激光打孔中孔洞狀況與水層厚度的關(guān)系研究

蔣 毅

(嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院， 廣東 梅州 514015)

0 引言

自從1960年第一臺(tái)紅寶石激光器問世以來，1962年就率先用于對(duì)刀片的打孔，開創(chuàng)了激光打孔應(yīng)用的先例.現(xiàn)今激光打孔已發(fā)展成為一種先進(jìn)的加工方法，具有打孔速度快、成本低、效率高、變形小、適用性廣等特點(diǎn)，特別適合于加工微細(xì)深孔，同時(shí)激光打孔既可適用于各種金屬材料，也適用于難加工的硬質(zhì)非金屬材料，如金剛石、寶石、陶瓷、玻璃等， 此加工方法既能加工圓形孔，又能加工各種異形孔，在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛.由于在液面下激光打孔比在空氣環(huán)境中高效[1]，我們的研究基于液體環(huán)境中進(jìn)行，要研究的課題是激光打孔質(zhì)量與水層關(guān)系，而靶材選用脆性很強(qiáng)、機(jī)械打孔很難完成的半導(dǎo)體材料—鍺靶.

1 激光打孔原理

激光打孔是熱物理過程，在這過程中激光與物質(zhì)間進(jìn)行極其復(fù)雜的相互作用.當(dāng)激光的功率密度高于105W/cm2時(shí)，就能使材料出現(xiàn)融化或氣化[2]，使被激光照射區(qū)域急速升溫.由于升溫時(shí)間極短，此時(shí)表層的材料開始熔化并大量開始汽化，這些汽化后的氣體相互擠壓，開始向外噴射，形成小坑.隨著照射時(shí)間的增加，被照射區(qū)域的汽化程度急速增大，坑內(nèi)的氣壓急速增大，對(duì)坑的底部和四周產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，使高壓的蒸汽攜帶著大量的液相物質(zhì)向外噴射出去，達(dá)到打孔的目的，故激光打孔本質(zhì)屬于激光去除加工[3～4].

依據(jù)Fabbro受限燒蝕模式下激光壓力預(yù)測(cè)模型理論[5]，當(dāng)浸入水中鍺一受到激光作用瞬間，受激光作用部分被電離、蒸發(fā)，導(dǎo)致所謂“逆韌致輻射”產(chǎn)生，隨后在一個(gè)激光脈沖期間內(nèi)形成高溫高壓的等離子體，等離子體絕熱膨脹以超音速在鍺靶面上產(chǎn)生一個(gè)沖擊波，導(dǎo)致了更強(qiáng)的燒蝕[6].由于水層約束，水層不太厚時(shí)水中燒蝕率高于空氣中燒蝕率，但當(dāng)水層厚度再增加時(shí)，水層約束效果不再增加而水對(duì)激光能量的吸收增加，因而燒蝕率降低.

2 實(shí)驗(yàn)

將一個(gè)純度為99．99%，厚為5．4 mm，直徑為20 mm的立方單晶Ge作為靶源，經(jīng)充分清洗后沉浸在裝有去離子水的玻璃燒杯中，一臺(tái)帶有波長532 nm，脈沖寬度10 ns，輸出單個(gè)脈沖能量為60 mJ，重復(fù)頻率為3．3 Hz的Q-switched Nd: YAG準(zhǔn)分子激光器為打孔光源，光束經(jīng)全反射鏡反射，透鏡聚焦垂直射到鍺靶表面，為探尋孔洞內(nèi)部情況，激光聚焦直徑調(diào)為0．33 mm左右，鍺靶表面水層厚度由0．6 mm增加到3．6 mm，每次增加厚度為0．6 mm，通過直接加去離子水(本實(shí)驗(yàn)每次1ml)實(shí)現(xiàn)(實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示).每個(gè)水層燒蝕時(shí)間均為30 min，整個(gè)裝置置于室溫下進(jìn)行，用掃描電子顯微鏡(SEM)和紫外-可見光光譜儀對(duì)孔洞、液體濃度及燒蝕顆粒樣品進(jìn)行分析.

3 結(jié)果與討論

3.1燒蝕坑洞速率存在最佳水層

利用吸光度與溶液濃度成正比的朗伯-比爾定律關(guān)系，我們對(duì)每個(gè)水層下激光打孔后燒蝕濃度進(jìn)行吸光度測(cè)試，得到燒蝕濃度-水層厚度關(guān)系曲線見圖2.

因?yàn)樵谕葘?shí)驗(yàn)條件下，燒蝕濃度就反映了激光打孔的速率，即燒蝕濃度越大，激光打孔的速率也越快.故從圖2可見，激光燒蝕率隨水層厚度發(fā)生改變，當(dāng)單個(gè)脈沖能量為60 mJ時(shí)，燒蝕率最強(qiáng)為水層1．2 mm處[7].有文獻(xiàn)[8]報(bào)道Si的燒蝕坑洞速率最佳水層厚度為1．1 mm，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論與此吻合.

圖2 燒燭濃度—水層厚度關(guān)系

存在最佳燒蝕水層厚度結(jié)果可由如下理論解釋：

由電磁波理論，激光浸入水中時(shí)，水中激光的能量ε滿足

ε=ε0exp(-γh)，

式中ε0為激光入射到水層表面的能量，γ為水的衰減因子，h為激光入射水層厚度.燒蝕中水層的效果是約束等離子體擴(kuò)散，增強(qiáng)燒蝕效率，但僅取決于靶表面附近，而一旦約束等離子體擴(kuò)散的水層厚度滿足后(在1 mm以上即可)，決定燒蝕速率的因素是入射到鍺靶表面的激光的能量，且我們認(rèn)為對(duì)某一定材料，這應(yīng)是一個(gè)特殊的定值.事實(shí)上當(dāng)我們將激光能量調(diào)到120 mJ時(shí)，最佳燒蝕水層為1．7 mm厚度.

設(shè)當(dāng)激光能量為ε10時(shí)，最佳水層厚度為h1，激光能量為ε20時(shí)，最佳水層厚度為h2，則此刻入射到鍺靶表面的激光能量ε應(yīng)是相同的，即

ε=ε10exp(-γh1)=ε20exp(-γh2)，

故

根據(jù)我們將激光能量調(diào)到120 mJ，最佳燒蝕水層為1．7 mm的數(shù)據(jù)代入，有

可見，對(duì)鍺靶，最佳燒蝕效率是到達(dá)靶表面的能量為ε=60exp(-1．39×1．2)=11．3 mJ 而到達(dá)靶表面的能流

3.2 坑洞質(zhì)量與水層厚度有關(guān)

我們挑選水層分別為1．2 mm(最佳水層)、0．6 mm(最淺水層)和3．0 mm(較深水層)的孔洞用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察，坑洞外貌、內(nèi)壁及對(duì)應(yīng)濺射的納米顆粒情況分別見圖3、圖4、圖5.

圖3 (1．2mm)水層鍺的燒蝕坑洞、燒蝕顆粒SEM圖

最佳水層下的坑洞呈喇叭形(圖3(a))，內(nèi)壁較為光滑，外邊緣有輕微裂痕(圖3(b))，對(duì)應(yīng)濺射的納米顆粒相對(duì)均勻，這是光滑的依據(jù)(圖3(c)).

圖4 (0．6mm)水層鍺的燒蝕坑洞、燒蝕顆粒SEM圖

最淺水層下的坑洞也呈喇叭形(圖4(a))，洞口邊緣極不平整，內(nèi)壁不夠光滑，且有明顯裂痕(圖4(b))，對(duì)應(yīng)濺射的納米顆粒相對(duì)較大給出了原因(圖4(c)).

圖5 (3mm)水層鍺的燒蝕坑洞、燒蝕顆粒SEM圖

較深水層下的坑洞也呈喇叭形，洞口邊緣燒蝕范圍較最佳水層下的坑洞寬(圖5(a))，內(nèi)壁深處較為光滑，無明顯裂痕，但洞口邊緣極不平整(圖5(a)、(b))，對(duì)應(yīng)濺射的納米顆粒大小不一，但小顆粒相對(duì)較多，這正是邊緣極不平整的原因(圖5(c)).

激光打孔出現(xiàn)孔洞呈錐形，邊緣產(chǎn)生裂紋和再鑄層現(xiàn)象，正是Fabbro受限燒蝕模式下激光壓力預(yù)測(cè)模型理論的結(jié)果[5].

4 結(jié)語

在液面下激光打孔比在空氣環(huán)境中高效，且打孔速率存在一個(gè)最佳水層厚度，而不是隨激光功率的增大而增大；這個(gè)最佳水層厚度不僅與脈沖能量有關(guān)，還與材料性質(zhì)有關(guān)，對(duì)鍺靶，當(dāng)單個(gè)脈沖能量為60 mJ時(shí)，這個(gè)最佳水層厚度為1.2 mm，也即最佳燒蝕效率是到達(dá)鍺靶表面的功率密度為 時(shí)；且孔洞質(zhì)量在最佳水層厚度時(shí)也相對(duì)最好；孔的入口處損傷區(qū)域在最佳水層時(shí)相對(duì)較窄，而水層最淺(到達(dá)鍺靶表面激光能量最大)時(shí)相對(duì)最寬；激光打孔效率 高，但存在打孔錐度大，孔邊緣容易產(chǎn)生裂紋和再鑄層，這是激光打孔機(jī)要解決的主要難題.此難題目前仍處于攻堅(jiān)階段，相信不久就會(huì)有好消息．

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