｜超快雷射於鈦金屬表面生成微/奈米結構之探討

摘要：超快雷射技術具備低熱傳導、極低之熱影響區、高加工解析、多光子非線性吸收及加工尺度達次微米等特性，可廣泛應用於各種材料之微/奈米結構生成。本文使用皮秒綠光超快雷射於鈦金屬材料表面生成微/奈米結構，其雷射光波長為532 nm，脈衝寬度<15 ps，平均功率>8 W，脈衝頻率200 kHz。

藉由參數調變探討微/奈米結構生成之影響，調變參數包含雷射脈衝能量（5 μJ、15 μJ、20 μJ及30 μJ）與掃描時間（12.3 s、36.9 s）等。依據測試結果發現在雷射脈衝能量5 μJ時，可以在鈦金屬表面生成週期性結構，其結構間距與雷射波長532 nm相同。當改變掃瞄時間，在低脈衝能量時（5 μJ）表面結構不會有太多改變，唯有在微結構的表面會生成一些極微小的顆粒；而將雷射脈衝能量提高至30 μJ時，可在表面生成微/奈米結構。。

Abstract: Ultrafast laser is featured with non heat conductivity, very small heat affected zone, multi-photon nonlinear absorption and sub-micron processing scales.  This in turn has a positive effect on burr control and significantly improved resolution.  It can be widely used in the formation of micro/nano structures of various materials.  This article discussed the use of pico-second ultrafast green laser on the surface of titanium materials with wavelength of 532 nm, pulse width less than 15 ps, average power greater than 8W and repetition rate of 200 kHz.

The laser pulse energy (5 μJ, 15 μJ, 20 μJ and 30 μJ) and scan time (12.3 s, 36.9 s, etc) were adjusted to investigate the effect on the generation of micro/nano structures.  Based on the test results, at laser pulse energy of 5 μJ, it is capable to generate periodic surface structure on the surface, and the spacing between the structures is identical to the 532 nm laser wavelength.  When the scan time was changed, there was no significant change on the surface structure when the laser pulse energy was low (5 μJ), only few tiny granular structures were formed on the surface of the micro-structure.  After the energy was increased to 30 μJ, micro/nano structures were generated on the surface.

關鍵詞：超快雷射、雷射誘發週期表面微結構、微/奈米結構

Keywords：Ultrafast laser, Laser induced periodic surface structure, Micro/nano structures

前言
鈦（Titanium）金屬材料具有重量輕、強度大、彈性高、耐熱性強、耐低溫性能及耐腐蝕等特性，於1957年開始被廣泛的運用在太空及航空科技上，當時就被譽為『未來的金屬』，成為大家廣泛研究與應用的工程材料。除航太科技外，鈦合金也可運用在航海業、化工業、電子業、電鍍業、食品業、醫療設備、發電廠、海水淡化系統、鐘錶、電腦、廚具與藝品等產品，甚至生醫科技材料也大量採用鈦金屬材料，人工植牙牙根與牙套、人工骨骼等都已經利用鈦合金來製成。

近幾年於雷射應用科技中，超快雷射微/奈米成型技術是國際上產學研等相關單位爭相投入與發展的領域。超快雷射可以解決傳統雷射加工因脈衝時間過長，將會提高材料之熱效應，且降低其加工尺度。本文主要使用超快雷射應用於鈦金屬表面微/奈米結構生成之探討，針對使用不同參數的（脈衝能量、雷射頻率及雷射掃瞄時間…等）調變，來改變表面微/奈米結構的外觀形貌與內部結構。

超快雷射介紹
雷射加工製程技術依據雷射光之脈衝寬度可分為飛秒級（femtosecond，10-15 s）、皮秒級（picosecond，10-12 s） 與奈秒級（nanosecond，10-9 s）雷射等，一般皮秒級與飛秒級皆屬於超快雷射等級。超快雷射（Ultrafast laser）由於脈衝寬度極短，可在金屬或硬脆材料上，實現低熱效應之微米或奈米尺度加工。

針對超快雷射主要提出兩款雷射源在此做個介紹，分別為Talisker （picosecond）與Spirit （femtosecond）雷射源。其中因為Talisker為Fiber base，所以雷射產生之能量會較低，且使用光纖傳輸時，能量若過大光纖則有燒毀的可能性存在。而Spirit則是使用Crystal，將可產生較大能量的雷射光。

•Talisker：
圖1為雷射源內部單元的架構示意圖，可產生<15 ps之脈衝寬度，在此將說明各單元所扮演的角色。

圖1中的Fiber Seed Laser為頻率40 MHz之種子源雷射，接著藉由Free-Space Amplifier將其種子源的頻率縮小至200 kHz，再由AOM來切換至兩個各別的單元，一個是用來放大脈衝頻率，另一個是用來使用數位或類比控制雷射脈衝能量，最後藉由Harmonics來使“雷射光之波長達到倍頻的效果[1]。”

•Spirit：
圖2為雷射源內部單元的架構示意圖，可產生400 fs之脈衝寬度，將各別介紹各單元之用途。

圖2中之雷射源主要為High Q Laser的二極體泵浦技術，其中控制單元與電源供應器分別控制與供給雷射源與放大器。在此要放大超快雷射的功率時還必須注意防止非線性效應的產生。解決方法是採用線性變頻放大的技術。必須先由原本超快雷射的脈衝，藉由延展器將此脈衝拉長數千倍後，再利用放大器將其放大到放大器所能承受的飽和程度，最後再利用壓縮器將脈衝壓縮至數千倍，這樣一來將可得到超級短的“脈衝與極高功率的特性[2]。”

而本文雷射源將選用Talisker之皮秒雷射（<15 ps）來製作微/奈米結構。因為根據文獻使用飛秒雷射製作LIPSS（Laser Induced Periodic Surface Structure）已有許多文章討論過，而使用皮秒雷射製作LIPSS則較少有相關的文章討論，所以選用皮秒雷射將會是較具有創新的新製程。