconductors, glasses, and ceramics.
초고속 레이저의 형태 Types of ultrafast lasers
초고속 레이저 마이크로 머시닝 (ultrafast laser micromachining)은 초고속 (펄스 지속 시간이 수 피코 초 미만) 레이저가 표면 또는 고체 물질의 부피에 마이크로 미터 크기의 구조를 유도하는 데 사용되는 프로세스이다.
Ultrafast laser micromachining is processes by which pulses from an ultrafast (pulse duration less than a few picoseconds) laser are used to induce micrometer-sized structures on the surface or in the bulk of solid materials. 2-6
FIGURE 4. 초고속 Yb: KYW 레이저의 예. (어플라이드 에너지틱스에서 인용) An example of an ultrafast Yb: KYW laser. (Courtesy of Applied Energetics)
펄스 되는 솔리드 스테이트 레이저 Pulsed solid-state lasers
오늘날 마이크로 머시닝에 사용되는 가장 보편적인 레이저는 고체 상태의 초고속 레이저이며 다음과 같은 이득 미디어가 있다. The most common lasers used today for micromachining are solid-state ultrafast lasers, with gain media such as:
티타늄이 도핑된 사파이어 Titanium-doped sapphire (Ti:Sapphire)
이터븀이 도핑된 이트륨 알루미늄 가닛 Ytterbium-doped yttrium aluminum garnet (Yb:YAG)
이터븀이 도핑된 칼륨 가돌리늄 텅스텐 산염 Ytterbium-doped potassium gadolinium tungstate (Yb:KGW)
이터븀이 도핑된 칼륨 이트륨 텅스텐 산염 Ytterbium-doped potassium yttrium tungstate (Yb:KYW)
Ti: Sapphire 레이저는 이득 매질로 티타늄으로 도핑 된 사파이어 결정을 사용하고 800nm 근처의 중심 파장을 가지며 매우 짧은 펄스 (<10 fs)를 생성 할 수 있다. Yb로 도핑 된 YAG 또는 텅스텐 레이저는 이득 매체로서 이테르븀 도핑된 이트륨 알루미늄 가닛 (YAG) 또는 이터븀이 도핑된 칼륨 이트륨 텅스텐 산염 (KYW) 또는 칼륨 가돌리늄 텅스텐 산염 (KGW) 결정을 사용하고 중심 파장이 1.0μm에 가깝다.
The Ti:Sapphire laser uses a titanium-doped sapphire crystal as the gain medium, has a center wavelength near 800 nm, and is capable of very short (<10 fs) pulse generation. The Yb-doped YAG or tungstate lasers use a ytterbium-doped yttrium aluminum garnet (YAG) or a ytterbium-doped potassium yttrium tungstate (KYW) or potassium gadolinium tungstate (KGW) crystal as the gain medium and have a center wavelength of near 1.0 µm.
Yb: YAG 또는 Yb: 텅스텐 레이저는 다이오드 레이저로 펌핑 될 수 있으므로 Yb가 첨가된 레이저 시스템은 상대적으로 저렴한 비용으로 더 작고 컴팩트하게 만들 수 있다. 도4는 Applied Energetics 사에 의해 제조된 상업용 Yb: KYW 초고속 레이저의 일례를 도시한다.
The Yb:YAG or Yb:tungstate lasers can be pumped by a diode laser, and therefore the Yb-doped laser systems can be made more compact and at relatively lower cost. FIGURE 4 shows one example of a commercial Yb:KYW ultrafast laser made by Applied Energetics Inc.
일반적으로 레이저 마이크로 머시닝에 사용되는 초고속 고체 상태 레이저에는 모드 잠금 오실레이터와 모드 고정 오실레이터 시드와 그 다음에 회생 또는 선형 증폭기를 포함하는 처프 펄스 증폭 (CPA)이 있다. 일반적으로 모드 고정 오실레이터 만이 10MHz 펄스 반복 속도와 10nJ 출력 펄스 에너지를 갖는다. CPA 레이저는 수 kHz에서 100 kHz 범위의 펄스 반복 속도와 수 mJ의 펄스 에너지를 낼 수 있다. 두 초고속 고체 상태 레이저에 대한 개략적인 구성이 도5에 도시되어있다.
In general, there are two types of ultrafast solid state lasers used for laser micromachining: a mode-locked oscillator only, and a mode-locked oscillator seed followed by chirped pulse amplification (CPA) including a regenerative or linear amplifier. Typically, the mode-locked oscillator alone has a 10 MHz pulse repetition rate and 10 nJ output pulse energy. The CPA laser is capable of pulse repetition rates ranging from a few kHz up to 100 kHz and pulse energies of a few mJ. The schematic configurations for both ultrafast solid-state lasers are shown in FIGURE 5.
파이버 레이저 Fiber lasers
파이버 레이저 기술은 지난 10년 동안 출력 및 초단파 펄스 성과와 관련하여 극적인 진전을 이루었다. 연속파 (CW) 단일 모드 광섬유 레이저에서 킬로와트 출력 및 그 이상이 입증되었다. 상업용 초고속 광섬유 레이저에서 10μJ 이상의 펄스 에너지를 사용할 수 있다.
Fiber laser technology has made dramatic progress in the past decade regarding output power and ultrashort-pulse achievements. Kilowatt outputs power and greater have been demonstrated for continuous wave (CW) single mode fiber lasers. Pulse energies of >10 µJ are now available for commercial ultrafast fiber lasers.
FIGURE 5. (a) 일반적인 초고속 발진기의 개략도 Schematic configurations of a typical ultrafast oscillator and (b) 고출력 레이저 시스템 a high-power laser system.
시중의 일반 광섬유 레이저 제품은 Yb가 첨가된 섬유 레이저로, 이터븀 도핑 실리카 단일 모드 광섬유 (또는 큰 유효 영역 섬유)를 1,030nm 근처의 중심 파장을 갖는 이득 매질로 사용한다. 표준 단일 모드 광섬유의 코어 지름은 수 마이크로 미터이며, 유효 면적이 큰 광섬유의 지름은 약 30μm이다. 높은 (> 1W) 평균 파워 초고속 파이버 레이저는 일반적으로 파이버 오실레이터 (모드 고정 파이버 시드), 펄스 스트레칭기, 펄스 피커, 2 단의 파이버 증폭기 및 펄스 압축기로 구성된다.
Common fiber laser products on the market are Yb-doped fiber lasers, which use ytterbium-doped silica single-mode fibers (or a large effective area fiber) as the gain medium with a center wavelength near 1030 nm. The core diameter for standard single-mode fibers is a few micrometers and the core diameter for large effective area fibers is about 30 µm. A high (>1 W) average power ultrafast fiber laser is typically composed of a fiber oscillator (a mode-locked fiber seed), a pulse stretcher, a pulse picker, a couple of stages of fiber amplifiers, and a pulse compressor.
광섬유 발진기는 ~ 100 pJ 및 ~ 10 MHz 펄스 반복 속도의 일반적인 펄스 에너지 출력을 갖는다. 증폭된 초고속 파이버 레이저의 경우 일반 출력은 펄스 지속 시간이 수백 펨토초, 펄스 에너지가 ~ 10 μJ, 펄스 반복 속도가 10-100 kHz이다. 전형적인 초고속 파이버 레이저의 개략도가 도6에 도시되어있다.
The fiber oscillator has typical pulse energy output of ~100 pJ and ~10 MHz pulse repetition rate. For an amplified ultrafast fiber laser, its typical output has a pulse duration of several hundred femtoseconds, a pulse energy of ~10 µJ, and a pulse repetition rate of 10-100 kHz. A schematic of a typical ultrafast fiber laser is shown in FIGURE 6.
FIGURE 6. 초고속 파이버 레이저 구성의 개략도 Schematic of an ultrafast fiber laser configuration.
파이버 레이저의 장점은 소형 크기, 우수한 빔 품질 및 높은 기계적 안정성이다. 파이버 레이저, 특히 초고속 레이저의 단점은 피크 파워 한계 및 비선형 효과 영향이다. 잘 알려진 바와 같이, 초고속 레이저는 매우 높은 피크 파워를 가지며 섬유 이득 매체는 물리적 직경이 매우 작고 물리적 길이가 길다. 따라서 적당한 펄스 에너지로도 섬유 내부의 펄스 플루언스는 매우 높고 비선형 효과 (예: 자체 위상 변조, 라만 산란 등)가 나타난다. 그 결과, 초고속 파이버 레이저의 펄스 시간 프로파일은 큰 "받침대 배경"을 갖는다. 즉, 펄스 에너지의 상당 부분이 훨씬 더 긴 시간 내에 분포된다.
The advantages of fiber lasers are their compact size, good beam quality, and high mechanical stability. The disadvantages of fiber lasers, especially ultrafast lasers, are their peak power limitations and nonlinear effect influence. As is well known, ultrafast lasers have very high peak power and the fiber gain media have very small physical diameter and long physical length. So, even with moderate pulse energy, the pulse fluence inside the fiber is very high and nonlinear effects (such as self-phase modulation, Raman scattering, etc.) usually appear. The result is that the pulse temporal profile from the ultrafast fiber laser has a large “pedestal background” — that is, a big portion of the pulse energy is distributed within a much longer time duration.
미세 가공 장비의 설정 Setup of Micromachining equipment
특정 재질에 대해 원하는 고품질의 레이저 미세 가공 결과를 얻으려면, 적합한 초고속 레이저를 선택하고 다음과 같은 올바른 레이저 작동 매개 변수를 설정해야 한다.
To achieve desired high-quality laser micro-processing results for specific materials, one must select a suitable ultrafast laser and set correct laser operating parameters such as:
레이저 파장 laser wavelength
반복 률 repetition rate
평균 파워 average power
펄스 플루언스 pulse fluence (단위 면적을 가로 지르는 입자의 흐름, 초당 입자 수로 표현)
펄스 지속시간 pulse duration
빔 초점 beam focus
스팟 크기와 품질 spot size and quality
샘플 이동 속도 sample moving speed
금속, 폴리머, 반도체 및 투명 재료와 같은 재료는 광학적 특성 및 열적 특성에 극적인 차이가 있기 때문에 원하는 처리 결과를 얻기 위해 사용되는 초고속 레이저 작동 매개 변수가 각 유형의 재료에 대해 다르게 설정되어야 한다. 그림 7은 초고속 레이저 미세 가공을 위한 전형적인 개략적인 설정을 보여준다.
Since materials such as metals, polymers, semiconductors, and transparent materials have dramatic differences in their optical and thermal properties, it is expected that the ultrafast laser operating parameters used for achieving desired processing results must be set differently for each type of material. FIGURE 7 shows a typical schematic setup for ultrafast laser micromachining.
FIGURE 7. 초고속 레이저 미세가공 설정의 개략도 Schematic of ultrafast laser micromachining setup.
초고속 레이저 재질 가공의 기본 역학구조
Basic mechanisms of ultrafast laser material processing
초고속 레이저 미세 가공은 연속파 (CW) 레이저 또는 긴 마이크로 초 (10-6) 펄스 레이저를 사용하는 기존 레이저 가공과 크게 다르다. 가장 큰 차이점은 레이저 유도 재질 제거 공정의 기본 원리 또는 메커니즘에서 비롯된 것이다.
Ultrafast laser micromachining is dramatically different from conventional laser processing which uses either a continuous wave (CW) laser or longer microsecond (10-6) pulsed lasers. The big difference comes from the basic principle or mechanisms of laser-induced material removal processes.
FIGURE 8. 다양한 유형의 레이저에 기본이 되는 레이저 재료 상호 작용 Laser material interaction basic for different types of lasers.
장 펄스 레이저의 경우, 증기압과 빛의 반동 압력에 의해 구동되는 용융물 배출을 통해 재료의 제거가 발생한다. 이것은 유체 상태의 동역학 및 구동 증기 조건이 매우 복잡하게 되는 불안정한 과정이다. 용융 층은 재 응고되어 구멍 (즉, 거친 구멍)에 기하학적인 변화를 가져온다.
For long-pulsed lasers, ablation of materials occurs through melt expulsion driven by the vapor pressure and the recoil pressure of light. This is an unstable process in which the dynamics of the fluid phase and the driving vapor conditions are quite complicated. The melt layer is re-solidified, resulting in geometric changes to the holes (i.e. rough holes).
도8은 왼쪽에서 오른쪽으로 연속파 (CW), 나노초 (ns) 및 피코 / 펨토초 (ps / fs) 레이저 펄스를 도시한다. 검정색 영역은 열 영향 부 (HAZ)의 크기를 나타낸다. 파란색 선은 빛의 펄스에 의해 생성 된 충격파를 나타낸다. CW 레이저 (가장 왼쪽)는 용융에 의해 주로 재료를 제거하여 큰 HAZ를 생성한다.
FIGURE 8, from left to right, shows continuous wave (CW), nanosecond (ns), and pico / femtosecond (ps/fs) laser pulses. The black area indicates the size of the heat-affected zone (HAZ). The blue lines show the shock waves created by the light pulses. The CW laser (far left) removes material primarily by melting, which creates a large HAZ.
(ns) 레이저 펄스 (가운데)는 보다 작은 HAZ를 생성하고 증기압과 반동 압력에 의해 구동되는 용융물 배출에 의해 재료가 제거된다. 초고속 펄스 (ps / fs)의 경우, 레이저 펄스 지속 시간은 자유 전자와 재료 격자 사이의 에너지 전달 시간 척도보다 훨씬 짧다. 따라서 극히 높은 압력과 온도를 매우 작은 (μm) 깊이로 얻을 수 있다. 그러나 흡수된 에너지는 물질을 융점을 지나서 매우 빨리 가열하고 높은 운동 에너지로 증기 상태로 직접 가열한다. 물질은 재 형성 층의 형성 없이 표면으로부터 직접 기화시켜 제거된다. 이는 무시할만한 HAZ 및 매우 미세하고 날카로운 특징을 제공한다.
The (ns) laser pulses (center) create a smaller HAZ and material is removed by melt expulsion driven by the vapor pressure and the recoil pressure. With ultrafast pulses (ps/fs), the laser pulse duration is much shorter than the timescale for energy transfer between free electrons and the material lattice. So, extremely high pressures and temperatures can be attained in a very small (µm) depth. However, the absorbed energy heats the material very quickly past the melting point, directly to the vapor phase with its high kinetic energy. The material is removed by direct vaporization away from the surface without formation of a recast layer. This provides negligible HAZ and very fine, sharp features.
초고속 레이저의 경우, 에너지 축적은 원자 이완 프로세스에 비해 짧은 시간 단위로 발생한다. 레이저 에너지는 전자에 의해 흡수되어 이온을 차가워지며, 레이저 펄스가 사라진 후에 만 열처리가 일어난다. 또한 펨토초 펄스의 강도는 레이저 파장에서 정상적으로 흡수되지 않는 물질에서 높은 비선형 흡수 과정을 유도 할 만큼 충분히 높다.
For ultrafast lasers, energy deposition occurs on a timescale that is short compared to atomic relaxation processes. The laser energy is absorbed by the electrons, leaving the ions cold, and only after the laser pulse is gone does thermalization take place. Also, the intensity of a femtosecond pulse is high enough to drive highly nonlinear absorption processes in materials that do not normally absorb at the laser wavelength.
펨토초 레이저의 높은 강도 (일반적으로> 1013W / cm2)에서 다 광자 이온화는 상당히 강해진다. 다 광자 이온화에 대해도 도9 (상단)에 도시 된 바와 같이, 몇몇 광자는 "동시에" 펨토초 레이저의 매우 높은 광자 플럭스로 인해 결합된 전자를 타격한다.
At the high intensities (typically > 1013 W/cm2) of femtosecond lasers, multiphoton ionization becomes significantly strong. As shown in FIGURE 9 (top) for multiphoton ionization, several photons “simultaneously” strike a bound electron due to the very high photon flux of femtosecond lasers.
결합된 전자는 흡수된 광자의 총 에너지가 이온화 포텐셜보다 클 때 여러 포톤을 흡수함으로써 원자가 밴드에서 해방된다. 따라서 레이저 강도 (광자 플럭스)가 매우 높으면 다 광자 이온화가 중요 할 수 있다. 1,013 W / cm2 이상의 강도에서는 다 광자 이온화가 상당히 강해지며 와이드 밴드 갭 물질에서 이온화를 초기화하는데 종자 전자를 필요로 하지 않는다. 와이드 밴드 갭 물질은 가전자대 상단과 전도대 바닥 사이에 큰 에너지 차이 (예 :> 5eV)를 갖는 물질이다. 아래 용어집을 참조한다.
A bound electron is freed from the valence band by absorbing several photons when the total energy of the absorbed photons is greater than the ionization potential. Hence, if laser intensity (photon flux) is very high, multiphoton ionization can be significant. At intensities above 1013 W/cm2, multiphoton ionization becomes considerably strong and seed electrons are not required to initialize ionization in wide-bandgap materials. Wide-bandgap materials are those having a large energy difference (e.g, >5 eV) between the top of the valence band and the bottom of the conduction band. (See the Glossary below.)
FIGURE 9. 다중 광자 흡수 (상단) 및 전자 현미경 (하단)의 비선형 이온화 프로세스. Nonlinear ionization processes of multi photon absorption (top) and avalanche ionization (bottom).
그림 9 (하단)에서 볼 수 있듯이 자유 전자의 운동 에너지가 광자를 흡수하여 충분히 높아지면 에너지의 일부가 충돌로 인해 결합된 전자로 이동하여 이온화 포텐셜을 극복하고 2개의 자유 전자를 생성 할 수 있다. (충돌) 충격 이온화. 결과적으로 자유 전자는 광자를 흡수하고 결합된 전자에서 더 많은 자유 전자를 생성한다.
As shown in FIGURE 9 (bottom), if the kinetic energy of a free electron becomes sufficiently high by absorbing photons, part of the energy may transfer to a bound electron by collisions to overcome the ionization potential and produce two free electrons — this is called (collisional) impact ionization. Consequently, the free electrons absorb photons and produce more free electrons from the bound electrons.
이러한 일련의 충돌을 자유 전자 밀도가 기하 급수적으로 증가하는 전자 사태 (avalanche ionization)라고 한다. 눈사태 이온화는 자유 전자 밀도에 강하게 의존하며 때로는 레이저 강도에 선형 비례한다고 가정한다. 그것의 효율성은 반전된 Bremsstrahlung을 통한 에너지 획득과 포논 방출을 통한 에너지 손실 사이의 경쟁에 의해 결정된다. 애벌란시 이온화는 1,012 W/cm2 이하의 레이저 강도에서 와이드 밴드 갭 재료의 제거에 대한 책임이 있다.
Such a series of impacts is called avalanche ionization, where free electron density exponentially increases. Avalanche ionization strongly depends on free electron density, and is sometimes assumed as linearly proportional to laser intensity. Its efficiency is determined by competition between energy gain through inverse Bremsstrahlung and energy loss through phonon emission. Avalanche ionization is responsible for the ablation of wide-band gap materials at laser intensities below 1,012 W/cm2.
벌크 물질에서의 흡수 된 에너지의 소산 및 상응하는 재료 제거는 대부분 레이저 펄스 지속 후에 일어난다. 두 가지 주요 메커니즘이 연구 되었다: 1) 전자 - 포논 충돌이 기화 점 이상으로 국부적 온도를 증가시키는 열 증발, 2) 여기에서 방출 된 전자가 벌크 물질로부터 탈출하여 강한 전기장을 형성하는 쿨롱 폭발 충돌 지역 내의 이온이다.
The dissipation of the absorbed energy in bulk material, and the corresponding material removal, takes place mostly after the laser pulse duration. Two major mechanisms have been studied: 1) thermal vaporization, where the electron-phonon collisions increase the local temperature above the vaporization point, and 2) Coulomb explosion, where excited electrons escape from the bulk materials and form a strong electric field that pulls out the ions within the impact area.
이 두 가지 물질 제거 메카니즘에 따르면, 펨토초 레이저 절제는 절제 임계 값보다 상당히 높은 강도에서의 열적 기화에 의해 지배되는 강한 절제와 절제 임계 근처의 쿨롱 폭발에 의해 지배되는 부드러운 절제로 나누어 질 수 있다.
According to these two mechanisms of material removal, femtosecond laser ablation can be divided into two regimes: strong ablation dominated by thermal vaporization at intensities significantly higher than the ablation threshold, and gentle ablation governed by the Coulomb explosion near the ablation threshold.
FIGURE 10. 266nm (UV) ns 레이저 (왼쪽)와 780nm 100fs 레이저 (오른쪽)로 유리 가공 예. Laser processing examples on glass with a 266 nm (UV) ns-laser (left-side) and with a 780 nm 100-fs laser (right-side).
그림 10은 각각 266 nm (UV) ns 레이저와 780 nm (IR) 100 fs 레이저를 사용한 유리 가공에 관한 몇 가지 실험 결과를 보여준다. 이 경우, 오른쪽의 펨토초 레이저 사진은 펄스 지속 시간이 200 만 배 이상 짧음을 나타낸다. 이것은 차례로 더 깨끗하고 매끄러운 홀 모습을 만든다.
FIGURE 10 shows some experimental results regarding glass processing with a 266 nm (UV) ns laser and with a 780 nm (IR) 100 fs laser, respectively. In this case, the femtosecond laser photos on the right side represent a >2 million times shorter pulse duration. This, in turn, creates much cleaner and smoother hole features.
초고속 레이저 사용처 Ultrafast laser usage
위에서 보인 바와 같이 펨토초 레이저는 금속, 고분자, 반도체, 초저 재료, 투명 재료, 조직 등 다양한 종류의 재료를 미세 가공하는데 사용될 수 있다. 그러나 재료의 특성, 특히 광학적 특성 및 열적 특성은 적절한 레이저의 매개 변수 및 레이저 절삭 임계 값 선택을 필요로 한다.
As shown above, femtosecond lasers can be used for micro processing many types of materials: metals, polymers, semiconductors, ultra-hard materials, transparent materials, tissues, etc. However, the properties of materials, especially optical and thermal properties, require selection of proper laser parameters and laser ablation thresholds.
일반적으로 금속은 매우 짧은 레이저 침투 깊이 (수십 nm)와 강한 광 흡수를 가지고 있으므로 레이저 절삭 임계 값은 투명 재료에 비해 상대적으로 낮다. 대조적으로, 와이드 밴드 갭 재료는 시드가 없는 전자를 생성하고 다 광자 충격 전자 (avalanche) 이온화 프로세스에 도달하기 위해 높은 레이저 펄스 세기를 필요로 한다.
Typically, metals have very short laser penetration depth (tens of nm) and strong optical absorption — hence the laser ablation threshold is relatively low compared to transparent materials. In contrast, wide-bandgap materials require high laser-pulse intensities for generating seed-free electrons and for reaching the multiphoton impact avalanche ionization processes.
따라서 와이드 밴드 갭 재료에 대한 레이저 절삭 임계 값도 상대적으로 높다. 일부 와이드 밴드 갭 재료에는 다이아몬드, 탄화 규소 (SiC), 질화 알루미늄 (AlN), 질화 갈륨 (GaN) 및 질화 붕소 (BN)가 포함된다.
Therefore, the laser ablation threshold for wide-bandgap materials is also relatively higher. Some wide-bandgap materials include diamond, silicon carbide (SiC), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and boron nitride (BN).
CW 및 장파 펄스 레이저를 사용한 미세 가공에 비해 초소형 레이저는 미세 구조 생성, 주변 환경에 대한 부수적 인 손상, 깨끗한 공정 외관, 작은 HAZ 생성, 재료 특성 변화 없음 및 투명 소재 서브 시스템에 대한 성능 등 여러 이점이 있다. 표면 조각. 펨토초 레이저 미세 가공은 초고속 레이저 응용 분야의 급속한 발전이다. 가공 공정은 레이저 파장에서 선형 흡수에 의존하지 않기 때문에 거의 모든 유전체, 금속 또는 기계적으로 딱딱한 재료를 동일한 레이저 빔으로 가공 할 수 있다. Femtosecond 레이저 마이크로 머시닝은 가까운 미래에 다음과 같은 많은 어플리케이션을 발견 할 것이다:
Compared to micromachining with CW and long-pulse lasers, ultrafast lasers have several advantages: micro-sized structure creation, no collateral damage to the surroundings, clean process look, small HAZ creation, no material property change, and capability for transparent material sub-surface engraving. Femtosecond laser micromachining is a rapidly advancing area of ultrafast laser applications. Because the machining process is not dependent on linear absorption at the laser wavelength, virtually any dielectric, metal, or mechanically hard material can be machined by the same laser beam. Femtosecond laser micromachining will find many more applications in the near future, including:
서브 마이크론 재료 가공: 재료 밀링, 홀 드릴링, 그리드 절단
Sub-micron material processing: Material milling, hole drilling, grid cutting
표면 구조화: 포토 리소그래피 마스크 수리, 표면 제거 또는 평탄화 (smoothing). 하부 서브 레이어 또는 기판에 열적 영향을 주지 않음.
Surface structuring: Photolithographic mask repair, surface removal or smoothing without imparting any thermal influence into the underneath sub-layers or the substrate
Photonics 장치: 벌크 유리 또는 실리카에서 광 도파로의 가공 및 섬유의 격자 구조 비문
Photonics devices: Machining of optical waveguides in bulk glasses or silica, and inscription of grating structure in fibers
생체의학 기기: 스텐트 제조업체 또는 안과 수술을 위한 펨토초 레이저의 사용
Biomedical devices: Use of femtosecond lasers for stent manufacturer or eye surgery
미세 유체: 미세 유체 채널 및 장치
Microfluidics: Microfluidic channels and devices
디스플레이 및 태양열: 박막 박리, 태양 전지 가장자리 분리, P1-P3 공정
Displays and solar: Thin-film ablation, solar cell edge isolation, P1-P3 processing
요약 Summary
초고속 레이저 미세 가공은 고 정밀 및 저온 절삭 소재 미세 가공을 위한 새로운 기술이다. 초고속 레이저 미세 가공의 우수한 응용 분야가 기존의 레이저 공정보다 많은 것으로 밝혀졌지만 그 장점과 잠재적인 용도를 더 연구해야 한다.
Ultrafast laser micromachining is an emerging technology for high-precision and cold-ablation material micro processing. Although many superior applications of ultrafast laser micromachining have been found over conventional laser processing, its advantages and potential uses need to be further explored.
이 기사에서는 레이저 소스 및 기본 메커니즘에서 잠재적 인 응용 프로그램에 이르는 초고속 레이저 마이크로 프로세싱에 대한 기본 설명을 제공했다. 세계가 나노 기술 시대로 옮겨가는 동안, 마이크로 스케일 프로세싱은 미래의 기술 개발을 위한 중요한 도구가 될 것이다. 물론 초고속 레이저 및 초고속 레이저 미세 가공은 과학 및 산업 시장에서 더 많은 응용 분야를 찾을 수 있다.
This article has provided a back-to-basics description of ultrafast laser micro processing- from laser sources and basic mechanisms, to potential applications. As the world continues to move toward a nano scale technology era, micro-scale processing will become a valuable tool for technology development in the future. Certainly, ultrafast lasers and ultrafast laser micromachining will find many more applications in both the scientific and industrial markets.
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Lonnie Lucas Ph.D (llucas@AppliedEnergetics.com) and Jim Zhang Ph.D are with Applied Energetics in Tucson, Arizona.
출처: Industrial Laser Solutions for manufacturing
References
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Editor’s Note: With the rapid growth of ultrafast-pulse laser processing in industrial applications, ILS decided that a back-to-basics feature was warranted for those new to this technology, and for those in need of a refresher. Lonnie Lucas and Jim Zhang accepted the challenge. This primer on the subject, written for laymen, is a neat, succinct summary of the technology.
용어 해설 Glossary
절삭 크레이터: 레이저 펄스에 의해 제거 된 표면 치열 구조. ablation craters: The surface denting structure ablated by laser pulses.
절삭 율: 레이저 또는 레이저 펄스에 의한 재료 체적 제거 속도. ablation rate: Material volume removal speed by laser or laser pulses.
절삭 임계 값: 재료의 절삭을 시작하기 위한 최소 레이저 펄스 플루언스 (J/cm2). ablation threshold: The minimum laser pulse fluence (J/cm2) for starting the ablation of material.
원자의 결합 에너지: 자유 전자와 핵으로 원자를 분해하는데 필요한 에너지. binding energy of atom: The energy required to disassemble an atom into free electrons and a nucleus.
전자 - 포논 결합 시간: 분자간 진동 (또는 포논)과 전자 - 포논 결합이 생기는 시간. electron-phonon coupling time: Time for Intermolecular vibrations (or phonons) and electron-phonon coupling to occur.
electron-to-lattice 에너지 전달 시간: 전자가 운동 에너지를 결정 격자로 이동시키는 데 필요한 시간. 연구에서 지시 한 수 피코 초 기간. electron-to-lattice energy transfer time: The time period required for electrons to transfer their kinetic energy to the crystal lattice, a few picoseconds period indicated by studies.
열 영향 부 (HAZ): 금속 또는 열가소성 재료 중 레이저 어블 레이션 또는 열 집약적 인 절삭 작업에 의해 변경된 특성을 가진 기본 재료의 면적. heat-affected-zone (HAZ): The area of base material, either a metal or a thermoplastic, which has had its microstructure and properties altered by laser ablation or heat intensive cutting operations.
와이드 밴드 갭 재료: 원자가 밴드의 상부와 물질에 대한 전도 밴드의 하부 사이에 큰 에너지 차이 (예를 들어, > 5eV)를 갖는다. wide-band gap materials: Having large energy difference (e.g, >5 eV) between the top of the valence band and the bottom of the conduction band for the material.
인큐베이션 효과: 레이저 절삭 공정에서 다음 펄스에 의해 유발 된 절삭에 대한 이전 레이저 펄스의 열 영향 기여도를 나타낸다. incubation effect: For laser ablation process, it indicates the thermal influence contribution of the previous laser pulses to the ablation induced by the following pulses.
역 분개: 레이저 융합에 필요한 강렬한 영역에서 레이저로 플라즈마를 가열하는 중요한 메커니즘 중 하나. inverse Bremsstrahlung: one of the important mechanisms for heating plasmas with lasers in the intense fields required for laser fusion.
이온화 과정: 전자 또는 다른 이온과 같은 하전 된 입자를 추가하거나 제거함으로써 원자 또는 분자를 이온으로 변환시키는 물리적 과정. ionization process: The physical process of converting an atom or molecule into an ion by adding or removing charged particles such as electrons or other ions.
레이저 플루언스 (laser fluence) : 1 / e2 레이저 빔 프로파일 아래의 영역에 걸친 총 펄스 에너지, 일반적으로 J/cm2 단위. laser fluence: The total pulse energy over the area under 1/e2 laser beam profile, typically in a unit of J/cm2
레이저 펄스 중첩: 레이저 프로세스 스캔에서 두 개의 연속적인 레이저 펄스 사이의 빔 영역 중첩 비율. laser pulse overlap: In laser process scan, the beam area overlap ratio between two consecutive laser pulses.
레이저 반복 률: 레이저 펄스의 주파수 (즉, 1 / 펄스 - 펄스 분리주기). laser repetition rate: The frequency of laser pulses (i.e., 1/pulse-to-pulse separation period)
재료 증발: 재료는 가열 원에 의해 증기 상태로 증발. material evaporation: The material is evaporated by a heating source into a vapor phase.
재료 제거율 (5 μm3 / μJ) : 특정 펄스 에너지 당 재료 제거량. material removal rate (5 µm3/µJ): Volume of material removal per certain pulse energy.
미세 가공: 다른 구조 층의 증착 및 제거에 의해 벌크 또는 재료 표면에 미세 구조 생성. micromachining: Creating microstructures either in bulk or on surface of materials, by deposition and ablation of different structural layers.
다 광자 흡수: 2개 이상의 광자를 동시에 흡수함으로써 원자 또는 다른 현미경 시스템을 더 높은 양자 상태로 여기시키는 것. multiphoton absorption: The excitation of an atom or other microscopic system to a higher quantum state by simultaneous absorption of two or more photons, which together provide the necessary energy.
다 광자 이온화 임계 값: 적어도 2 광자 이온화 공정을 생성하기 위한 최소 레이저 파워 밀도. multiphoton ionization threshold: The minimum laser power density for creating at least a two-photon ionization process.
플라즈마 깃털 (Plume): 플라즈마 "구름"은 고강도 레이저 펄스에 의해 생성되고 전자, 이온 및 표적 물질 입자의 집단으로 구성된다. plasma plume: Plasma “cloud” generated by high intensity laser pulses and composed of cluster of electrons, ions, and target material particles above the surface of the sample.
플라즈마 차폐 효과: 높은 플루언스 에서, 레이저 펄스 유도 플라즈마는 들어오는 레이저 방사선 (플라즈마 차폐)을 효율적으로 감쇠시키고, 그리고 절제 율을 감소시킨다. plasma shielding effect: At high fluence, the laser pulse induced plasma efficiently attenuates the incoming laser radiation (plasma shielding) and reduces the ablation rate.
펄스 지속 시간: 펄스 시간 프로파일의 최대 절반 폭에서의 시간. pulse duration: Time period at full width of half maximum of pulse temporal profile.
자기 집속 임계 값: 강렬한 전자기 방사에 노출 된 재료의 굴절률 변화에 의해 유도 된 비선형 광학 프로세스를 위한 최소 레이저 강도. self-focusing threshold: A minimum laser intensity for having a non-linear optical process induced by the change in refractive index of materials exposed to intense electromagnetic radiation
크레이터 직경 (D2) 제곱: 레이저 제거 영역의 직경 제곱, D2 = 2ωo 2ln (F0 / Fth), 이는 레이저 물질 제거 임계치를 실험적으로 결정하는데 사용되며, 여기서 ωo는 가우시안 빔의 1 / e2 빔 반경 샘플에서, F0 및 Fth는 레이저 펄스 피크 플루언스 및 절제 플루언스 임계 값이다.squared crater diameter (D2): The diameter squared of the laser ablation area, D2 = 2ωo 2ln (F0/Fth), which is usually used for experimentally determining laser material ablation threshold, where ωo is the 1/e2 beam radius of the Gaussian beam on the sample, F0 and Fth are laser pulse peak fluence and ablation fluence threshold.
열전도도: 물리학에서 열전도도는 열을 전도시키는 재료의 특성이다. thermal conductivity: In physics, thermal conductivity is the property of a material’s ability to conduct heat
마이크로머시닝, 미세단차드릴, 슈퍼드릴, 홀가공, 미세홀, 초미세홀, 초미세홀가공, 초미세 슈퍼드릴, 커팅, 스크라이빙
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