借助于工程創(chuàng)新和精確的激光加工，可制造出功能強(qiáng)大的消費(fèi)品。

　　逛商場(chǎng)的時(shí)候，人們驚訝于各式各樣的商品，它們的尺寸更小，但是卻更加精致。笨重的顯示器和背投式電視不再為人們所使用。取而代之的是越來越薄的液晶屏和等離子體顯示器。另外，3G智能電話集成了各種功能，包括網(wǎng)絡(luò)新聞、電子郵件、游戲、影片、歌曲、照相機(jī)，以及電話信息。事實(shí)是，工程創(chuàng)新使得許多不同的功能被集成到簡(jiǎn)潔的多層組件中。

　　iPhone公司制造的多點(diǎn)觸控面板包括了至少10層材料，厚度小于1mm，屏幕上的手動(dòng)將產(chǎn)生電容信號(hào)并被傳遞。在醫(yī)療產(chǎn)品中，血糖監(jiān)視片包括了多層次的薄膜材料，這些片狀材料被用于采血、傳輸流體、進(jìn)行酶反應(yīng)、顯色、測(cè)血糖。即使是食物保鮮用的伸縮袋都帶有0.075 mm厚的高性能的復(fù)合擠出薄膜，它帶有圖案層、氧氣層、防潮層、結(jié)構(gòu)層，以及密封層。隨著結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，使用激光來加工這些材料的過程也更加復(fù)雜。

 圖1、在給透明的傳導(dǎo)電極（如銦錫氧化物）進(jìn)行激光
制圖的過程中，可以采用355nm波長(zhǎng)的激光以減小熱
效應(yīng)，不過當(dāng)切割的邊緣重疊時(shí)，熱效應(yīng)仍有可能產(chǎn)生。

　　當(dāng)激光束聚焦于直徑幾十個(gè)微米或更小的目標(biāo)物上時(shí)，材料上激光/材料相互作用很大程度上取決于材料對(duì)特定激光波長(zhǎng)的吸收，激光的峰值功率密度和輻照的時(shí)間。光電或者光熱作用引發(fā)一系列的化學(xué)鍵斷裂，發(fā)生的時(shí)間順序隨著材料的不同而不同。吸收性能較小的材料需要更多的輻照時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)材料接受了所傳導(dǎo)的熱能，材料受壓、熔化，之后，材料重新固化或者表面材料蒸發(fā)，或者在碳化之前燃燒。對(duì)于吸收性能較好的材料，材料的蒸發(fā)或者粒子的燒蝕會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。在極端的情形下，發(fā)生了爆炸性的相位改變和等離子體形成，形成了蒸發(fā)材料的沖擊波。激光加工工藝，如切割、打標(biāo)、打孔、焊接等過程，就是這些作用的體現(xiàn)。

　　對(duì)于多層材料的加工，最簡(jiǎn)單的方法就是選擇一個(gè)激光波長(zhǎng)，使該層在這個(gè)波長(zhǎng)有最大的吸收率。一個(gè)典型的例子就是對(duì)用于柔性電路的薄層材料的微型過孔的盲打過程，該材料是由聚酰亞胺薄層結(jié)合銅箔制成的。因?yàn)榫埘啺繁游?.4微米的CO2激光，而銅的反射系數(shù)很高，所以盲打的過程很容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榫埘啺放c銅的層與層之間的邊界就成為了預(yù)定的接點(diǎn)。

圖2、重復(fù)頻率很高的脈沖光纖激光對(duì)ITO的加工
速度很快，線性速度達(dá)每秒幾百厘米。該過程
速度很快，因此可以避免燒蝕面積附近的熱破壞。

　　在多層聚酰亞胺材料上進(jìn)行合理的激光切割過程，也是利用類似的原則，但是必須仔細(xì)考慮每種多聚物的性質(zhì)，并且很好地控制激光系統(tǒng)。很大程度上來說，大部分的有機(jī)材料在中紅外線的光譜范圍內(nèi)吸收較強(qiáng)。這就是為什么CO2激光器運(yùn)行在8 到11微米的范圍內(nèi)以及其它很廣的功率范圍內(nèi)時(shí)，是加工多聚物材料最有用的激光器之一。從操作上來說，在多層次薄膜中，每一層都是非常薄的，通常是從小于5微米到75微米。根據(jù)每個(gè)薄層吸收效率的不同，激光能量可以部分地從一層透到另一層，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)被穿透。那么，我們?nèi)绾斡羞x擇性地加工多層次的有機(jī)材料呢？解決方案包括：了解每個(gè)薄層的吸收系數(shù)，選擇合適的激光系統(tǒng)以及對(duì)功率、脈沖情況和聚焦光學(xué)進(jìn)行精確的控制，同時(shí)控制激光能量傳輸系統(tǒng)的運(yùn)作。

　　應(yīng)用

　　對(duì)多聚物薄膜進(jìn)行激光加工的應(yīng)用之一就是制造易開封的方便袋。最早所采用的是高性能的聚酯纖維/聚乙烯（PET/PE）柔性包裝用的薄膜。 聚酯纖維在維度上非常穩(wěn)定，可以打印圖案，以及產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像，而聚乙烯提供了包裝袋所需的結(jié)構(gòu)和密封性能上的需要。隔離氧氣和防潮用的薄膜可以被添加在PET和PE之間，對(duì)包裝袋內(nèi)的物品進(jìn)行保鮮。因?yàn)樵诩す獠ㄩL(zhǎng)為10.6微米處，PET的吸收系數(shù)（152 cm-1）比PE的吸收系數(shù)（13 cm-1）大得多，對(duì)PET層的激光切割很容易就達(dá)到了，而影響到PE層的延展性。事實(shí)上，由于PE對(duì)CO2激光相對(duì)透明，PET層可以通過激光從PE層的方向進(jìn)行切割而仍然保存PE層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

　　激光技術(shù)進(jìn)一步為PET/PE薄膜提供了創(chuàng)新性的應(yīng)用。最近，可用于微波爐的包裝袋被開發(fā)出來，這樣的包裝袋有預(yù)先由激光定好的小孔，當(dāng)加熱的時(shí)候，這些小孔會(huì)爆破，使得蒸汽跑出來。這就要求對(duì)薄膜進(jìn)行更精確的深度打孔。在生產(chǎn)過程中，激光加工薄膜的速度為300 米/分鐘。該技術(shù)可以在高速和低速兩種情況下都具有穩(wěn)定的速度，并且能進(jìn)行精確的功率控制。

　　有機(jī)材料和多聚化合物的組合是各種各樣的，因此，對(duì)激光能量進(jìn)行創(chuàng)新性的控制，并結(jié)合對(duì)多層聚合材料加工中材料吸收過程的理解，將帶來新的應(yīng)用。例如，在聚酯纖維/乙烯-乙烯醇/聚乙烯塑料（PET/EVOH/PE）的組合中，EVOH層的微型孔可以在激光能量的輻照下產(chǎn)生，而另一層卻不會(huì)受到影響。這是由于與PET和PE相比，EVOH有很高的吸收系數(shù) (高于400 cm-1) 。基于這項(xiàng)觀察以及其它類似的觀察，技術(shù)人員正在進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)，以開發(fā)更多的工業(yè)應(yīng)用。

　　聚丙烯/聚乙烯（PP/PE）塑料也是一種很普遍的包裝用薄膜。盡管它們?cè)贑O2激光波長(zhǎng)10.6微米處的吸收系數(shù)很接近，分別為32 cm-1和13 cm-1，聚丙烯層上的部分穿孔還是可能的，只要激光束在PP層表面聚焦得當(dāng)，同時(shí)也精準(zhǔn)控制激光能量。根據(jù)光束在與薄膜接觸時(shí)的傳輸速度，在激光束附近的一部分熔化的PP材料可以在達(dá)到蒸發(fā)溫度以前重新被固化，使得一小部分的材料留在打孔的線上。該現(xiàn)象使得人們?cè)诖蚩椎木€上能以同一個(gè)方向撕開。

　　在加工多層次的多聚合物材料時(shí)，在任一個(gè)吸收層上對(duì)熱消散的控制尤為重要，因?yàn)榇蟛糠值木酆衔锶埸c(diǎn)較低。當(dāng)激光光束被吸收的時(shí)候，它的能量作為熱能被傳送到吸收層。在材料內(nèi)部，如果熱量在熱傳導(dǎo)以前沒有被很好地使用，它會(huì)傳播到附近的薄層，導(dǎo)致該層被熔化。根據(jù)具體應(yīng)用情況的不同，這可以是優(yōu)點(diǎn)，也可以是缺點(diǎn)。當(dāng)所需要的是部分切割，材料表面熔融材料的蒸發(fā)通常發(fā)生在熱傳導(dǎo)之前。若激光功率比較高，加工速度比較大，那么加工結(jié)果就比較好。與此相比，高度吸收的層可以有計(jì)劃地與多層次結(jié)構(gòu)結(jié)合到一起，使得原本不會(huì)起反應(yīng)的材料更好地被切割。以一些金屬化的PET/PE結(jié)構(gòu)為例。CO2激光在切割金屬層時(shí)，通常是無效的，因?yàn)榻饘賹訉?duì)于該波長(zhǎng)來說是高度反射性的。然而，如果激光穿過聚乙烯層，被PET層吸收，PET層和金屬化層都能以干凈而有效的方式被吸收。

　　選擇合適的激光、脈沖能量和脈沖寬度，對(duì)一項(xiàng)應(yīng)用來說是極為重要的。最明顯的例子就是在透明傳導(dǎo)電極（比如聚酯纖維基底上的ITO）上進(jìn)行激光制圖。需要考慮的是，在激光加工過程中因熱效應(yīng)而帶來的產(chǎn)品缺陷，尤其是采用如1.06微米波長(zhǎng)的激光時(shí)，對(duì)基底和粗糙的 ITO層邊緣產(chǎn)生的破壞。當(dāng)切換到355 nm波長(zhǎng)的激光時(shí)，這些破壞就達(dá)到最小，但是當(dāng)蝕刻線重合的時(shí)候仍會(huì)發(fā)生（如圖１）。

　　當(dāng)以顯微鏡對(duì)基底沿著切割的邊緣觀察時(shí)，可以看到熱破壞造成基底的突出，ITO層比PET表面明顯高出來一段距離。這些效應(yīng)的出現(xiàn)是由于峰值功率和激光脈沖重復(fù)頻率都無法以足夠快的速度燒蝕ITO層，所以無法避免熱累積。高脈沖、高重復(fù)頻率（大于150 kHz）的光纖激光器使ITO的快速加工成為可能，線性加工速度達(dá)每秒幾百厘米。該過程的速度足夠快，以至于可以避免在燒蝕區(qū)域內(nèi)的熱破壞（如圖２）。現(xiàn)在ITO層的燒蝕利用1.06微米的激光，或者533nm的倍頻激光可以達(dá)到很好的加工效果。隨著這些技術(shù)改進(jìn)，激光對(duì)PET層上ITO材料的加工能夠在許多方面找到快速應(yīng)用，例如，觸摸屏的電極形成，或者薄膜太陽能電池制造業(yè)中的電極分離。（作者：Christopher Chow）