王豪放，鄧圭玲，岳浩銘，蘇文毅，魯云鵬，羅 志，胡友旺

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，湖南長沙410083;2.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙410083)

1 引言

恒彈性合金，是一種具有高彈性模量和強度、低彈性模量溫度系數(shù)、良好的波速一致性的合金材料。由于其出色的性能，被廣泛應(yīng)用于各類精密電子設(shè)備、微機電系統(tǒng)、儀器儀表工業(yè)當(dāng)中［1］。由于其應(yīng)用環(huán)境的精密性，因此對于恒彈性合金的加工也需要很高的精度。然而，隨著其應(yīng)用范圍的擴展，傳統(tǒng)的機械加工手段已經(jīng)呈現(xiàn)出工序復(fù)雜，加工類型單一，精度不夠等缺陷。

飛秒激光作為一種近年來新興的加工手段，具有脈寬超短、峰值功率極高、精確的燒蝕閾值等特點，并且能夠有效地加工各種材料［2－4］。并且飛秒激光具有突破衍射極限加工、加工熱影響區(qū)極小等特點，這使其能夠完成對各種材料的超精密加工［5－8］。目前對于飛秒激光加工的研究多集中在光纖、光波導(dǎo)等半導(dǎo)體器件的加工上，對于金屬材料加工的研究也僅局限在一些純金屬或常見不銹鋼材料上，對于諸如恒彈性合金此類的特種合金加工的研究較少［9］。

本文對恒彈性合金進(jìn)行了飛秒激光燒蝕實驗研究。首先，通過分析飛秒激光燒蝕金屬的機理和燒蝕坑徑的測量，計算出了恒彈性合金的單脈沖燒蝕閾值以及本實驗系統(tǒng)的燒蝕坑直徑的上限。然后，利用飛秒激光在恒彈性合金樣品上進(jìn)行脈沖燒蝕實驗，對加工完成后的燒蝕坑進(jìn)行了形貌觀測，研究了不同激光參數(shù)對燒蝕坑的直徑與深度的影響。最后，為得到直徑大于燒蝕直徑上限的孔，在恒彈性合金上進(jìn)行了飛秒激光旋切加工。本研究可為飛秒激光加工恒彈性合金的應(yīng)用提供指導(dǎo)性的工藝方法和參數(shù)。

2 實驗裝置與實驗方法

實驗加工系統(tǒng)主要由飛秒激光光源及其放大系統(tǒng)、傳輸光路系統(tǒng)、精密定位與運動控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。實驗中采用的飛秒激光器是中心波長為800 nm的美國光譜物理公司提供的摻鈦藍(lán)寶石固體飛秒激光器，最大輸出功率為3 W，重復(fù)頻率和脈沖持續(xù)時間分別為1 kHz，120 fs。傳輸光路系統(tǒng)中，使用一個光學(xué)快門來控制燒蝕的脈沖數(shù)，利用衰減片來調(diào)節(jié)飛秒激光的能量，50 mm焦距的透鏡對激光完成聚焦。精密運動平臺為NEWPORT公司生產(chǎn)的高精密三維運動平臺，并通過計算機對其完成精密運動控制。

實驗采用一種恒彈性合金(主要成分為鐵鎳)，在實驗前被切成20 mm×20 mm×2 mm大小的樣品，經(jīng)過精密磨削，拋光等工序，使其表面粗糙度降至0.1 μm左右。將加工完成的樣品安裝在三維精密運動平臺上。通過對平臺的運動控制，將樣品需加工位置移動到光斑聚焦處，完成燒蝕加工。

在實驗研究中，首先通過分析單脈沖燒蝕閾值理論，結(jié)合燒蝕實驗，測定恒彈性合金的燒蝕閾值。其次，控制不同脈沖數(shù)、脈沖能量的飛秒激光對恒彈性合金進(jìn)行脈沖燒蝕實驗。將燒蝕后的樣品放入高濃度酒精溶液中進(jìn)行超聲清洗，洗去樣品表面的殘渣和碎屑后，利用激光共聚焦顯微鏡，掃描電鏡(SEM)等設(shè)備進(jìn)行觀測。分析觀測結(jié)果得到脈沖燒蝕方法加工出的小孔的表面形貌，以及飛秒激光脈沖數(shù)和脈沖能量與燒蝕坑直徑和深度之間的關(guān)系。

圖1 飛秒激光加工系統(tǒng)Fig.1 Femtosecond laser processing system

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 恒彈性合金的飛秒激光單脈沖燒蝕閾值測定

閾值是當(dāng)激光加工某材料時，在其他參數(shù)一定的情況下，激光達(dá)到燒蝕條件的最低能量密度。激光燒蝕固體靶材時，只有當(dāng)能量密度大于某一定值時，才會出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，這就是激光加工的閾值效應(yīng)［10］。在飛秒激光加工過程中，閾值效應(yīng)同樣存在。對于某種材料的燒蝕閾值的測定是研究飛秒激光燒蝕該材料的基礎(chǔ)。

對于材料燒蝕閾值的計算有以下公式［11］:

其中，D為激光燒蝕坑的直徑;ω0為聚焦光斑半徑;Φ0為激光峰值能量密度;Φth為材料的燒蝕閾值。其中燒蝕坑直徑可以直接測得，能量密度可以通過以下公式計算得到:

式中，E0為激光單脈沖能量;P為激光功率;fn為激光重復(fù)頻率;ω0需要通過實際的測量方式得到。實驗測得光斑半徑為23.42 μm。最終計算得到恒彈性合金的燒蝕閾值為0.167 J/cm2。分析閾值理論可知，燒蝕坑直徑的平方與能量密度之間存在對數(shù)關(guān)系，即在脈沖燒蝕的其他條件不變的情況下，隨著能量密度的增大，燒蝕坑直徑會逐漸增大。但是由于加工系統(tǒng)的能量是有上限的，因此飛秒激光脈沖燒蝕的直徑也會有一個上限值。飛秒激光系統(tǒng)輸出的最大能量為3 W，則脈沖能量的上限為3 mJ，因此將此能量值代入式(1)，得到此脈沖燒蝕直徑的上限值為 150.64 μm。

3.2 恒彈性合金的飛秒激光燒蝕實驗

在其他實驗條件一定的情況下，使用3、5、10、20、50、100、200 μJ的脈沖能量，1、5、10、20、50、100、200、500、1000的脈沖數(shù)的組合作為激光參數(shù)進(jìn)行燒蝕實驗研究。本實驗所有數(shù)據(jù)均使用德國蔡司公司的LSM700激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀測得到，表面形貌則由掃描電鏡拍攝得到。

圖2為不同參數(shù)的飛秒激光脈沖燒蝕恒彈性合金樣品得到的微坑表面形貌圖。可以看出，當(dāng)所用脈沖數(shù)和脈沖能量均較小時，激光作用輪廓有些不明顯;隨著脈沖能量和脈沖數(shù)的逐步增加，坑內(nèi)部凹凸不平的形貌逐漸清晰;而當(dāng)脈沖能量和脈沖數(shù)均較大時，燒蝕坑較深并且其中殘留物質(zhì)較多，形狀極為不規(guī)則。因此當(dāng)利用激光共聚焦顯微鏡測量燒蝕坑直徑時，選取能掃描到的激光作用區(qū)域最大輪廓直徑為燒蝕坑直徑值;當(dāng)測量燒蝕坑深度時，選取坑中最深位置與表面的垂直距離作為其深度值。

圖2 不同參數(shù)的飛秒激光脈沖燒蝕恒彈性合金樣品得到的燒蝕坑表面形貌圖Fig.2 Surface morphology of craters ablated by femtosecond laser with different parameters of constant elasticity alloy

不同脈沖能量和不同脈沖數(shù)對恒彈性合金的飛秒激光脈沖燒蝕直徑的影響的實驗結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3 脈沖能量與燒蝕坑直徑之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between pulse energy and ablation diameter

圖4 脈沖數(shù)與燒蝕坑直徑之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between pulse number and ablation diameter

圖3中，選取脈沖數(shù)N分別為5、20、100的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以看出，當(dāng)飛秒激光能量較小時，隨著脈沖能量的增加，燒蝕坑直徑迅速增大，增大到約50 mW之后，孔徑大小的變化隨脈沖能量的增大逐漸趨于平穩(wěn)。將三組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合，得到三條類似對數(shù)的曲線，這與閾值理論是相互印證的。圖4中，選取脈沖能量分別為 5、20、100 μJ的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以看出，各組數(shù)據(jù)中，在燒蝕脈沖數(shù)較少的情況下，隨著脈沖數(shù)的增加燒蝕坑直徑先急劇增大，到大約100個脈沖之后，燒蝕坑直徑基本趨于穩(wěn)定，不再隨脈沖數(shù)的增加而增大。因此，在一定范圍內(nèi)可以通過增大脈沖能量得到更大直徑的燒蝕坑。并且通過閾值理論的計算，可以得到一定范圍內(nèi)，燒蝕坑直徑和脈沖能量之間的對應(yīng)關(guān)系，這能夠完成對一定范圍內(nèi)對燒蝕坑直徑的精確控制。

分析不同脈沖能量和不同脈沖數(shù)對恒彈性合金的飛秒激光脈沖燒蝕坑深度的影響的實驗結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 脈沖能量與燒蝕坑深度之間的關(guān)系Fig.5 The relationship between pulse energy and ablation depth

圖6 脈沖數(shù)與燒蝕坑深度之間的關(guān)系Fig.6 The relationship between pulse number and ablation depth

圖5中，選取脈沖數(shù)N分別為5、20、100的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以看出，各組數(shù)據(jù)中，燒蝕坑深度都會隨著脈沖能量的增加而增大。圖6中，選取選取脈沖能量分別為5、20、100 μJ的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以看出在各組數(shù)據(jù)中，脈沖數(shù)的增加會導(dǎo)致燒蝕坑深度的增大。并且隨著脈沖能量越大時，燒蝕坑深度隨脈沖數(shù)增大而增大的速度也越大。對比兩圖，可以看出當(dāng)脈沖能量增大的時候，坑深的增大速度要遠(yuǎn)大于當(dāng)脈沖數(shù)增大的時候，坑深的增大速度。因此，在需要增大燒蝕坑深度的時候，脈沖數(shù)的增大是一個相對更有效率的選擇。

由本文閾值理論中的計算可知，飛秒激光脈沖燒蝕坑直徑是有一個上限值的，所以當(dāng)需要加工直徑大于此值的小孔時，單單采用飛秒激光脈沖燒蝕的方法已不能滿足要求。此時，對恒彈性合金進(jìn)行飛秒激光旋切加工。圖7為在脈沖能量為50 μJ時，恒彈性合金的飛秒激光旋切加工小孔的SEM表面形貌圖?？梢钥闯?，圖中的加工孔徑約為500 μm，遠(yuǎn)大于恒彈性合金的脈沖燒蝕直徑的上限150.64 μm。飛秒激光旋切加工可以有效地完善脈沖燒蝕的不足，突破了脈沖燒蝕在燒蝕直徑上的限制。

圖7 在脈沖能量為50μJ時，恒彈性合金的飛秒激光旋切加工小孔的SEM表面形貌圖Fig.7 The SEM surface morphology of constant elasticity alloy crater machined by femtosecond laser trepanning(pulse energy is 50μJ)

4 結(jié)論

本文對恒彈性合金的飛秒激光燒蝕加工進(jìn)行了實驗研究。首先，基于飛秒激光燒蝕的閾值理論，通過一系列測量實驗測量計算出了恒彈性合金的飛秒激光燒蝕閾值為0.167 J/cm2，同時計算出了脈沖燒蝕坑直徑的上限值為150.64 μm。通過燒蝕實驗分析，得到結(jié)論:當(dāng)對恒彈性合金進(jìn)行飛秒激光燒蝕燒蝕時，可以通過增大脈沖能量來增大燒蝕坑直徑，同時可以增大脈沖數(shù)來增大燒蝕坑深度。并且提出在需要得到直徑大于飛秒激光燒蝕直徑上限的孔時，可以采用旋切加工方法。

［1］ GUO Weimin，PAN Xiong，WANG Jintai.Effect of technology parameter on properties of high temperature constant modulus FeNi35Co20AlNbTi alloy［J］.Functional Materials，2010，41(8):1383－1386.(in Chinese)郭衛(wèi)民，潘雄，王金太.工藝參數(shù)對FeNi35Co20AlNbTi高溫恒彈性合金性能的影響研究［J］.功能材料，2010，41(8):1383－1386.

［2］ GU Li，SUN Huilai，YU Kai，et al.Research progress of micro－nanofabrication by femtosecond laser［J］.Laser ＆Infrared，2013，43(1):14－18.(in Chinese)顧理，孫會來，于楷，等.飛秒激光微加工的研究進(jìn)展［J］.激光與紅外，2013，43(1):14－18.

［3］ Vorobyev A Y，Guo C.Femtosecond laser nanostructuring of metals［J］.Optics express，2006，14(6):2164－2169.

［4］ Chichkov B N，Momma C，Nolte S，et al.Femtosecond，pi-cosecond and nanosecond laser ablation of solids［J］.Applied Physics A，1996，63(2):109－115.

［5］ Zhu X，Naumov A Y，Villeneuve D M，et al.Influence of laser parameters and material properties on micro drilling with femtosecond laser pulses［J］.Applied Physics A，1999，69(1):S367－S371.

［6］ Weck A，Crawford T H R，Wilkinson D S，et al.Laser drilling of high aspect ratio holes in copper with femtosecond，picosecond and nanosecond pulses［J］.Applied Physics A，2008，90(3):537－543.

［7］ Nolte S，Momma C，Jacobs H，et al.Ablation of metals by ultrashort laser pulses［J］.JOSA B，1997，14(10):2716－2722.

［8］ Amoruso S，Bruzzese R，Wang X，et al.Femtosecond laser ablation of nickel in vacuum［J］.Journal of Physics D:Applied Physics，2007，40(2):331.

［9］ WU Bo，ZHOU Ming，LI Baojia，et al.Microstructures on stainless steel surface induced by femtosecond laser pulse［J］.Laser ＆ Optoelectronics Progress，2013，50(11):150－154.(in Chinese)吳勃，周明，李保家，等.飛秒激光脈沖誘導(dǎo)不銹鋼表面微結(jié)構(gòu)研究［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013，50(11):150－154.

［10］ M Huang，F(xiàn) Zhao，Y Cheng，et al.Large area uniform nanostructures fabricated by direct femtosecond laser ablation［J］.Optics Express，2008，16(23):19354－19365.

［11］ PP Pronko，PA Vanrompay，C Horvath，et al.Avalanche ionization and dielectric breakdown in silicon with ultrafast laser pulses［J］.Phys.Rev.B.，1998，58(5):2387－2390.