超快激光微焊接脆性光学材料的研究进展与挑战

长三角G60激光联盟导读

脆性光学材料在精密机械、生物医学、光电传感、光子集成和航空航天等领域应用广泛，但其连接难题一直制约着产业发展。传统连接技术存在加工速度慢、稳定性不足、需填充材料等缺陷，而超快激光微焊接技术凭借非线吸收、热影响区小、焊接精度高等优势，成为脆性光学材料连接的前沿技术方向。本期激光联盟为大家分享广西大学龙昱教授团队发表在《Optics & Laser Technology》的最新综述，系统梳理超快激光微焊接脆性光学材料的研究进展、作用机理、数值模拟成果，剖析当前技术瓶颈并展望未来发展方向，为相关领域研究人员和工程技术人员提供全面参考。

01

超快激光微焊接技术是连接玻璃、陶瓷、蓝宝石、硅等脆性透明光学材料的创新技术，近年来备受关注。本文首先全面阐述了超快激光微焊接脆性光学材料的应用、现象及作用机理，涵盖透明 - 透明、透明 - 半透明、透明 - 不透明光学材料的焊接体系，深入分析该技术的最新研究进展，重点探讨焊接过程现象与机理，总结脆性光学材料超快激光微焊接的工艺特征和形成规律，揭示其成型机制；同时指出脆性材料焊接过程中存在的接触间隙大（尤其是复杂形状材料）的关键瓶颈问题，且目前超快激光与脆性光学材料间的微焊接物理机理认知仍不成熟。其次，综述了超快激光微焊接脆性光学材料数值模拟领域的最新突破。最后，明确了该技术现存的挑战与未来发展前景，强调泵浦探测显微镜、等离子体成像、声发射等原位监测技术对揭示微焊接机理、实现超快激光微焊接过程精准控制的重要意义。

02

部分图文

全面覆盖多类焊接体系

系统梳理了透明 - 透明、透明 - 半透明、透明 - 不透明三类脆性光学材料组合的超快激光微焊接技术，涵盖玻璃、陶瓷、蓝宝石、硅、金属等多种材料的同质 / 异质连接，应用场景覆盖微流控器件、光伏组件、光子集成、电子封装等多个领域。

深入解析核心机理与工艺

详细阐明了超快激光非线性吸收、雪崩电离、热积累等关键作用机理，重点分析了光学接触与非光学接触两种工况下的工艺特征，提出了双脉冲焊接、贝塞尔光束焊接、水中间层辅助焊接等创新工艺方案，突破了传统工艺对间隙的严苛要求。

聚焦技术瓶颈与突破方向

明确指出脆性材料（尤其是复杂形状）焊接时的大接触间隙是核心瓶颈，同时总结了数值模拟在温度场、界面分子动力学、等离子体密度等方面的最新进展，为工艺优化提供理论支撑。

指明未来发展方向

强调泵浦探测显微镜、等离子体成像等原位监测技术的重要性，提出纳米材料跨尺度焊接、光束整形与多能量复合焊接、空间光调制技术应用等前沿研究方向，为技术工业化落地提供指导。

图 1 利用超快激光快速制备和封装玻璃微流控器件 [64]

（a）硼硅酸盐玻璃（BSG）盖与光纤飞秒激光焊接的示意图；（b-d）焊接在 BSG 盖上的两根对准单模光纤（SMF）顶部的显微镜图像，间隙长度分别约为 2.9μm 和 1.9μm；（e）单模光纤（直径 125μm）与熔融石英套管伪连续焊缝飞秒激光焊接的实验装置；（f）背光记录的显微镜图像显示 SMF-28 光纤（直径 125μm）与熔融石英之间形成焊缝的横截面（上排）和侧面（下排）视图。

图 3 光学接触条件下不同玻璃组合的焊接 [13,14,15,17]

（a-b）玻璃的双脉冲飞秒激光焊接；（c）离焦量与剪切强度的关系；（d）光学接触的 BK7 玻璃与石英玻璃的超快激光焊接；（e-f）光学接触石英玻璃的高重复率焊接。

图 4 非光学接触条件下不同玻璃组合的焊接效果图及界面图 [22,23]

（a）不同焦点位置下的焊接效果图；（b）焊接横截面；（c）焦点位于界面处；（d）焦点位于界面下方；（e）非光学接触条件下不同焦点位置对应的样品横截面；（f）不同焦点位置与间隙宽度对应的焊接示意图。

图 5 非光学接触条件下玻璃的焊接效果图及界面图 [49,50,51]

（a）大间隙玻璃焊接方法的示意图；（b）高斯光束通过聚焦物镜会聚与具有相同横向约束强度的贝塞尔光束对比；（c）飞秒激光贝塞尔光束在不同聚焦位置焊接的样品图；（d）飞秒激光高斯光束在不同聚焦位置焊接的样品图；（e-i）在脉宽 1.2ps、重复率 1MHz、扫描速度 1mm/s 条件下，超快贝塞尔光束和高斯光束在铝硅酸盐玻璃内部写入的改性线。

图 6 压力和水中间层辅助改进非光学接触玻璃的飞秒激光焊接 [81]

（a）压力和水中间层辅助非光学接触玻璃飞秒激光焊接示意图；（b）脉冲能量 9μJ、重复率 1087kHz、扫描速度 1mm/s 时，不同焦点位置改性区的横截面形貌；（c）不同脉冲能量下玻璃中改性区的横截面形貌；（d-e）水中间层辅助飞秒激光焊接在玻璃中形成的改性区形貌。

（a-d）基于高速摄影的玻璃熔池演化过程；（e）扫描轨迹图；（f）焊接剪切力和剪切强度；（g）玻璃中熔池的示意图及显微镜观察图。

图 8 透明材料 - 透明材料的超快激光焊接机理 [47,84]

（a）脆性透明材料的超快激光微焊接过程；（b）超短脉冲激光作用于玻璃材料产生的水滴状双层结构作用区；（c）多光子电离或隧穿电离产生自由电子；（d）电子加热和碰撞电离后的雪崩电离；（e）局域态形成与自由电子弛豫。

图 9 透明 - 透明材料超快激光微焊接的等离子体形成机理 [11,87,90,91]

（a）有无间隙时玻璃焊接的示意图；（b）超快激光扫描过程中熔池形成机理的示意图；（c）等离子体运动过程；（d）超短脉冲激光焊接玻璃作用区的泵浦探测图。

（a-e）陶瓷超快激光焊接的两种原理示意图；（f）不同热处理（空气中退火时间）YSZ 样品的线性透射率测量；（g）不同退火时间 YSZ 的非线性透射率（Z 扫描）测量；（h）低吸收和高吸收样品的激光脉冲数对熔池直径的影响；（i）2ps 和 230fs 脉宽下激光脉冲数对熔池直径的影响；（j）YSZ 激光作用区（LAZ）附近的横截面 SEM 显微图；（k）氧化铝激光作用区（LAZ）附近的横截面 SEM 显微图。

（a）USPL 焊接样品的典型形貌；（b）图 11a 中 A 点和 B 点的 XRD 图谱；（c）焊缝典型断裂面的形貌；（d）c 的高倍图像；（e）样品横截面的典型形貌；（f）e 的高倍图像；（g）焊缝与母材之间区域的 EBSD 图像。

图 12 透明 - 不透明材料的超快激光焊接现象 [38,39,98,99]

（a）透明 - 不透明材料的超快激光焊接示意图；（b）透明材料 - 不透明材料的超快激光微焊接过程；（c）透明与不透明材料之间超快激光微焊接的热传递示意图；（d）泪滴状结构；（e）超快激光脉冲的非线性吸收；（f）不同焦点位置的光学接触焊接；（g）超快激光焊接透明材料与金属的能量沉积过程示意图。

图 13 超快激光微焊接在脆性材料组件装配中的应用 [66,67,100,101,102]

（a-d）血压传感器的超快激光选择性封装；（e-g）光子晶体光纤端帽的激光选择性焊接；（h）玻璃基片密封陶瓷腔体；（i）微流控器件的超快激光选择性封装。

（a）、（c）激光功率 19.52W、焊接速度 0.8mm/s 条件下焊接的 Al₂O₃/TA2 样品上表面（a）和背面（c）的典型光学形貌；（b）、（d）分别为 a）、c）的高倍图像；（e-h）Al₂O₃/ 焊缝界面的 TEM 图像：e）HAADF 图像，f）-h）Ti、Al、O 的元素分布；（i）、（j）e 中指示区域的选区电子衍射（SAED）图谱；（k）e 中界面的高分辨 TEM（HRTEM）图像；（l）k 的高倍图像。

图 15 超短脉冲激光实现 MgAl₂O₄与 Ti6Al4V 的可靠连接 [103]

（a）飞秒激光焊接 MgAl₂O₄/Ti6Al4V 钎焊接头的 SEM 图像；（b）a 中区域的放大图；（c）焊接区的元素分布线扫描；（d）接头的 XRD 物相分析结果；（e-g）MgAl₂O₄/ 焊接区界面的 TEM 图像：e）HAADF 图像，f-1）Ti₆O 的 HRTEM 图像，f-2）Ti₆O 的衍射图谱，g-1）MgAl₂O₄的 HRTEM 图像，g-2）MgAl₂O₄的衍射图谱。

图 16 飞秒激光增强下 Si₃N₄/7A52 铝合金的连接示意图 [104]

（a）Si₃N₄陶瓷与 7A52 铝合金（Al-Si-Mg）的连接示意图；（b）钎焊接头的截面结构：Si₃N₄基体、再结晶 Si+SiO₂层、Al-Si 共晶层 + MgO、Al（固溶体）；（c）元素分布：Al、O、Si、Mg 在界面的分布情况；（d）钎焊缝的详细结构示意。

（a）玻璃与铝之间焊缝的 SEM 图像及元素分布；（b-f）蓝宝石玻璃与金属之间焊缝的 SEM 图像及元素分布：b）接头区域划分（I 区：蓝宝石，II 区：界面区，III 区：Fe-36Ni 合金），c）HRTEM 图像，d）界面区高倍 SEM 图像，e）、f）分别为 I 区和 III 区的 SAED 图谱。

图 18 超快激光微焊接制备高强度无渗漏蓝宝石 / 铝接头 [106]

（a-c）不同激光通量下蓝宝石 / 铝接头的横截面形貌及对应的 EDS 结果：（a）-（a3）0.48J/cm²；（b）-（b3）0.56J/cm²；（c）-（c3）0.64J/cm²；（d）不同方法获得的蓝宝石 / 蓝宝石和蓝宝石 / 金属接头的剪切强度对比；（e-f）不同测试温度下蓝宝石 / 铝接头的载荷 - 位移曲线（e）及对应的剪切强度和最大断裂位移统计（f）。

（a）Al-SiO₂焊接系统的示意图；（b）焊接接头的横截面及五个特征区：母材熔融石英（B-FS）、熔融石英熔区（FS-FZ）、铝 - 熔融石英混合区（Al-FS-MZ）、铝熔区（Al-FZ）、母材铝合金（B-Al）；（c）TF1 区域的 HAADF-STEM 图像；（d）c 的 EDS-HAADF 谱图；（e）Al、O、Si、Mg 的 EDS-HAADF 分布图谱；（f-k）Al-O 富集区中氧化铝相的分析；（l）焊缝形成过程的示意图（四个阶段：激光脉冲电离与非线性吸收、等离子体形成与热传递、材料扩散与凝固、晶粒细化与固结）。

图 20 超快激光猝发模式焊接填充钎料的玻璃与金属，形成超大熔池 [45]

（a）实验装置及激光脉冲输出信息；（b）不同激光输出模式（单脉冲模式、猝发模式）下的焊接样品及过程；（c）不同位置扫描区域的形貌；（d）等离子体通道的生长过程；（e）月牙形结构形成的机理。

（a）直接飞秒激光诱导微焊接及（a1-a3）直接焊接结合区的微观形貌；

（b）飞秒激光诱导反向转移（LIBT）制备涂层后的焊接示意图及（b1-b3）蓝宝石表面通过 LIBT 制备的 Ti 涂层微观形貌；（b4-b6）Ti 涂层蓝宝石与铜飞秒激光诱导微焊接接头的横截面形貌。

（a）焊接及原位观察的实验方案；（b）单脉冲能量 10μJ、30μJ、50μJ 时的等离子体行为；（c）不同脉冲能量照射下光学接触（OC）界面的时间分辨反射率；（d）不同脉冲能量下 1-100 个脉冲与 OC 界面相互作用后，门宽 5ns 记录的等离子体行为。

（a-c）测量系统的示意图；（d-f）玻璃位置解耦的示意图。

（a）超快激光焊接装置的示意图；（b）输入脉冲能量 300nJ 和 600nJ 时，无（红色）和有（绿色）非线性焦点偏移预补偿条件下，硅与铜之间的激光诱导剪切连接强度；（c-f）激光焊接（入射能量 950nJ）的材料分析结果。

图 25 金属纳米颗粒辅助超快激光等离子体微焊接蓝宝石 - 半导体互连 [93]

（a）超快激光微焊接的实验装置示意图；（b）不同离焦量下超快激光微焊接后蓝宝石 - 硅和蓝宝石 - 银 - 硅接头的剪切强度；（c）离焦条件下异质蓝宝石 - 银 - 硅结构的超快激光等离子体微焊接示意图；（d-l）蓝宝石 - 硅和蓝宝石 - 银 - 硅界面微观结构的横截面 SEM 图像及 XPS 图谱。

（a）、（b）蓝宝石 - 硅接头的硅侧（a）和蓝宝石侧（b）断裂面；

（c）、（d）蓝宝石 - 银 - 硅接头的硅侧（c）和蓝宝石侧（d）断裂面；（e）超快激光微焊接蓝宝石 - 硅和蓝宝石 - 银 - 硅接头的断裂机理示意图：蓝宝石 - 银 - 硅接头的断裂发生在硅片内部，而蓝宝石 - 硅接头的断裂发生在结合层内。

（a）脉冲能量 1.0μJ、速度 0.5mm/s 照射下焊接线横截面的形貌及（右上角）放大区域；（b）焊接线横截面的化学元素分析（EDS 线扫描）；（c-f）连接分离后样品的 SEM 图像：（c）非光学接触的 SiC 表面，（d）区域 1 的放大图，（e）区域 2 的放大图，（f）光学接触的 SiC 表面。

（a-d）重复率 2MHz、脉冲能量 2μJ、脉冲数 10 时 Si/D263 玻璃的横截面及硅和氧的分布；（e）玻璃 - 硅界面的元素分析。

（a）不同脉冲能量下的模拟吸收体积；（b）沿热传播方向的横截面温度场；（c-d）残余应力场和应变场分布图。

（a）电子温度的对数横坐标时间分布；（b）电子温度的线性横坐标时间分布；（c）晶格温度的对数横坐标时间分布；（d）晶格温度的线性横坐标时间分布。

（a）单脉冲飞秒激光照射后样品横截面的热场演化；（b）样品界面附近不同位置的热弛豫过程；（c-d）不同焦点位置下，熔融石英玻璃侧距样品界面 5.0μm 处（c）和碳化硅侧距样品界面 3.0μm 处（d）材料的热弛豫过程。

（a）B33 玻璃的温度依赖性比热容（cₚ）和热导率（k）；

（b）考虑 cₚ和 k 温度依赖性时，50 个脉冲的最高温度时间演化（蓝色曲线）；（c）、（d）分别为第 1 个脉冲和第 50 个脉冲后 1μs 的温度分布（yz 横截面）。

图 33 飞秒激光照射铝 - 熔融石英界面的分子动力学模拟 [142]

（a）分子动力学模拟的铝 - 熔融石英焊接过程快照；

（b-e）混合区域的热力学性质等高线图：（b）铝原子的温度等高线图，（c）熔融石英的温度等高线图，（d）铝原子的应力等高线图，（e）熔融石英的应力等高线图。

（a-f）脉冲间隔 0ps、10ps、20ps、50ps、100ps、200ps 时离子密度的等高线图；（g）电子温度最大值 [空心（红色）圆圈] 和第二个脉冲后 100ps 的电子温度 [实心（蓝色）圆圈]；（h）等离子体羽流对第一个（蓝色方块）和第二个（红色圆圈）脉冲的吸收率随脉冲间隔的变化。

图 35 激光通量 0.2J/cm² 下超快激光照射蓝宝石 - 银 - 硅的电场分布 [93]

（a-d）不同时间（3ps、10ps、20ps、4ns、1μs）蓝宝石 - 银 - 硅结构内的电场分布；（e）晶格温度分布及演化；（f-h）选定银纳米颗粒表面三个点的电子和晶格温度演化。

超快激光微焊接具有加工精度高、应用范围广的优势，凭借高局域性和极小的热影响区，可实现玻璃 - 金属、玻璃 - 半导体、玻璃 - 玻璃等透明脆性材料的直接焊接，三维空间选择性使其能实现复杂形状透明物体的精准焊接。但该技术仍处于发展初期，在基础原理、关键技术和工艺开发方面面临诸多挑战，尽管具有上述优势，超快激光焊接仍处于基础研究和关键技术开发的早期阶段，在实现广泛工业应用前，需解决基础原理、关键技术、核心设备开发、工艺研发等方面的一系列问题。

目前存在的关键问题包括微纳气泡的产生、热残余应力、工作温度范围有限等；超短、高能量密度激光脉冲形成异质焊缝的过程高度复杂，主要源于过程的瞬态性和两种材料热性能的不匹配；除传统焊接机理外，超短脉冲激光的自聚焦效应也可实现焊接，该方法无需高脉冲重复率，仅需激光具备足够的峰值功率，因无热积累效应，热扩散极小，激光作用区快速冷却使焊缝宽度仅数微米；超快激光焊接异质材料的主要挑战是将激光精准聚焦在两者的界面；超快激光选择性焊接的物理过程主要分为两个阶段：超快激光能量的选择性沉积、激光诱导多物理场下材料的应力响应弛豫，能量沉积涉及光子与电子的耦合，受光子能量、光场强度、材料电子构型、晶格结构等因素影响，由非线性麦克斯韦方程描述，是超快激光焊接的核心，该阶段激光焦点处的材料在局部多物理场中发生等离子体演化、热冲击、热膨胀、相变、界面烧蚀等过程，材料界面的强键合主要在该阶段形成。

残余应力消除、界面单元控制、协同强化机理揭示等挑战仍未解决，这些问题显著影响接头质量和样品的光学性能，制约了脆性材料 - 金属超快激光微焊接的发展；大面焊接中减小脆性材料的接触间隙难度大，尤其是复杂形状脆性材料，外加外力的效果有限，解决大接触间隙下脆性材料的超快激光焊接问题，仍是该领域的关键瓶颈。

基于过去二十年超快激光微焊接的研究进展，该领域未来的研究重点和发展方向主要集中在以下方面：

纳米材料的跨尺度微焊接

目前超快激光微焊接在二维材料等跨尺度纳米材料中的研究相对不足，未来应深入研究异质界面的形成和异质结构在纳米器件中的集成。超快激光微焊接凭借超短脉宽、高峰值功率、精准的能量局域性，在实现异质材料可靠的纳米连接方面具有独特优势，将在光电、传感、量子技术等领域的微纳器件制造和应用中发挥关键作用。

光束整形与多能量复合焊接

基于锥透镜 - 透镜双合镜的光束整形技术、皮秒 / 飞秒混合脉冲的多能量复合焊接等新兴策略，可增强能量沉积的控制能力，优化激光能量的时空分布，提升与复杂材料的耦合效果，减少热效应，从而将超快激光微焊接的应用范围拓展至更具挑战性的材料体系和几何形状。

基于原位诊断的机理研究

尽管对焊接异质界面的微观结构和成分表征取得了可观进展，但焊接机理仍未完全阐明。泵浦探测显微镜、等离子体成像、声发射监测等先进的原位诊断方法，可捕捉焊接过程中界面的动态演化，深入理解焊接机理，为过程的实时控制和质量预测、多能量复合超快激光微焊接策略、新材料的微焊接、拓展至更复杂和苛刻的应用场景提供坚实的理论支撑。

空间光调制技术的应用

近年来，国内外众多研究团队表明，将空间光调制技术应用于超快激光微焊接，已成为提升加工效率的主流技术之一。传统超快激光微焊接技术加工效率低，多光束 / 多焦点加工方法的灵活性差、通用性有限。将空间光调制、动态数字光场生成、计算全息技术相结合，超快激光微焊接可在焊接过程中实现灵活可控的光调制和面投影曝光，实现高效、大面加工，且分辨率与单焦点超快激光微焊接相当。该方法是制造高精度、高功能化、高集成化、高质量的三维大面焊接件，以及各类微纳结构器件封装的重要途径，使光电子行业的集成微纳光子器件、微纳机械器件、生物医学器件的工业化封装成为可能。

面向微纳制造的技术革新

超快激光微焊接作为一种高精度、高性能的键合技术，有望成为下一代微纳制造的关键支撑技术。互连策略、原位诊断、光束调制、复合能量传输等方面的持续创新，将推动其向可扩展、智能化、面向应用的解决方案发展。

超快激光微焊接在特种材料的键合中发挥着至关重要的作用，但仍面临系统成本高、非线性相互作用控制难等挑战，激光 - 材料相互作用和工艺优化的研究有望克服这些障碍。未来的研究重点包括：①降低系统成本，提升行业可及性；②改进非线性相互作用的控制，实现精准加工；③探索先进的加工技术，拓展材料应用范围；

长三角G60激光联盟

陈长军转载

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