藍(lán)寶石飛秒激光直沖孔加工研究

沈小偉， 趙萬(wàn)芹,2*， 劉昊棟

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院， 上海 201620；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710049)

藍(lán)寶石晶體硬度高、透光性強(qiáng)，有化學(xué)惰性，對(duì)普通酸和堿具有很強(qiáng)的抗蝕能力，且有高溫穩(wěn)定性和高而穩(wěn)定的介電常數(shù)，因其特有的化學(xué)、物理、光學(xué)和電學(xué)特性，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、光學(xué)、電子和國(guó)防等領(lǐng)域[1-4]。但由于其高硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，采用機(jī)械和化學(xué)方式往往難以加工或加工精度等受限，傳統(tǒng)的機(jī)械加工易產(chǎn)生崩邊、裂紋及刀具磨損等問(wèn)題，而傳統(tǒng)的化學(xué)刻蝕也很難滿(mǎn)足加工要求[5-6]。由于激光加工技術(shù)具有非接觸、應(yīng)用范圍廣、靈活度高等特點(diǎn)，非常適合于藍(lán)寶石類(lèi)硬脆性材料的微加工，被認(rèn)為是一種高效快捷的加工方式[7-8]。

近年來(lái)，超短脈沖激光燒蝕被用于加工精確的微米級(jí)材料，藍(lán)寶石的超短脈沖激光燒蝕技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[9-11]。與長(zhǎng)脈沖激光燒蝕相比，超短激光燒蝕的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在熱擴(kuò)散發(fā)生之前產(chǎn)生非常高的峰值功率，并將能量傳遞到材料中[12]。熱量的及時(shí)傳遞降低了熱應(yīng)力出現(xiàn)的可能性，可以最小化熱影響區(qū)。因此，探索藍(lán)寶石的飛秒激光孔加工是非常有意義的。

課題組利用1 030 nm的飛秒激光器，在0.4 mm厚的藍(lán)寶石上進(jìn)行直沖式孔加工，系統(tǒng)地研究了脈沖數(shù)N、單脈沖能量Ep及重復(fù)頻率f對(duì)直沖孔加工尺寸和形貌的影響，為藍(lán)寶石的飛秒激光加工工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所采用的光學(xué)級(jí)c-面(0001)藍(lán)寶石基片的藍(lán)寶石晶體由譜興光電科技有限公司提供，樣片尺寸為0.4 mm×15.0 mm×20.0 mm，其主要的物理參數(shù)如表1所示[13]。

表1 藍(lán)寶石晶體物理參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

飛秒微納加工平臺(tái)示意圖如圖1所示，首先紅外飛秒激光器輸出激光束，激光束通過(guò)2次45°調(diào)節(jié)全反射鏡對(duì)激光光束進(jìn)行傳導(dǎo)，經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)大輸出光斑直徑，再經(jīng)過(guò)反射鏡傳導(dǎo)至小孔光闌，由小孔光闌去除雜光，再由2次反射鏡傳導(dǎo)后，通過(guò)振鏡和場(chǎng)鏡的傳導(dǎo)和聚焦，最終光束沿著豎直方向進(jìn)行傳播，將光束聚焦在材料的上表面，獲得束腰半徑約為11 μm的聚焦光斑。該微納加工平臺(tái)配置的激光器為安揚(yáng)公司的紅外飛秒FemtoYL-50激光器。該激光器的主要參數(shù)為：波長(zhǎng)1 035 nm；重復(fù)頻率25～5 000 kHz可調(diào)；脈沖寬度0.4～6.0 ps可調(diào)。其機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)源于AEROTECH公司，該設(shè)備的定位精度為5 μm，最大行程為200 mm。此外，該加工平臺(tái)配有專(zhuān)門(mén)的編程系統(tǒng)A3200 Motion Composer，可以通過(guò)編程方便地調(diào)節(jié)激光器的參數(shù)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)X，Y，Z向的控制及加工圖案的繪制等。

圖1 飛秒微納加工平臺(tái)Figure 1 Processing platform of femtosecond micro-nano

由于藍(lán)寶石樣品表面的污漬會(huì)影響其對(duì)激光的吸收，加工后的碎屑等又會(huì)影響實(shí)驗(yàn)后的觀察和測(cè)量。因此實(shí)驗(yàn)前后都要使用無(wú)水乙醇和去離子水依次各清洗5 min，進(jìn)行超聲清潔后烘干。采用掃描電子顯微鏡HITACHI S-3000H來(lái)觀測(cè)藍(lán)寶石孔的形貌及尺寸。在掃描電子顯微鏡觀測(cè)之前，在實(shí)驗(yàn)樣品表面噴涂厚度約為20 nm的金屬合金層用于導(dǎo)電。

2 脈沖數(shù)對(duì)孔直徑和表面形貌的影響

圖2所示為飛秒激光加工藍(lán)寶石表面微孔脈沖數(shù)對(duì)孔直徑和表面形貌的影響。

圖2 直沖孔加工時(shí)脈沖數(shù)對(duì)孔的影響Figure 2 Effect of pulse number on hole in straight punching

脈沖數(shù)對(duì)孔入口直徑的影響規(guī)律如圖2(a)所示，從圖中可以看出，隨著脈沖數(shù)的增加，單脈沖能量40和50 μJ加工孔直徑均呈現(xiàn)先增加后飽和的趨勢(shì)。該現(xiàn)象在多種材料表面激光孔加工過(guò)程均出現(xiàn)，如金屬[14-15]、硅[16]等，主要原因是隨著脈沖數(shù)的增加，在激光照射區(qū)域逐漸達(dá)到材料的燒蝕閾值，孔入口直徑逐漸增大，當(dāng)所有激光照射區(qū)域均達(dá)到材料燒蝕閾值時(shí)，孔入口達(dá)到最大，后脈沖數(shù)進(jìn)一步增加不會(huì)導(dǎo)致孔入孔直徑變大，因此孔入口直徑達(dá)到飽和。還需要說(shuō)明的是，不同單脈沖能量Ep時(shí)均在脈沖數(shù)為50 000左右時(shí)孔徑達(dá)到飽和。圖2(b)所示為Ep=60 μJ時(shí)脈沖數(shù)對(duì)孔口形貌的影響：當(dāng)脈沖數(shù)為3 000時(shí)，孔口周?chē)鸁o(wú)任何噴濺物、微裂紋；隨著脈沖數(shù)增加到5 000時(shí)，孔口周?chē)m然仍無(wú)噴濺物，但孔口出現(xiàn)徑向裂紋；增加脈沖數(shù)到100 000時(shí)，孔口周?chē)霈F(xiàn)較明顯的切向裂紋；進(jìn)一步增加脈沖數(shù)至200 000時(shí)，孔口周?chē)鷱较蚝颓邢?種裂紋都出現(xiàn)。

飛秒激光被稱(chēng)為“冷”加工，主要是由于其具有較短的脈沖寬度，可以最大限度的抑制加工中的熱效應(yīng)。然而在實(shí)際加工中，仍不可避免的會(huì)出現(xiàn)熱效應(yīng)，尤其對(duì)于硬脆材料的加工，即使采用脈沖寬度較小的飛秒激光在不合適的工藝參數(shù)下也可能會(huì)誘導(dǎo)出現(xiàn)孔口裂紋。研究表明，飛秒激光加工誘發(fā)產(chǎn)生孔口裂紋的主要因素是激光誘導(dǎo)的熱應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂閾值，徑向應(yīng)力將誘導(dǎo)切向裂紋，切向應(yīng)力將誘導(dǎo)徑向裂紋[17-19]。隨著裂紋的擴(kuò)展，徑向和切向裂紋可能在某處結(jié)合并持續(xù)延伸，最終使得樣片斷裂。

3 單脈沖能量對(duì)孔直徑和表面形貌的影響

圖3所示為飛秒激光加工藍(lán)寶石表面孔單脈沖能量對(duì)孔直徑和表面形貌的影響。從圖3(a)可以看出，當(dāng)脈沖數(shù)為1 000或者10 000時(shí)，隨著單脈沖能量的增加，孔口直徑均呈增加趨勢(shì)。這是由于單脈沖能量的增加，燒蝕區(qū)域所吸收的能量增加，材料去除量增多，導(dǎo)致孔口變大。當(dāng)Ep=50 μJ時(shí)，孔口表面無(wú)噴濺物但存在徑向裂紋，如圖3(b)所示；當(dāng)Ep=70 μJ時(shí)，孔口表面既存在徑向裂紋也存在切向裂紋，如圖3(c)所示。也就是說(shuō)，徑向裂紋在較低的單脈沖能量下即被誘導(dǎo)，切向裂紋則需要更高的單脈沖能量。換句話(huà)說(shuō)，藍(lán)寶石材料的切向應(yīng)力斷裂閾值低于其徑向應(yīng)力斷裂閾值，該特性主要由實(shí)驗(yàn)采用藍(lán)寶石材料晶格特性決定。

圖3 直沖孔加工時(shí)單脈沖能量對(duì)孔的影響Figure 3 Effect of pulse energy on hole in straight punching

4 重復(fù)頻率對(duì)孔直徑和表面形貌的影響

圖4所示為飛秒激光藍(lán)寶石直沖孔加工時(shí)重復(fù)頻率對(duì)孔的影響。隨著激光重復(fù)頻率的上升，脈沖數(shù)為10 000和20 000時(shí)孔入口直徑均保持著上升的趨勢(shì)，如圖 4(a)所示。這是由于隨激光重復(fù)頻率的增加，相鄰脈沖之間的間隔變短，熱量散失的時(shí)間也變短，進(jìn)而導(dǎo)致熱量的累積，燒蝕孔徑會(huì)逐漸變大。圖 4(b)所示為重復(fù)頻率對(duì)孔形貌的影響。在重復(fù)頻率f=25 kHz時(shí)，孔口無(wú)裂紋存在；當(dāng)重復(fù)頻率增加到f=50 kHz時(shí)，孔直徑變大，仍未出現(xiàn)孔口裂紋；當(dāng)重復(fù)頻率提高到100 kHz時(shí)，孔口開(kāi)始出現(xiàn)徑向裂紋；重復(fù)頻率增加到500 kHz時(shí)，切向裂紋和徑向裂紋均出現(xiàn)。這主要是由于加工時(shí)所用的脈沖數(shù)為10 000，對(duì)于重復(fù)頻率為25 kHz，加工時(shí)長(zhǎng)是0.40 s，而對(duì)于重復(fù)頻率為500 kHz，加工時(shí)長(zhǎng)降低到0.02 s，即隨著重復(fù)頻率呈倍數(shù)的增加，加工時(shí)長(zhǎng)成倍數(shù)的減小，使得激光能量作用在材料表面的時(shí)長(zhǎng)減小。

5 結(jié)語(yǔ)

課題組主要研究了飛秒激光藍(lán)寶石表面直沖式微孔加工中激光脈沖數(shù)、單脈沖能量和重復(fù)頻率對(duì)孔入口直徑和孔表面形貌的影響。研究結(jié)果表明，隨著脈沖數(shù)、單脈沖能量和重復(fù)頻率的增加，孔入口直徑均表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，當(dāng)脈沖數(shù)為50 000左右時(shí)，孔入口直徑呈飽和態(tài)。對(duì)于孔的入口形貌，飛秒激光加工藍(lán)寶石孔口周?chē)鶡o(wú)噴濺物，主要的缺陷為孔口裂紋，包括徑向裂紋和切向裂紋，且裂紋數(shù)量和尺寸普遍表現(xiàn)為隨激光加工參數(shù)的增大而增大。同時(shí)，由于藍(lán)寶石本身的晶格特性等使得其徑向斷裂閾值和切向斷裂閾值差異較大，使得徑向和切向裂紋被誘導(dǎo)的激光參數(shù)不同。