超聲氣體射流輔助飛秒激光刻蝕石英微槽工藝研究

何魁魁，戴玉堂，嚴超凡

（武漢理工大學光纖傳感技術(shù)與網(wǎng)絡國家工程研究中心，武漢 430070）

0 引言

石英、陶瓷、鈮酸鋰和藍寶石等硬脆材料以其優(yōu)良的理化性質(zhì)被廣泛應用于航空航天、國防、消費電子等領(lǐng)域［1-2］。這類材料具有斷裂韌性低、脆性大、硬度高等特性，這使得傳統(tǒng)機械加工很難做到精密加工并獲得高質(zhì)量加工表面［3］。激光加工作為一種無接觸加工方式成為這類材料微加工的有效工具。激光加工分為連續(xù)激光加工和短脈沖激光加工，連續(xù)激光由于能流密度較大，易在材料產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)，誘導熱應力產(chǎn)生從而造成崩邊、微裂紋等缺陷［4］。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，超快激光技術(shù)不斷取得突破，并逐漸應用于材料加工當中。飛秒激光以其極高的峰值功率和極短的脈沖持續(xù)時間可以突破材料的衍射極限有效降低了熱積累對材料加工的影響，極大地提高了加工精度［5-8］。但實驗發(fā)現(xiàn)飛秒激光加工過程中產(chǎn)生碎屑回落至已加工表面形成重鑄層，造成加工表面質(zhì)量下降。進一步地，碎屑的隨機回落形成不規(guī)則結(jié)構(gòu)也有可能阻礙激光的傳播致使激光出現(xiàn)散焦現(xiàn)象，從而降低激光的刻蝕能力［9-11］。

為了減小激光加工過程中產(chǎn)生的重鑄層，諸多學者嘗試采用射流輔助激光加工、超聲輔助激光加工等復合加工技術(shù)。TANWARODOMNUKUN V等［12］進行了旁軸水射流輔助激光切割硅的實驗研究，研究表明在水射流作用下，激光刻蝕率明顯提高，而且在加工區(qū)域幾乎無熱影響區(qū)。HASHEMZADEH M等［13］分析研究了氧氣射流和氮氣射流輔助對激光在低碳鋼上制孔尺寸的影響，其研究表明在氣體輔助下隨著氣壓與激光功率的提高制孔孔徑降低，同等條件下，氧氣輔助氣體產(chǎn)生的孔徑比氮氣大。YUVRAJ K M等［14］對比分析了同軸水射流和氧氣射流輔助激光切割低碳鋼及鈦薄板的影響，研究表明，同軸水射流及氮氣射流輔助激光切割改善了切面的切割質(zhì)量，其中以同軸水射流輔助影響最為顯著，但由于激光在水中傳導損失使得在同等切割深度情況下所需要的能量較大。

近年來，超聲輔助激光加工技術(shù)亦備受關(guān)注。KANG B等［15］將超聲振動施加給工件，研究了超聲振動對激光刻蝕低碳鋼表面的影響，其研究結(jié)果顯示，超聲振動可以加快激光加工區(qū)的冷卻速度，降低表面氧化和重鑄層的形成，從而提高了加工表面的表面質(zhì)量。ALAVI S H等［16］研究了超聲參數(shù)對長脈沖激光在奧氏體不銹鋼上打孔的影響，研究結(jié)果顯示隨著超聲振幅的增加，孔深及孔的深寬比也隨之增加。SUN X等［17］采用超聲輔助水下飛秒激光在不銹鋼上鉆孔，該方法有效降低了空化氣泡對激光傳輸?shù)母蓴_，減小了加工碎屑的再沉積提高了制孔的深徑比和表面質(zhì)量。國內(nèi)外學者針對單一射流輔助及超聲輔助激光加工做了大量研究工作，但尚未發(fā)現(xiàn)將超聲射流結(jié)合輔助激光加工的報道。

本文提出一種超聲空氣射流裝置用于輔助飛秒激光刻蝕石英微槽，討論分析了超聲空氣射流輔助激光加工的作用機理，探究了超聲幅值、入口射流壓力對刻蝕微槽深度及深寬比的影響規(guī)律，對比分析了有無超聲輔助下對刻蝕微槽形貌，對獲得高質(zhì)量硬脆材料激光加工表面提供技術(shù)參考。

1 實驗原理與方法

1.1 超聲空氣射流裝置及其耦合原理

超聲空氣射流裝置由超聲振動系統(tǒng)和射流噴頭兩部分組成。超聲振動系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻交流電激勵換能器實現(xiàn)超聲波輸出。超聲波換能器與噴頭固聯(lián)使得超聲波與射流流場耦合。這里的耦合主要是指兩個方面：1）超聲波與入口射流直接耦合形成局部激波結(jié)構(gòu)，激波結(jié)構(gòu)的形成源于聲壓與射流壓力的結(jié)合，由于超聲聲壓隨時間交替變化傳播，因此聲壓與射流壓力結(jié)合后使氣體射流從穩(wěn)態(tài)射流轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩蛪航惶孀兓拿}動射流；2）超聲換能器與射流噴頭機械固聯(lián)，換能器產(chǎn)生的高頻微位移傳遞給噴頭，噴頭的高頻位移帶動整個流場產(chǎn)生高頻振動從而高頻的沖刷加工表面。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超聲射流系統(tǒng)Fig.1 Ultrasonic jet system

超聲波與射流耦合形成激波結(jié)構(gòu)。超聲波本質(zhì)是一種高頻的正弦機械振動，設(shè)換能器在超聲波發(fā)生器激勵下前蓋板輸出的位移函數(shù)為

式中，A表示超聲波幅值，f表示超聲波頻率，φ表示超聲波初相位。進一步可得超聲波振速

設(shè)射流到振面的初始靜壓力為P0，噴頭底部面積為S。則換能器末端所受壓力為

根據(jù)動量定理有

式中，V表示射流段體積，l表示射流段長度。將式（3）與式（4）結(jié)合整理得

式中，c為聲速，則沿噴頭軸線上聲壓分布為

式中，Rs為波源半徑，λ為超聲波波長，x為聲場軸線上的點距聲源距離。由此分析可知超聲波在與射流場耦合過程中，噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生交變的高壓區(qū)和低壓區(qū)，即形成局部激波并向前傳播，將恒定流場轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動流場，圖2為單周期超聲耦合射流仿真圖。

圖2 單周期超聲耦合射流仿真Fig.2 Simulation of single period ultrasonic coupled jetta

1.2 超聲空氣射流輔助激光加工機理

激光去除材料的機理主要是熱氣化、熔體噴射以及等離子體去除。無論哪種去除機制都無法避免去除物回落到已加工表面形成重鑄層。超聲射流輔助激光加工的機理主要集中在兩個方面：一是高速脈動射流在激光作用區(qū)破碎形成沖擊，沖擊帶走熔池附近的激光去除物并加速熔體噴射，從而減小激光去除物在已加工表面的附著。此外，在脈動射流的高頻沖擊下，激光作用區(qū)產(chǎn)生的大顆粒熔渣分解為小顆粒，這些小顆粒熔渣一部分隨氣體帶出，一部分即使附著在加工面上，相對于大顆粒熔渣附著來說，加工面質(zhì)量有所改善。二是射流不斷地沖擊破碎加速了激光作用區(qū)的空氣流動從而使得對流換熱增強，減小了熔池附近的熱積累，降低了熱影響對加工面的影響。超聲高頻破碎效應效果見圖3。

圖3 超聲高頻破碎效應Fig.3 Ultrasonic high frequency fragmentation effect

1.3 實驗材料與裝置

石英晶片是一種典型的透明電介質(zhì)材料，對從紫外到紅外波段的光有著70%以上的透光率，對激光吸收能力較弱，而且其硬脆特性使其加工難度進一步上升。本實驗所用材料是上海光機所生產(chǎn)的AT切向的石英晶片，其規(guī)格參數(shù)如表1所示，尺寸規(guī)格為12 mm×8 mm×0.4 mm。飛秒激光刻蝕微槽后的尺寸及表面形貌由超景深顯微鏡（KETENCE，VHX-VH-Z500，日本）、金相顯微鏡（江南永新，MV5000，中國）、掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社，JSM-IT300，日本）測量得到。

表1 石英晶片規(guī)格參數(shù)Table 1 Quartz wafer specification parameters

超聲輔助飛秒激光加工系統(tǒng)原理圖如圖4所示，加工實物圖如圖5所示。該系統(tǒng)主要由飛秒激光加工系統(tǒng)和超聲射流系統(tǒng)組成。飛秒激光系統(tǒng)主要由飛秒激光器、傳輸與轉(zhuǎn)換光路、二維工作臺、CCD自動監(jiān)測系統(tǒng)、激光控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，激光束經(jīng)場鏡聚焦后焦點處的光斑直徑約30 μm。超聲射流系統(tǒng)主要由空氣壓縮泵、氣壓調(diào)節(jié)閥、氣路閥門、超聲射流噴頭、超聲發(fā)生器及氣路管道組成，其中空氣壓縮泵為氣源裝置提供一定壓力的壓縮空氣，然后由空氣調(diào)壓閥控制超聲射流噴頭入口輸入壓力。本研究所用飛秒激光器為立陶宛生產(chǎn)的萊特Pharos-20 W激光器，其規(guī)格參數(shù)如表2所示。

圖4 超聲輔助飛秒激光加工原理圖Fig.4 Principle diagram of ultrasound-assisted femtosecond laser processing

表2 飛秒激光規(guī)格參數(shù)Table 2 Femtosecond laser specification parameters

2 實驗結(jié)果與討論

本實驗主要研究了超聲頻率、超聲功率以及氣體入口壓力對飛秒激光刻蝕石英微槽的影響。其中需要解釋的是由于超聲振幅與超聲功率線性相關(guān)，超聲振幅較小并且超聲振幅測量較為復雜，超聲功率可以由超聲發(fā)生器直接調(diào)控選擇，因此用超聲功率間接代表超聲振幅來探究超聲振幅對飛秒激光刻蝕石英材料的影響。進一步地，為了驗證超聲在加工中所起的作用，在研究中設(shè)計了單獨的射流噴射輔助飛秒激光作為對照。實驗中射流噴嘴中心軸與激光軸成45°角，氣體射流噴嘴出口中心距石英上表面1 mm。

2.1 超聲頻率對飛秒激光刻蝕石英微槽深度及深寬比的影響

圖6為不同超聲頻率下飛秒激光刻蝕石英微槽深度及深寬比。這里所用的激光參數(shù)為重復頻率20 kHz，掃描速度4 mm/s，單脈沖能量50 μJ，離焦量0 μm，超聲氣體射流系統(tǒng)參數(shù)為超聲頻率28 kHz，氣體入口壓力0.6 MPa，超聲全功率300 W。從實驗結(jié)果分析可知：在超聲氣體射流輔助及單一氣體射流輔助下，石英微槽刻蝕深度和深寬比相較于無任何輔助下有明顯提高，單次掃描下的槽深由27.16 μm增加到超聲氣體射流輔助下的48.82 μm，并且深寬比從0.81增加至1.23。超聲氣體射流輔助及單一氣體射流輔助下石英微槽深度及深寬比的變化趨勢較為一致，即槽深及深寬比的增加在掃描次數(shù)較少時（約10次以下）較為明顯，隨著掃描次數(shù)的增加槽深及深寬比的變化趨于平緩，這也說明在超聲氣體射流輔助及單一氣體射流輔助對石英微槽深度及深寬比的增加有限。進一步對比分析射流輔助和超聲氣體射流輔助的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在同等條件下兩者在刻蝕深度及深寬比上變化不大，并且在不同的超聲頻率下石英微槽刻蝕深度和深寬比之間的差別不大，但隨著超聲頻率的逐漸增加石英微槽刻蝕深度呈略微增加的趨勢，因此筆者推定超聲氣體射流輔助下刻蝕深度的顯著增加主要是射流的吹掃起主要作用。此外在微槽深寬比方面需要指出的是，在超聲氣體射流輔助下刻蝕微槽的寬度略有增加并且隨著超聲頻率的增加微槽寬度也逐漸增加，其原因在于在射流的吹掃作用下，減少了加工過程中產(chǎn)生的熔渣附著在壁面上。

圖6 超聲頻率對刻蝕石英微槽深度及深寬比的影響Fig.6 Effect of ultrasonic frequency on the depth and depth to width ratio of etched quartz microgroove

2.2 超聲功率（頻率）對飛秒激光刻蝕石英微槽深度及深寬比的影響

超聲發(fā)生器實際上是一種高頻電源，超聲發(fā)生器將50 Hz交流電轉(zhuǎn)換成超聲換能器設(shè)計頻率所對應的交流電頻率以激勵超聲換能器產(chǎn)生對應頻率的高頻振動。但是超聲發(fā)生器在設(shè)計生產(chǎn)時有對應的最大功率，從能量轉(zhuǎn)換的角度是將電能轉(zhuǎn)換成聲能（機械能的一種）。因此可以通過調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器功率控制輸出振幅。如圖7為不同超聲功率下飛秒激光刻蝕石英微槽深度及深寬比。這里所用的激光參數(shù)為重復頻率20 kHz，掃描速度2 mm/s，單脈沖能量50 μJ，離焦量0 μm，超聲氣體射流系統(tǒng)參數(shù)為氣體入口壓力0.6 MPa，超聲頻率28 kHz。從分析實驗結(jié)果可知：在氣體射流輔助以及超聲氣體射流輔助下，飛秒激光刻蝕石英微槽的深度及深寬比有了很大程度的提高。但對比氣體射流輔助和超聲氣體射流輔助的實驗結(jié)果可以看出兩者無明顯區(qū)別，而且不同的超聲功率（超聲振幅）刻蝕情況也無明顯區(qū)別，因此可以得出超聲功率對飛秒激光刻蝕石英微槽在刻蝕深度及深寬比影響不大。從超聲功率方面再一次印證了超聲氣體射流輔助飛秒激光刻蝕石英微槽在刻蝕深度和深寬比增加方面起主要作用的是射流的吹掃作用。之所以超聲功率對實驗結(jié)果影響不大，主要原因有兩個方面：1）從超聲換能器仿真結(jié)果來看超聲換能器在全功率條件下產(chǎn)生的機械振動最大振幅在30 μm（28 kHz超聲換能器）左右，振幅較小，功率的減小對振幅較小程度較弱，并且超聲波還要進一步與射流場耦合，并且在超聲與射流耦合仿真結(jié)果也可以看出超聲振幅對流場結(jié)構(gòu)以及流場最大流速影響較??；2）超聲氣體射流輔助加工中超聲的作用是使射流場轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖射流場，使得射流可以突破幾十微米的狹縫，脈動射流對壁面產(chǎn)生高頻沖刷減少對壁面的附著，但從實驗結(jié)果來看在即使沒有超聲的作用射流也可進入狹縫帶有熔渣，只是不能對壁面產(chǎn)生沖刷作用，超聲氣體射流輔助加工中超聲僅為次要因素。

圖7 超聲功率對刻蝕石英微槽深度及深寬比的影響Fig.7 Effect of ultrasonic power on the depth and depth to width ratio of etched quartz microgroove

2.3 射流入口壓力對飛秒激光刻蝕石英微槽深度及深寬比的影響

從超聲與氣體射流耦合仿真結(jié)果可以知道氣體入口壓力對流場結(jié)構(gòu)及射流出口最大流速影響最大。如圖8為不同射流入口壓力對飛秒激光刻蝕石英微槽深度及深寬比的影響。這里所用的激光參數(shù)為重復頻率20 kHz，掃描速度2 mm/s，單脈沖能量50 μJ，離焦量0 μm，超聲氣體射流系統(tǒng)參數(shù)為超聲功率300 W，超聲頻率28 kHz。從實驗結(jié)果可以看出：在超聲氣體射流輔助下飛秒激光刻蝕石英微槽深度及深寬比有了明顯提高，同等激光加工參數(shù)下隨著入口壓力的提高微槽深度及深寬比逐漸增加，當入口壓力達到一定值時（大約0.4 MPa左右）微槽深度及深寬比達到最大值，在該壓力值以上時石英微槽深度及深寬比變化不大，究其原因在于隨著入口壓力的增加出口最大流速則隨之增加，超聲氣體射流輔助飛秒激光加工的機理在于通過氣體的吹掃作用以及脈動氣體的高頻沖刷作用使得激光加工過程中產(chǎn)生的熔渣帶出，從實驗結(jié)果可知當出口流速增加至一定值時超聲氣體射流的吹掃作用（即帶走熔渣的本領(lǐng)）發(fā)揮到最大，即使出口流速進一步增加也無法帶走更多的熔渣。

圖8 氣體入口壓力對刻蝕石英微槽深度及深寬比的影響Fig.8 Effect of gas inlet pressure on the depth and depth to width ratio of etched quartz microgroove

2.4 有無超聲氣體射流輔助飛秒激光刻蝕石英微槽形貌對比

加工面質(zhì)量是衡量加工質(zhì)量以及加工工藝優(yōu)劣的重要指標。激光加工相較于傳統(tǒng)機械加工方式的一大優(yōu)勢在于可直接獲得較高的加工表面質(zhì)量。但在實際加工過程中依然存在諸多問題。例如飛秒激光加工過程中產(chǎn)生的熔渣回落并附著在已加工材料的壁面上使得加工面質(zhì)量下降。如圖9為飛秒激光刻蝕石英微槽熔渣附著在壁面上的SEM圖，這里激光加工參數(shù)為：重復頻率20 kHz，掃描速度4 mm/s，單脈沖能量40 μJ，離焦量0 μm，單次掃描。從圖中可以看出飛秒激光加工過程中的熔渣附著現(xiàn)象較為嚴重，附著的熔渣多為團狀結(jié)構(gòu)，較為松散且無規(guī)則。分析超聲氣體射流輔助機理可知，超聲氣體射流輔助加工的主要作用是通過氣體射流的吹掃帶走激光加工過程中產(chǎn)生的熔渣減少其在壁面的附著從而提高加工質(zhì)量。

圖9飛秒激光刻蝕石英微槽熔渣附著在壁面上的SEM圖Fig.9 SEM image of femtosecond laser etched quartz microgroove slag attached to the wall surface

圖10 和11分別展示了在不同掃描速度下有無超聲氣體射流輔助飛秒激光刻蝕石英微槽100倍槽寬和槽深形貌。激光能量參數(shù)為：重復頻率20 kHz，掃描次數(shù)1次和10次（其中編號1代表掃描1次，標號2代表掃描10次），單脈沖能量50 μJ，離焦量0 μm。超聲氣體射流參數(shù)為超聲功率300 W，超聲頻率28 kHz，氣體入口壓力0.6 MPa。從實驗結(jié)果可知：多次掃描情況下微槽寬度變化不大，主要原因在于微槽寬度主要取決于離焦量，多次掃描并不會使得槽寬增加；在其他激光參數(shù)相同時掃描速度低槽深越大，主要原因在于掃描速度低、光斑重疊率大、激光單點輻照時間長時材料去除量大，在超聲氣體射流輔助下，石英微槽槽寬明顯提高，其原因在于超聲氣體射流的吹掃作用減少了熔渣在壁面的附著使得槽寬得以增加。此外，通過實驗對比超聲氣體射流顯著提高了石英微槽的刻蝕深度。驗證了在同等激光加工參數(shù)下，超聲氣體射流確實可以提高飛秒激光刻蝕石英微槽的深度。

圖10 有無超聲氣體射流輔助下飛秒激光刻蝕石英微槽槽寬對比Fig.10 Comparison of the width of femtosecond laser etching quartz microgroove with or without ultrasonic gas jet assisted

如圖12所示為不同單脈沖能量下無超聲氣體射流輔助、氣體射流輔助以及超聲氣體射流輔助下飛秒激光刻蝕微槽壁面SEM 2000倍形貌圖。激光參數(shù)為重復頻率20 kHz，掃描次數(shù)1次，掃描速度4 mm/s，離焦量0 μm；氣體射流輔助參數(shù)為氣體入口壓力0.6 MPa；超聲氣體射流輔助參數(shù)為超聲功率300 W，超聲頻率28 kHz，氣體入口壓力0.6 MPa。從微槽壁面微觀形貌來看，無論有無輔助，激光刻蝕石英微槽壁面均呈現(xiàn)顆粒狀特征。單一激光刻蝕下石英微槽壁面顆粒物雜亂無規(guī)則且尺寸較大，使得刻蝕后壁面質(zhì)量較差；在射流輔助下石英微槽顆粒物大小趨近于一致，相較于單一激光刻蝕，石英微槽顆粒物大小有所降低，表面質(zhì)量變好，其原因在于：在射流輔助下，射流噴射到激光作用區(qū)后破碎，破碎的氣體射流帶走等離子體冷凝抱團形成的熔渣，直徑較小的熔渣顆粒物被帶走，從而減少了這部分熔渣在壁面的附著進而提高了加工壁面質(zhì)量。在超聲氣體射流輔助下石英微槽顆粒物進一步減小并趨于一致，壁面質(zhì)量得到顯著提高與改善。主要是因為超聲氣體射流不僅具有射流輔助下吹掃作用，而且在超聲作用下射流具有脈動性，射流高頻沖刷激光加工面，使得激光作用區(qū)產(chǎn)生的大顆粒熔渣分解成小顆粒，并隨氣體帶出，進一步減少了熔渣在已加工壁面的附著從而提高激光加工面的表面質(zhì)量。

圖11 有無超聲輔助下飛秒激光刻蝕石英微槽槽深對比Fig.11 Comparison of the depth of femtosecond laser etching quartz microgroove with or without ultrasonic gas jet assisted

圖12 有無超聲輔助下飛秒激光刻蝕石英微槽壁面微觀形貌Fig.12 Micromorphology of quartz microgroove wall etched by femtosecond laser with or without ultrasonic assistance

3 結(jié)論

搭建了超聲氣體射流輔助飛秒激光加工平臺，研究了超聲頻率、超聲功率及射流入口壓力對刻蝕石英微槽的影響。研究結(jié)果表明：1）在氣體射流輔助以及超聲氣體射流輔助下，飛秒激光刻蝕石英微槽的深度及深寬比有了很大程度的提高，同等條件下氣體射流輔助和超聲氣體射流射流輔助在刻蝕深度及深寬比上變化不大，2）在不同的超聲頻率下石英微槽刻蝕深度和深寬比之間的差別不大，但隨著超聲頻率的逐漸增加石英微槽刻蝕深度呈略微增加的趨勢。超聲功率（超聲振幅）刻蝕情況也無明顯區(qū)別，超聲功率對飛秒激光刻蝕石英微槽在刻蝕深度及深寬比影響不大。同等激光加工參數(shù)下隨著入口壓力的提高微槽深度及深寬比逐漸增加，當入口壓力達到一定值時（大約0.4 MPa左右）微槽深度及深寬比達到最大值，在該壓力值以上時石英微槽深度及深寬比變化不大。3）單一激光刻蝕下石英微槽壁面顆粒物雜亂無規(guī)則且尺寸較大，在射流輔助下石英微槽顆粒物大小趨近于一致，相較于單一激光刻蝕，石英微槽顆粒物大小有所降低，在超聲氣體射流輔助下石英微槽顆粒物進一步減小并趨于一致，壁面質(zhì)量得到顯著提高與改善。