基于激光-物质相互作用的超短脉冲激光微焊接研究

论文摘要

聚焦的超短脉冲激光具有超高的峰值功率密度,可以空间选择性地诱导材料的非线性吸收,并形成高密度等离子体,进而产生局部的高温高压、表面烧蚀、熔化、汽化、冷凝等系列受激响应过程。当聚焦激光作用于紧密接触的材料分界面时则可以在系列应激响应过程中建立材料的局部熔合,实现材料间的选区焊接。因此,超短脉冲激光微焊接的实质是激光与物质相互作用诱导材料界面局部改性进而建立强结合的过程。相比于传统的热熔焊接、阳极键合、胶合工艺等,超短脉冲激光微焊接具有高适用性、高精度、高空间选择性、无嵌入层、“冷焊接”等众多优势,必将对嵌入式集成器件领域产生重要影响。本论文从超短脉冲激光与物质相互作用机制入手,重点研究了超短脉冲激光在高精密选区焊接透明玻璃-金属、透明玻璃-半导体、透明玻璃-玻璃上的应用,致力于探究材料微焊接机理、优化微焊接工艺、推动超短脉冲激光微焊接技术的工业化应用,主要的工作内容和取得的创新成果如下:1)首次在非光学接触条件下实现了铝硅酸盐玻璃与铜的直接微焊接,探究了样品间隙对透明玻璃-金属微焊接质量的影响特点;分析了激光诱导界面烧蚀在材料微区焊接中的作用,阐明了光学接触与非光学接触条件下玻璃-金属材料的超短脉冲激光微焊接机制;通过优化激光脉冲能量、脉冲沉积密度、焊线间隔等参数,在非光学接触条件下实现了剪切力强度高达12 MPa的玻璃-金属选区焊接,焊线轨迹任意可控,焊线宽度约为40μm;进一步地,该焊接工艺被成功地推广到了铝硅酸盐玻璃-铝合金,以及铝硅酸盐玻璃-不锈钢上,一定程度上展示了超短脉冲激光微焊接技术较高的材料适用性。2)首次通过利用飞秒脉冲激光实现了极高熔点新型半导体材料碳化硅与融石英玻璃的直接微焊接,为半导体材料的封装及选区焊接提供了实验基础;通过微区形貌、化学组份表征,并结合理论分析,研究了碳化硅与融石英玻璃的微区焊接机制;通过探究飞秒脉冲激光作用下两种材料的吸收特性,并结合材料界面受激热弛豫过程的数值仿真结果,分析了激光焦点轴向位置对样品界面材料熔合过程的影响特点;研究了激光脉冲能量及焊线间距对于碳化硅-融石英玻璃焊接强度的影响,并在焊线间隔为15μm的情况下,实现了剪切强度优于15 MPa的高精度焊接。3)搭建了时域分辨的相衬显微成像系统,对比研究了飞秒与皮秒脉冲激光作用融石英玻璃后材料微区折射率的瞬态演变特点;通过分析材料折射率与温度之间的应变关系,进一步推演出了融石英玻璃受激热弛豫的时空演变过程;进而得出超短脉冲激光诱导融石英玻璃的热弛豫过程结束于10μs量级;更重要地,从实验上展示了超短脉冲激光作用透明玻璃材料时热影响区域的空间局域性（3μm）,进而说明了超短脉冲激光微焊接技术在透明材料高精密选区焊接上的巨大优势。4)设计并搭建了具有在线监测功能的超短脉冲激光微焊接系统,探究了超短脉冲激光作用下融石英玻璃的结构响应特点,讨论了脉冲宽度、脉冲时间间隔、脉冲空间沉积密度对融石英玻璃改性机制、改性特点的影响;基于对激光焊接参数的优化,成功实现了融石英玻璃之间的高精度选区焊接,当焊线间隔为40μm时,样品剪切力强度可达14.2 MPa,透射光谱测试结果表明样品在激光焊接区域仍具备较高的光谱透明度;进一步地,通过利用该焊接工艺并结合超短脉冲激光剥蚀、切割技术,成功地制备了融石英玻璃基微流控器件。5)首次提出了贝塞尔超短脉冲激光微焊接方法;通过设计激光焦场几何尺寸,优化激光脉冲能量、脉冲沉积密度等参数成功实现了融石英玻璃之间的高质量、无应力选区微焊接,焊线宽度18μm,样品剪切力强度高达23 MPa;相比于高斯激光焊接,贝塞尔超短脉冲激光焊接区域的孔隙缺陷得到了很好的抑制,紫外-可见-近红外波段的光谱透过率达到90%以上;同时,通过利用超短脉冲贝塞尔光束成功地将焊接工艺对于激光焦点轴向位置的窗口区间提高了4倍,这对于推进超短脉冲激光微焊接技术的工业化应用有着重要意义。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张国栋

导师: 赵卫,程光华

关键词: 超短脉冲激光,非线性吸收,受激热弛豫过程,激光诱导界面改性,微焊接,光束整形,贝塞尔光束

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,金属学及金属工艺,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TG456.7;TN24

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000030

总页数: 119

文件大小: 6545K

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