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A. 光學零件加工技術

由於激光具有方向性好，高能量和單色性好等一系列優點，自六十年代問世以來，就受到科研領域的高度重視，推動了諸多領域的迅猛發展，尤其是激光在加工領域中的應用。傳統的激光加工機在工業產品中，已得到了廣泛應用，近年來在激光微加工方面也受到廣泛重視。

激光微加工對生產具有小孔或細小溝槽結構復雜的電子器件、醫療和汽車製品有重大意義。因為這類產品孔的直徑和溝槽尺寸越來越小，而這些尺寸的公差越來越嚴格。只有激光才能滿足對微加工零件提出的從1μm到1mm的所有要求。激光加工熱作用區域小，可以准確地控制加工范圍和深度，保證高的重復性，良好邊緣和廣泛的通用性[1]。

在微系統製造中，人們廣泛採用硅各向異性刻蝕和LIGA(利嗄)技術加工各種微型結構。前者適合加工硅的二維結構和小深寬比的三維結構；後者能夠加工精密的三維結構，不僅適用於硅而且也適用於加工金屬、塑料和陶瓷。然而這種技術要求的條件比較苛刻，它需要同步輻射X射線源，而且模的製作也很復雜，因此很難普及。還有一點也必須指出，LIGA工藝與IC不兼容，這在一定程度上限制了它的使用。

90年代初發展起來的激光微加工工藝既能加工出較為復雜的微型結構，且所要求的條件又不那麼苛刻，在實驗室和工廠較容易實現[2]。

激光微加工所涉及的應用領域較寬，本文著重介紹激光束在UV（紫外）波段或532nm和1.06μm段激光微加工的應用,工作狀態為脈沖狀態,加工應用的范圍為微電子和微機械（MEMS）。激光束的其它應用不在本文贅述。

2.脈沖激光直接微加工技術

脈沖激光直接微加工技術是利用高能量激光脈沖對固體直接加工，主要是基於激光燒蝕過程。在燒蝕過程中，固體材料所吸收的激光能量使材料從加工表面噴射出來。激光和固體間的燒蝕作用與固體材料以及脈沖激光參數密切相關。脈沖激光參數主要包括激光的波長、脈沖寬度和脈沖強度。在適宜的條件下，幾乎所有的固體材料脈沖激光都能夠加工，而且現在經研究已經建立了多種材料的脈沖激光加工參數[3]。

圖一(a)所示的是一種常見的準分子激光加工設備的主要結構。激光光束經過一系列器件，包括快門、可調衰減器、光束整形器和歸一化器，最後照射到掩模上。在這個結構中，光束整形器改變光束形狀，使其近似為正方形，然後歸一化器再把光分成許多光束，每束光從不同方向照射掩模（圖一(b)）。這不僅提高了光照射的均勻性，同時也引入了離軸元件。離軸光照射可以完成垂直結構甚至鑽蝕結構的加工，而使用傳統的平面光照射無法加工出這樣的結構。在整個系統中一般需要一些輔助設備進行準直，比如CCD視頻感測器或獨立的非線性顯微鏡。

脈沖激光直接微加工技術的主要特點之一是能夠加工復雜的三維表面輪廓。對不同的掩模進行多次曝光可以加工階梯式多級結構，而在曝光時間內掃描掩模可以完成連續切削，也可以用半色調掩模直接進行投影燒蝕來完成連續切削[4]。掩模和工件一般都安裝在步進馬達控制的精密移動平台上，通過計算機實現自動掃描操作。在加工過程中可以改變其它脈沖激光參數，比如激光光通量和重復頻率。此外，還可以通過改變數值孔徑NA來改變離軸照射的最大視角，見圖一(b)，從而可以在恆定的激光光通量條件下加工不同側壁角度的結構。

圖一(a)準分子激光加工設備框圖 (b)光學系統圖

脈沖激光直接微加工技術的另一個特點是可以加工多種材料[5]，尤其適用於聚合物材料的加工。大多數聚合物在激光的頻譜內都有很強的能量吸收，保證了激光與工件間的能量耦合，而相對較低的熱傳導性又保證了燒蝕過程中的熱量擴散和受熱影響的區域很小。大多數情況下，可以得到很好的表面光潔度，附加損失(熔化和碎屑)也可達到最小，這是許多其它材料不具備的特性。例如，由於金屬的反射率和熱傳導率較高，用脈沖激光加工具有很高的燒蝕閥值，加工過程中有嚴重的附加損耗。但是，如果加工對象是沉積在導熱性較差的基體表面的金屬薄膜時，用脈沖激光就可以得到很好的加工效果。

脈沖激光直接加工MEMS器件中最成功的例子是噴墨列印頭的加工[6]。另外，脈沖激光很高的峰值功率和3D結構加工能力也可應用到微流控晶元的加工中。微流控晶元中的主要部件，像微通道、微過濾器、微攪拌器和微反應器都需要3D結構(或至少2.5D)。此外，作為微流控晶元的材料，聚合物比硅基底的材料更適於用脈沖激光進行微加工。

MEMS直接加工的例子最近也有報道，如在硅底上製作雙壓電晶片微執行器[7]以及多層磁性材料執行器[8]等。另外，飛秒激光微加工技術發展也很快[9]。由於飛秒激光有很高的能量密度，這使得它在MEMS加工中的某些方面具有很好的應用前景，比如利用標準的透明材料與高能量多光子的劇烈作用可以在透光材料上加工微結構。

2.1直接加工

這里所用的術語「直接加工」是用來描述用激光束聚焦點來進行材料加工的過程。這項技術廣泛應用於對高精度和小尺寸有要求的微機械加工，包括燃料注入器的鑽孔、氣體感測器的鑽孔、太陽能電池的刻畫以及MEMS的原型處理。工件是用檢流掃描儀和可移動平台隨著光束移動，同時用激光加工，從而得到預期的圖案。加工速度通過調節檢流掃描儀可達10ms-1 [10]。

圖二：（a）用檢流掃描儀和X-Y可移動平台的直接加工的示意圖 （b）MicrAlater M1000 直接加工的激光器設備

2.2 鑽孔

使用在X-Y平台或檢流掃描儀上的聚焦激光束的一系列的孔的加工在燃料注入器、氣體感測器、微小電路板和探測器卡片的鑽孔都有廣泛應用。圖三顯示的就是用來IC（integrated circuit）測試的探測器卡片的一部分。100μm孔是在500μm厚的硅氮化物晶體上用355nm的ND:YAG激光鑽孔的。使用AblataCAM軟體能將文件直接轉化成激光器設備加工過程。利用這項技術能在探測器卡片上加工幾乎任何形狀的孔。

圖三：（a）在硅氮晶體探測器卡片上的用來IC測試的100μm孔 b）在硬質鋼上用來燃料注入的孔

發動機對低損耗和更佳的燃料利用率需求，引起對更小的孔和更厚的有壁燃料注入器的深入研究。由於傳統EMD技術對於柴油機注入器的鑽孔的限制，使得激光加工技術成為下一代柴油機引擎的關鍵技術。孔的直徑為30-100μm公差為±1.5μm，錐角小於0.5度。圖三（b）顯示的是用Nd:YAG激光器在532nm在柴油機注入器上加工的孔。

2.3太陽能板加工

在1.06μm波上工作的激光器設備，其典型的能量為幾十瓦，廣泛的應用於薄膜太陽能板的玻璃底層上的精細線性雕合。這種過程和發射技術的結合與BTS能夠使太陽能板在高速的情況下能保持非常高的精度和准確率。圖四（a）是無定型硅薄膜在雙激光系統（1.06μm和532nm）下的加工過程的示意圖。IR YAG激光束用來在ITO層上劃近似30μm寬的線，接著α－Si的沉積和可見YAG激光束在盤的附近穿過α－Si層來加工50μm直徑的相互連接。而ITO層是不受加工過程影響的。接著鋁電極層沉積，用可見光YAG激光來加工大概25μm寬的軌跡，來完成板的加工過程。太陽能板的樣板的部分加工過程如圖四所示。用580nm來加工400mm板的每一層大概需要1分鍾。

圖四：（a）用雙波長激光系統加工的太陽能板
b）在薄膜α－Si太陽能板上的劃線和相互連接的照片

3.最新研究動態

3.1用於微加工的UV激光鑽孔機械－Meister 1000DF
MHI出品了最新DUV266nm激光鑽孔機Meister 1000DF，能在所有新的固體UV－YAG振盪器上應用。用Meister 1000DF能在不同材料、不同工作環境下進行高質量的微加工。特點：半導體泵浦固體激光器諧振腔能達到很高的壽命和具有很高的可靠性，高能量密度266nmUV輸出,能實現50－200μm直徑的微小鑽孔,高速和裝備了檢流掃描儀[11]。

圖五：加工應用的樣品圖
（a）透孔： 直徑100μm 聚醯亞胺樹脂：厚度25μm
（b）透孔：直徑100μm 陶瓷：厚度250μm

圖六：結構圖

3.2 DPSS UV 激光器

高脈沖355nm激光器（LD泵浦 YV04 激光器+ SHG + THG）空氣冷卻。概要：這種激光器是緊湊和空氣冷卻類型的高循環脈沖DPSS UV激光器（355nm）。非線性晶體GdYCOB應用於這種激光器（已由大阪大學發明）。因此能獲得高光束質量和穩定輸出。並且非常容易維護和操作，廣泛應用於微加工、精確測量等等[12]。

3.3 DPSS綠色激光器

高脈沖532nm激光器（LD泵浦 YVO4激光器+ SHG) 空氣冷卻。概要：這種激光器是緊湊和空氣冷卻類型的高循環脈沖DPSS綠色激光器（532nm）。具有很好的輸出穩定性和高光束質量。並且易於維護和操作，能廣泛應用於微加工、測量等等。

3.4 DPSS YVO4激光器

高脈沖1064nm激光器（LD泵浦 YVO4激光器）空氣冷卻。概要：這是一種緊湊、空氣冷卻以及易於維護的DPSS激光器。用LD泵浦並且用光纖輸出。由於在加工過程中有高重復性、熱張力等特點，因此能被小型化。所以能廣泛應用於高速標刻、激光加工和產生諧波的光源。

4.結 論

從加工材料范圍和3D加工靈活性方面，脈沖激光具有特有的加工能力。脈沖激光加工技術和其它微細加工的主流技術相結合可以為MEMS的未來發展提供重要的加工手段。脈沖激光加工技術的主要應用領域有基於功能材料的微驅動器、微流控器件和系統。另外，脈沖激光還具有特有的微部件操控和連接能力，因此，對MEMS的集成和封裝技術也將作出巨大的貢獻。

參考文獻：
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[10] http://www.exitech.co.uk/pdfFiles/Thin%20Films%20Paper%20HJB%202003.pdf.
[11] http://www.mhi.co.jp/kobe/mhikobe-e/procts/etc/uvlaser.htm
[12] http://www.neoark.co.jp/Eng/eng-PDF/YVO4_355.PDF

B. 用於激光打標機的文件要什麼格式

標記內容可以是文字、圖形、圖片、序列號、條形碼及二維碼等，支持PLT、DXF、BMP等文件格激光打標設備一般支持windows xp/7系統的。

文件的話支持的也比較多AI，PLT,DXF，DST，BMP，JPG，PGE，PNA，TIF，CAD等很多都可以的，要清楚自己打標用的格式，一般打標機都可以支持的。

(2)pdf燒蝕擴展閱讀：

「熱加工」具有較高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射區域內產生熱激發過程，從而使材料表面（或塗層）溫度上升，產生變態、熔融、燒蝕、蒸發等現象。

「冷加工」具有很高負荷能量的（紫外）光子，能夠打斷材料（特別是有機材料）或周圍介質內的化學鍵，至使材料發生非熱過程破壞。

這種冷加工在激游標記加工中具有特殊的意義，因為它不是熱燒蝕，而是不產生"熱損傷"副作用的、打斷化學鍵的冷剝離，因而對被加工表面的里層和附近區域不產生加熱或熱變形等作用。例如，電子工業中使用準分子激光器在基底材料上沉積化學物質薄膜，在半導體基片上開出狹窄的槽。

C. 太空旅行的未來是什麼

使用化學火箭離開我們的星球並 探索 太空很可能是一種死胡同。 它很舊，過時，而且效率極低。 在過去的 60 年裡，我們肯定已經發現或改進了更新、更高效的技術，對嗎？ 答案是肯定的，我們將詳細介紹它們。

我們將 探索 奇特的技術，包括利用太陽風在星際間航行、利用核彈接近光速，甚至涉足利用美國宇航局最近一直在試驗的物理定律漏洞的技術。

化學火箭有什麼問題？

化學火箭可能是死路一條，因為它們的效率極低。 僅僅為了將太空梭送入地球軌道（達到 17,500 MPH），火箭就需要攜帶 15 倍於其重量的燃料——這在其他基於化學的火箭系統中被認為是非常有效的。 為了擺脫地球的引力並 探索 我們的太陽系（達到 25,000 MPH），您將需要更多的燃料。

此解決方案的問題之一是可用性。 為了充分利用行星的引力，行星必須在特定的時間、特定的地點。 這留下了一個小窗口，需要啟動探測器。 其中一些窗口可能非常罕見。 探索 太陽系外行星的航海者太空探測器利用了每 176 年才發生一次的行星排列。

然後是成本。 將太空梭送入軌道的平均成本為每次任務 4.5 億美元。 僅僅為了到達近地軌道就付出了巨大的代價，這也是太空梭計劃被取消的重要原因。 如果我們想離開地球軌道並使用如此低效的技術（沒有重力輔助） 探索 我們的太陽系，問題就會變得嚴重。 因為太空中沒有任何燃料站，宇宙飛船必須隨身攜帶所有燃料，燃料不僅昂貴，而且很重。

如果我們想使用標準的化學火箭在合理的時間范圍內（例如 900 年）離開太陽系並前往最近的鄰近恆星，則需要 10 137 公斤燃料——這比我們現有的燃料還要多。行星。 因此，我們需要著眼於開發一種更好、更有效的推進方法。

太陽帆

太陽帆正如其名； 他們乘著太陽風航行。 太空中沒有真正的風，因為太空是真空，但航天器可以用類似的東西來推進自己。 一艘配備有由超薄鏡子製成的巨大帆的飛行器可以利用光和來自太陽的高速噴射氣體的組合來達到令人難以置信的速度。

日本 Ikaros 太陽帆

光和氣體的壓力非常小，但由於空間真空中沒有摩擦，所以隨著時間的推移，這種小壓力會逐漸增加。 如果有足夠的時間，這種壓力可以推動飛行器達到光速的很大一部分。 通過從月球或其他沒有大氣層的衛星上的基地將極其強大的激光或脈澤瞄準帆，可以縮短達到最高速度的時間。

然而，太陽帆確實有其缺點。 一旦遠離太陽（以及我們設置的任何激光助推站），飛船將不再加速，而是依靠自身的慣性前往目的地。 然後，飛船將不得不將其帆指向目的地恆星以減速和減速。

早在 2010 年 5 月，日本發射了 Ikaros 探測器，太陽帆航天器就成為現實。 它成功部署了太陽帆，目前正處於圍繞太陽的寬軌道上。 預計它會在幾年內到達木星。

離子驅動

離子推進器（或離子驅動器）遠沒有科幻小說和電影中描述的那麼令人興奮。 它的運作原理與太陽帆類似； 使用非常低的推力，但在很長一段時間內。 它通過從推動航天器的電動發動機中噴射帶電離子、氣體或等離子體來實現這種推力。

離子引擎測試

這種加速方法允許飛行器獲得非常高的比沖。 由於推力很低，這種飛行器只能在太空真空中工作。 然而，發動機所需的燃料明顯少於化學火箭所需的燃料，由於卡諾極限（效率的限制）而達到最大值。

這項技術正在被大量考慮用於未來的太空任務，並且已經證明了其在太空中的可行性。 1998 年，美國宇航局發射了由氙氣離子發動機提供動力的深空 1 號探測器，這是太空中的第一個離子驅動器。 2003年，日本發射了使用4台氙離子發動機的隼號探測器。 它的任務是與小行星會合並收集樣本。 它於2010年6月完成任務並返回地球。

與太陽帆一樣，離子驅動器也有其缺點。 首先，他們需要隨身攜帶燃料。 雖然獲得最近的恆星所需的數量在技術上是可行的，但它並不是很實用。 旅行時間是另一個問題。 雖然離子驅動器的效率明顯高於火箭發動機，並且非常適合在我們的太陽系周圍短途旅行，但星際旅行完全是另一回事。 在太陽的引力輔助下， 使用離子發動機的飛船 仍需要 19,000 年 才能到達比鄰星。

如果我們想離開太陽搖籃的范圍，我們需要更快的速度。

核動力

如果我們想獲得使用提供給我們最好的技術離我們最近的比鄰星 現在 ，核推進是我們最好的選擇。 它速度快，經過驗證且相對便宜。 一艘配備核脈沖推進器的艦船，理論上可以達到光速的12%。 速度如此之快，您可以在不到 2 秒的時間內完成繞地球一圈的旅行並最終返回起點。 或者你可以在 13 秒內到達月球——相比之下，阿波羅 11 號需要四天才能到達月球。

核脈沖推進

雖然使用離子驅動器到達比鄰星需要 19,000 年，但使用核脈沖推進器則需要相對可控的 35 年。 人類將能夠在他或她的有生之年前往離我們最近的鄰近恆星。 它可以通過已經存在的技術來完成。

核推進的工作方式聽起來有點瘋狂，但它已被證明並且相對簡單。 小型核彈從航天器後部掉落並引爆。 爆炸產生的力使飛行器加速。 這會重復進行，直到達到所需的速度。 一個非常大的加強推進板將保護飛行器免受損壞和輻射，而阻尼器將用於減輕重力的影響並提供平穩的加速。

早在 1958 年，美國軍方就開始以「獵戶座」項目名稱研究核脈沖推進。 由於防止核裝置在太空引爆的部分禁止核試驗條約，該項目於 1963 年擱置。 然而，這個想法並沒有被遺忘。 1973 年，英國星際學會開發了一個類似的概念，稱為代達羅斯計劃。 然後在 1998 年，PSU 的核工程部門開始開發代達羅斯設計的兩個改進版本，稱為 Project Ican 和 Project Aimstar。

核脈沖推進的明顯缺點之一是您必須隨身攜帶燃料。 這意味著攜帶數百或數千枚小型核彈。 還有推板燒蝕的問題。 如果在每次爆炸前不噴上特殊的油，反復暴露在核爆炸中會導致腐蝕。 另一個問題是核輻射。 如果從極地地區發射飛船，或者如果飛船使用常規火箭發射到太空，一旦距離足夠遠，就開始使用其核推進器，這可以避免。

已故的卡爾薩根曾表示，核脈沖推進將是我們現有核武器庫存的絕佳用途。

核聚變

由於其高效、長期的加速能力，配備核聚變發動機的航天器無需攜帶大量燃料即可 探索 我們的太陽系。

理論融合引擎

融合引擎有兩種工作方式。 第一種是利用聚變反應產生的能量來發電。 這種電力可用於使等離子體過熱，然後將其從飛行器後部噴射出來，提供推力。 第二種方法會更直接。 它將使用來自聚變反應的基於等離子體的排氣來提供推力。

聚變引擎的缺點與離子驅動器的缺點非常相似。 雖然聚變是對離子驅動器的巨大改進，但在恆星之間移動時要達到所需的更高速度是非常困難的。 聚變技術也仍處於試驗發展階段。 該技術必須克服等離子體限制的障礙才能可行，然後需要將反應堆小型化到航天器可管理的尺寸。 目前，基於激光的實驗性 ICF 反應堆與足球場一樣大，並且正在努力實現功率輸出的收支平衡。

反物質

反物質是我們目前所知的最有效的燃料來源。 這也是最有效的。 反物質顧名思義，就是電荷顛倒的物質。 當反物質與普通物質接觸時，兩者會在純粹能量的猛烈爆炸中相互湮滅。 一塊小硬幣大小的反物質包含足夠的能量將滿載的太空梭推入軌道。 一旦進入軌道，美國宇航局聲稱前往火星的旅行只需要價值 10 毫克的反物質。

帶有反物質引擎的航天器

使用反物質的引擎在操作上非常簡單。 一束反電子被釋放到發動機核心中，在那裡它會湮滅金屬板的表面。 這會產生推動飛行器前進的小爆炸。 另一種提議的設計使用帆，類似於上述太陽帆。 一團反粒子被釋放出來，然後與帆表面發生爆炸性反應。 這種反應可以推動飛行器達到令人難以置信的速度。 據美國宇航局稱，反物質動力飛行器的速度可達光速的 70%。 這意味著我們可以在不到 6 年的時間內到達比鄰星。

使用反物質的缺點是生產和遏制。 反物質是在粒子加速器上進行的原子粉碎測試的副產品。 操作非常昂貴的測試。 如果我們想要生產一克反物質，它的成本將超過一萬億美元。 遏制也是另一個問題。 由於反物質與普通物質接觸時會發生劇烈反應，因此必須將其儲存在極低溫度下的真空容器中，並由強磁場懸浮。 這成為一個挑戰，因為反電子（正電子）相互排斥，通常是爆炸性的。 已經提出了一些解決方案，有人建議通過將正電子與電子結合，研究人員可以創造一種稱為正電子的元素，理論上可以無限期地存儲反電子。

比光還快

超光速旅行只是科幻小說里的東西，對吧？ 畢竟愛因斯坦不是說過光速是極限速度嗎？ 不一定，物理學家聲稱。 細節決定成敗。 根據物理學，有辦法繞過宇宙的極限速度。 這些技術漏洞在理論上並有可能使我們能夠與光束賽跑 並獲勝 。

美國宇航局的研究人員知道沒有什麼能比光速更快地加速，但他們也知道空間本身沒有這樣的限制。 時空對它的移動速度沒有這樣的限制，人們認為時空在大爆炸膨脹期間超過了光速。 美國宇航局先進推進部門的研究人員一直想知道時空是否可以重復執行。

時空扭曲

曲速引擎，通常是科幻小說中的東西，通過乘坐時空波會比光速更快。 它通過壓縮飛船前面的時空並擴展它後面的時空來產生這種波。 然後一艘船坐在這波浪的中間，並被推動穿過太空。 由於飛船本身並沒有移動，只有飛船周圍的時空在移動，因此沒有違反任何物理定律。

在 NASA Eagleworks，研究人員已經開始嘗試通過實驗室實驗來證明曲速驅動的概念。 在那裡，研究人員設置了一個名為「White-Juday Warp Field Interferometer」的微型曲速驅動器。 該實驗旨在生成一個非常小的扭曲場實例。 一個如此小的翹曲場，預計它只會擾亂一千萬分之一的時空。 雖然如果成功，結果將是平淡無奇的，但這將是概念證明的存在。 新項目的地點是為阿波羅計劃建造的設施，也是將宇航員送上月球的設施。

墨西哥物理學家 Miguel Alcubierre 於 1994 年撰寫了第一篇認真對待曲速引擎的科學論文。 Alcubierre 的論文需要巨大的能量來為他的理論曲速引擎提供動力。 木星的質能當量。 利用這種能量是不切實際且幾乎不可能的，因此他的論文在很大程度上被忽視了。

2012 年 10 月，在 100 年星際飛船研討會上，美國宇航局研究員哈羅德懷特發表演講，宣布他發現了數學方程中的漏洞。 將能量需求降低到遠低於以前認為的水平的漏洞。 他計算出，通過改變曲速引擎和飛船本身的設計，他可以將能量需求降低到只有幾千磅的質量。 這種進步，以及其他類似的進步，邊緣扭曲驅動越來越遠離科幻小說的領域，更接近現實。

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