利用光束整形实现新的激光表面处理应用

激光行业在过去十年里不断降低成本，因此各种功率和波长的紫外和红外产品的价格仅需每瓦特数美元。这种趋势受到了激光在钢铁和电子行业中的关键应用的推动。通过将激光源极具吸引力的成本和性能结构与（几乎能够在高附加值材料精制和合成过程中100%使用光子光束）整形技术相结合，新一轮的创新将带来革命性的高性能解决方案。

关于光束整形技术在工业中的应用，有一个典型例子是圆形光束向线形光束轮廓的转换。通过这种微小的变化，表面的加热效率比传统的圆形光束和2D扫描仪高20倍。这种影响背后的简单物理学原理是线形光束的轴向热扩散，而不是圆形光束轮廓的径向热扩散（图1）。当连续波（CW）激光源被用于表面和薄膜热处理时，这种影响变得尤为明显。

图 1：用圆形光束和线形光束加热材料的结果比较

这项技术已经在金属表面和金属涂层的局部硬化领域应用多年，其典型的停留时间为数秒，热影响区（HAZ）为几毫米。如果线形光束以明显更高的速度移动到表面上，停留时间将缩短到毫秒级，热影响区从微米级缩小到数百纳米。

利用这种局部加热工艺，表面和涂层做处理时，比用于熔炉的传统等温工艺的温度更高。由此产生的新的表面工程自由度使得材料和材料复合的使用成为可能，否则无法用于受基板材料损坏阈限制的典型加热过程。

光束整形应用

第一类应用包括固相材料精制工艺，它利用半导体和导体的退火来改善高效电子器件的电子迁移率和自由载流子浓度（图2），印刷电路板的低电阻导体轨迹以及通过聚合物、纸张或玻璃上的电缆或天线进行高效电力传输（图3）。CW线形光束工艺不仅能够使用昂贵的纳米银，而且能够使用层厚达数微米的铜基油墨。

图2：（a）对透明导电氧化物（TCO）的激光退火能够带来更高的透射率和更低的电阻率（图片来源：2012 年EMRS 春季会议）；（b）所示为通过Activation Line 12 系统进行的TCO 线形光束激光退火

第二类应用由液相材料精制工艺组成，它通过结晶、限定去湿和分解工艺为高性能涂料提供一系列改进的特性和新的合成材料性能。层厚高达20μm的液相激光硅结晶（LLPC）已能够达到与多晶硅光伏晶片相同的电子电容。

图3：聚合物上的印刷电子和激光烧结铜线如图所示，它使用了弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所的金属油墨和色浆。

与德国亥姆霍兹柏林研究中心的最新合作结果显示，通过Activation Line CW二极管激光系统可获得接近单晶硅的质量效果（图4）。由于停留时间和功率可以定制，因此能够精确设置具有最佳颗粒质量和尺寸的工艺窗口，这也是基于CW线形光束激光器的LLPC加热工艺形成的独特特点。

图4: 通过CW 线形光束激光器得到的液相激光硅结晶（LLPC），如图所示（改编自S.Kühnapfel 等）

去湿是另一种液相工艺。根据具体的线形光束参数不同，可使用随机模式（图5）或常规模式（图6）进行去湿。通过利用模拟技术，还能以更具体的方式设计线形光束工艺来获得半导体和金属液滴等的常规去湿模式。液滴的尺寸和间距完全取决于层材料、线形光束参数以及由线宽、线移动速度和目标移动速度确定的停留时间。

图5: 具有等离子体光学性能的纳米银层的随机去湿（图片来源：RainbowEnergy 项目）

基于线形光束限定加热的液相工艺的最后一个例子是富硅氧化物（SiO）的旋节分解，它能够产生具有量子局限效应和海绵状机械结构的纳米级结构。由于基于熔炉的传统工艺需要花费数小时，速度慢而成本高，因此土耳其和德国的一个国际团队开发了一种创造这种材料的新方法（RainbowEnergy项目）。

图6: 通过线形光束激光加工进行常规去湿模式的仿真和生产

首先，由模拟旋节分解的机制来了解将工艺从数小时缩短到数毫秒所需的速度和对应温度（图7），通过将工艺温度提高到1200℃以上，该工艺的速度得以提高到与停留时间<50ms并使用线形CW激光源的高速在线工艺兼容（图8）。

图7: 富硅氧化物（SiO）旋节分解成海绵状纳米晶硅的仿真过程（图片来源：RainbowEnergy项目）

在计算机上设计材料和工艺窗口，并通过具有线形光束轮廓的激光器产生新的高性能结构，这种技术的潜力及其在新材料和新材料性能开发和生产中使用激光源的灵活性令人惊叹。能够产生特定材料性能的技术可以弥补电力发电、传输和存储等领域中众多现有挑战所需的缺失环节。

图8: 将SiO 旋节分解成c-Si 的时间从数小时缩短到数毫秒的过程（图片来源：RainbowEnergy 项目，BMBF，TÜBITAK）

未来前景

为一直无法承受所需的等温工艺温度的基板材料增加特定功能，并在更高的温度条件下以毫秒级线形光束激光加热速度完成这一目标，对许多行业和应用来说都是一个极具吸引力的前景。如果生产率需要提高或降低，更长的线形光束可实现每分钟数平米的加工速度，使用一个长的或多个短的线形光束段甚至还可实现每秒数平米的加工速度。