逛商場的時候，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，包括網絡新聞、電子郵件、游戲、影片、歌曲、照相機，以及電話信息。事實是，工程創新使得許多不同的功能被集成到簡潔的多層組件中。 iPhone公司制造的多點觸控面板包括了至少10層材料，厚度小于1mm，屏幕上的手動將產生電容信號并被傳遞。在醫療產品中，血糖監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、進行酶反應、顯色、測血糖。即使是食物保鮮用的伸縮袋都帶有0.075 mm厚的高性能的復合擠出薄膜，它帶有圖案層、氧氣層、防潮層、結構層，以及密封層。隨著結構的復雜化，使用激光來加工這些材料的過程也更加復雜。 當激光束聚焦于直徑幾十個微米或更小的目標物上時，材料上激光/材料相互作用很大程度上取決于材料對特定激光波長的吸收，激光的峰值功率密度和輻照的時間。光電或者光熱作用引發一系列的化學鍵斷裂，發生的時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間，在這段時間內材料接受了所傳導的熱能，材料受壓、熔化，之后，材料重新固化或者表面材料蒸發，或者在碳化之前燃燒。對于吸收性能較好的材料，材料的蒸發或者粒子的燒蝕會在很短的時間內發生。在極端的情形下，發生了爆炸性的相位改變和等離子體形成，形成了蒸發材料的沖擊波。激光加工工藝，如切割、打標、打孔、焊接等過程，就是這些作用的體現。 對于多層材料的加工，最簡單的方法就是選擇一個激光波長，使該層在這個波長有最大的吸收率。一個典型的例子就是對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合銅箔制成的。因為聚酰亞胺薄層吸收9.4微米的CO2激光，而銅的反射系數很高，所以盲打的過程很容易實現，因為聚酰亞胺與銅的層與層之間的邊界就成為了預定的接點。 在多層聚酰亞胺材料上進行合理的激光切割過程，也是利用類似的原則，但是必須仔細考慮每種多聚物的性質，并且很好地控制激光系統。很大程度上來說，大部分的有機材料在中紅外線的光譜范圍內吸收較強。這就是為什么CO2激光器運行在8 到11微米的范圍內以及其它很廣的功率范圍內時，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。根據每個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，導致整個結構被穿透。那么，我們如何有選擇性地加工多層次的有機材料呢？解決方案包括：了解每個薄層的吸收系數，選擇合適的激光系統以及對功率、脈沖情況和聚焦光學進行精確的控制，同時控制激光能量傳輸系統的運作。 應用 對多聚物薄膜進行激光加工的應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定，可以打印圖案，以及產生高質量的圖像，而聚乙烯提供了包裝袋所需的結構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，對包裝袋內的物品進行保鮮。因為在激光波長為10.6微米處，PET的吸收系數（152 cm-1）比PE的吸收系數（13 cm-1）大得多，對PET層的激光切割很容易就達到了，而影響到PE層的延展性。事實上，由于PE對CO2激光相對透明，PET層可以通過激光從PE層的方向進行切割而仍然保存PE層結構的特點。 激光技術進一步為PET/PE薄膜提供了創新性的應用。最近，可用于微波爐的包裝袋被開發出來，這樣的包裝袋有預先由激光定好的小孔，當加熱的時候，這些小孔會爆破，使得蒸汽跑出來。這就要求對薄膜進行更精確的深度打孔。在生產過程中，激光加工薄膜的速度為300 米/分鐘。該技術可以在高速和低速兩種情況下都具有穩定的速度，并且能進行精確的功率控制。 有機材料和多聚化合物的組合是各種各樣的，因此，對激光能量進行創新性的控制，并結合對多層聚合材料加工中材料吸收過程的理解，將帶來新的應用。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生，而另一層卻不會受到影響。這是由于與PET和PE相比，EVOH有很高的吸收系數 (高于400 cm-1) 。基于這項觀察以及其它類似的觀察，技術人員正在進行不同的實驗，以開發更多的工業應用。 聚丙烯/聚乙烯（PP/PE）塑料也是一種很普遍的包裝用薄膜。盡管它們在CO2激光波長10.6微米處的吸收系數很接近，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，同時也精準控制激光能量。根據光束在與薄膜接觸時的傳輸速度，在激光束附近的一部分熔化的PP材料可以在達到蒸發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。該現象使得人們在打孔的線上能以同一個方向撕開。 在加工多層次的多聚合物材料時，在任一個吸收層上對熱消散的控制尤為重要，因為大部分的聚合物熔點較低。當激光光束被吸收的時候，它的能量作為熱能被傳送到吸收層。在材料內部，如果熱量在熱傳導以前沒有被很好地使用，它會傳播到附近的薄層，導致該層被熔化。根據具體應用情況的不同，這可以是優點，也可以是缺點。當所需要的是部分切割，材料表面熔融材料的蒸發通常發生在熱傳導之前。若激光功率比較高，加工速度比較大，那么加工結果就比較好。與此相比，高度吸收的層可以有計劃地與多層次結構結合到一起，使得原本不會起反應的材料更好地被切割。以一些金屬化的PET/PE結構為例。CO2激光在切割金屬層時，通常是無效的，因為金屬層對于該波長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。 圖1、在給透明的傳導電極（如銦錫氧化物）進行激光制圖的過程中， 可以采用355nm波長的激光以減小熱效應，不過當切割的邊緣重疊時， 熱效應仍有可能產生。選擇合適的激光、脈沖能量和脈沖寬度，對一項應用來說是極為重要的。最明顯的例子就是在透明傳導電極（比如聚酯纖維基底上的ITO）上進行激光制圖。需要考慮的是，在激光加工過程中因熱效應而帶來的產品缺陷，尤其是采用如1.06微米波長的激光時，對基底和粗糙的 ITO層邊緣產生的破壞。當切換到355 nm波長的激光時，這些破壞就達到最小，但是當蝕刻線重合的時候仍會發生（如圖１）。 圖2、重復頻率很高的脈沖光纖激光對ITO的加工速度很快，線性速度達每秒幾百厘米。 該過程速度很快，因此可以避免燒蝕面積附近的熱破壞。當以顯微鏡對基底沿著切割的邊緣觀察時，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。這些效應的出現是由于峰值功率和激光脈沖重復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域內的熱破壞（如圖２）。現在ITO層的燒蝕利用1.06微米的激光，或者533nm的倍頻激光可以達到很好的加工效果。隨著這些技術改進，激光對PET層上ITO材料的加工能夠在許多方面找到快速應用，例如，觸摸屏的電極形成，或者薄膜太陽能電池制造業中的電極分離。 本文作者Christopher Chow博士是美國Preco Incorporated公司的副總裁，Jim Bucklew、Dan Miller和Todd Cleavenger是該公司的應用開發工程師。公司網址：www.precoinc.com。