[发明专利]一种实现聚酰亚胺烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统和方法

说明书

本发明属于飞秒激光应用技术领域，尤其涉及一种实现聚酰亚胺烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统和方法。本发明利用放大极激光峰值功率高的特点对PI进行精密的烧蚀去除，又利用振荡级激光的热效应对PI进行碳化。本发明的系统可以对放大极飞秒激光和振荡级飞秒激光分别进行参数调整，从而实现对烧蚀过程和碳化过程的分别控制，互不干涉。利用本发明的系统，可以使飞秒激光对PI的加工效果在烧蚀去除模式和碳化模式之间快速灵活切换，根据需要实现烧蚀和碳化效果，一次搭建好光路系统后，加工过程中无需对光路系统进行调整。本发明具有光路系统调节方便、加工灵活性高、可加工结构范围广的优点，为制备PI表面微结构、碳基微电路提供了一种可行的方案。

技术领域

本发明属于飞秒激光应用技术领域，尤其涉及一种实现聚酰亚胺烧蚀或碳化的飞秒激光加工系统和方法。

背景技术

聚酰亚胺(以下简称PI)是一种聚合物绝缘体，其制造工艺成熟，绝缘性能、机械性能、热学性能优良，长期被用作绝缘胶带，在电工行业有广泛的应用。因为其分子结构中含有苯环，在高温条件下会发生裂解反应，产生碳结构。利用此特性，研究人员发现，以激光束对PI进行辐照，可以利用激光的热效应，对PI进行碳化，使被激光辐照过的区域产生碳结构，并具备导电性，而未被激光辐照的区域仍然保持绝缘体特征。利用此特性，PI可以同时作为碳结构的前驱材料和柔性载体，为柔性碳基微电路的制备提供了可能。

部分微电路结构需要对PI进行去除，在PI上制备碳基微电路后，亦需要进行微电路与周围材料的分离。对于PI的去除加工，因为尺寸和材料特性的限制，传统的加工方法不再适用。利用激光烧蚀的方法可以精确实现目标区域与周围材料的分离，并且避免对周围的材料造成损伤。

连续激光常用于对PI的碳化，但是因为其热效应十分明显，热影响区大，不利于对PI进行精密的烧蚀去除加工。飞秒激光因为脉冲超短，峰值功率高，热影响区小，更适合对这种材料进行烧蚀去除。同时，飞秒激光也具备对PI进行碳化的能力，但需要利用未经过脉冲啁啾放大的振荡极飞秒激光进行加工。当振荡极激光作用时，飞秒激光的峰值功率低于PI的烧蚀阈值，但每个激光脉冲均可以因为带来的能量使PI温度略微升高，因为激光重复频率超高，PI温度持续上升至碳化温度区间，从而发生碳化。

飞秒激光器的振荡极激光和放大极激光的出光原理不同，出光位置不同。通常情况下，因为加工中常利用放大极飞秒激光峰值功率高的特点，飞秒激光光路系统主要配合放大极激光的使用，如已有的专利飞秒激光在单个蛋白质晶体上加工微纳结构的方法及系统(专利申请号：201910300981.4)中所述的飞秒激光加工系统，就是利用飞秒激光放大极高峰值功率的特点，在待加工材料上加工微纳结构。当利用振荡极飞秒激光进行加工时，需要另外搭建飞秒激光光路系统，两个加工系统平行存在，如图1所示。如果待加工的结构既需要振荡极激光，也需要放大极激光加工，则需要将材料在两个加工系统间转移，影响了加工过程的连续性，也可能造成二次装夹、重新定位不准确等问题，为加工带来了不便，无法满足微电路加工过程中连续对PI进行烧蚀和碳化的需求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种利用飞秒激光实现对PI的烧蚀或碳化的加工系统和方法，通过计算机控制光路系统，根据加工的需要，随时切换为烧蚀加工模式和碳化加工模式，从而在PI表面灵活加工碳化、烧蚀复合微图案，制备碳基微器件。