齊立濤， 李 雪， 劉亞升

(黑龍江科技大學 機械工程學院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

藍寶石具有高熔點、高硬度、耐腐蝕等優(yōu)點，使其成為高溫、高壓、高腐蝕等極端環(huán)境下溫度傳感器的理想材料[1-2]。在溫度傳感器的制作過程中，需在藍寶石內(nèi)部或表面加工脊形、微型腔和光柵等微細結(jié)構(gòu)。但藍寶石是一種硬脆材料，加工過程中易出現(xiàn)裂紋與崩邊等現(xiàn)象，從而影響其加工質(zhì)量和使用。激光加工作為一種非接觸加工，不產(chǎn)生機械損傷和刀具磨損等特性，能夠獲得高質(zhì)量的加工，正逐漸成為在藍寶石上加工微細結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。短脈沖(納秒、皮秒和飛秒)激光和紫外激光是激光加工藍寶石的研究熱點。飛秒激光在藍寶石中加工微納米光柵結(jié)構(gòu)和脊形微細結(jié)構(gòu)[3-6]，但飛秒激光的長時間穩(wěn)定性較差和成本較高，限制了其在藍寶石微細結(jié)構(gòu)加工中的工業(yè)應用。紫外納秒激光因其良好的穩(wěn)定性和低成本受到行業(yè)越來越多的重視[7]。紫外納秒激光具有波長短、光子能量高、聚焦尺寸小，波長越短越有利于藍寶石的微細加工[8]。紫外固體激光主要用于藍寶石的打孔[9]、切割、劃片[10-11]和微細結(jié)構(gòu)制備等。532和355 nm紫外激光加工藍寶石的作用機理主要有光熱作用[9-10]、光化學和光熱共同作用[11]。266 nm激光波長短，有利于藍寶石的激光微細加工，但和藍寶石作用機理更加復雜。國內(nèi)外對于266 nm激光加工藍寶石的作用過程研究較少，筆者利用單脈沖266 nm納秒固體激光對藍寶石進行燒蝕實驗，通過激光能量和燒蝕區(qū)域的尺寸、形貌特征的關(guān)系，研究266 nm納秒固體激光燒蝕藍寶石的燒蝕閾值，探討燒蝕機理。

1 實驗裝置與方法

實驗用Nd：YAG固體激光，利用非線性光學晶體對基波進行二次、四次和五次倍頻，獲得波長為532 、266、213 nm的激光，通過分光鏡獲得實驗所需要的266 nm激光。激光燒蝕系統(tǒng)如圖1所示。激光器的重復頻率在1～100 Hz可調(diào)，實驗中采用50 Hz，通過調(diào)節(jié)光閘的開關(guān)時間，獲得實驗所需的單脈沖激光，脈沖寬度為30 ns左右，266 nm時單脈沖激光能量最大可達1 mJ。激光束為高斯光束，通過光闌改善光束質(zhì)量，光束經(jīng)過反射鏡與平凸透鏡(焦距為35 mm)聚焦后垂直照射在置于移動工作平臺上的藍寶石試樣，聚焦后光斑直徑約為34 μm。激光能量的改變通過調(diào)整激光電源的電流實現(xiàn)，激光能量通過能量計測得，所有的實驗均是在空氣中和常溫下進行。

圖1 266 nm納秒固體激光燒蝕藍寶石的系統(tǒng)示意Fig. 1 Schematic of 266 nm nanosecond solid-state laser process of sapphire

利用不同激光能量的266 nm納秒固體激光靜態(tài)照射藍寶石，利用數(shù)控工作平臺移動藍寶石，在其表面燒蝕出一系列微孔。激光燒蝕藍寶石后，將燒蝕后的藍寶石試件放入盛有無水乙醇的超聲波發(fā)生器中清洗30 min。每個激光能量燒蝕5個微孔，通過原子力顯微鏡對微孔進行檢測，并測量微孔的直徑和深度，實驗數(shù)據(jù)采用5個微孔的平均值。激光燒蝕藍寶石實驗中的材料破壞閾值采用“試湊法”確定。

實驗用的藍寶石是通過商業(yè)購買的藍寶石基片，其基本熱物理參數(shù):莫氏硬度為9，密度為3.98 g/cm3，裂解能為8.8 eV，熱膨脹系數(shù)為5.85×10-6(1/℃)，熱導率為0.184 W/(cm·℃)，熔點為2 040 ℃，沸點為3 500 ℃。藍寶石基片尺寸為10 mm×10 mm×0.43 mm，藍寶石基片的上下表面都是經(jīng)過拋光后的工業(yè)用基片。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒蝕特征

藍寶石在不同激光能量的照射下表現(xiàn)出不同的燒蝕特征，如圖2和圖3所示。圖2是未經(jīng)超聲清洗下單脈沖激光燒蝕藍寶石的圖片。圖3和圖4為超聲清洗后的微孔形貌及截面。從圖2a和圖2b可以看出，當激光能量較小時，微孔邊緣較清潔，只有少量的熔融物。當激光能量變大時，微孔邊緣的熔融物逐漸增多，如圖2c～ e所示。熔融物的增加主要是由于藍寶石吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，材料發(fā)生蒸發(fā)氣化，產(chǎn)生較高的壓力，使熔融物噴射后堆積在微孔周圍。從圖3可以看出，超聲清洗能夠去除微孔邊緣的部分熔融物，但不能夠完全去除，可見熔融物和基體存在二次連接。從圖4可以看出，在微孔邊緣處存在一圈較為明顯的突起。

圖2 未超聲清洗微孔的形貌Fig. 2 Morphology of micropores without ultrasonic cleaning

圖3 超聲清洗后微孔的形貌Fig. 3 Morphology of micropores after ultrasonic cleaning

圖4 超聲清洗后微孔的截面Fig. 4 Cross section of micropore after ultrasonic cleaning

2.2 燒蝕閾值

當激光照射在藍寶石時，被吸收激光的能量高于藍寶石的燒蝕閾值時，材料發(fā)生破壞，實現(xiàn)加工。

具有高斯空間分布的激光束，激光能量密度(w)和激光脈沖能量(Ep)的關(guān)系為

(1)

式中,ω0—— 1/e2處高斯光束的束腰半徑，μm。

在燒蝕過程中在藍寶石表面形成的微孔直徑(d)和激光光束的束腰半徑(ω0)以及激光的能量密度的關(guān)系為

(2)

式中,wth—— 材料的燒蝕閾值，J/cm2。

根據(jù)式(1)和式(2)，通過燒蝕孔直徑d的平方與入射激光脈沖能量Ep的關(guān)系，可計算求出單脈沖激光燒蝕藍寶石的燒蝕閾值。

單脈沖266 nm固體激光燒蝕藍寶石時燒蝕微孔的直徑平方(D2)和激光脈沖能量的對數(shù)(Ep)的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出，燒蝕微孔的直徑平方在不同激光能量下呈現(xiàn)出兩種不同的變化趨勢。微孔的直徑平方隨激光單脈沖能量的增加出現(xiàn)了拐點，該實驗在拐點前后分別計算了燒蝕閾值。通過擬合計算得到低能量時的燒蝕閾值為8.04 J/cm2。拐點處的閾值在55～60 J/cm2之間，引起拐點的原因還在深入研究中。

圖5 燒蝕微孔的直徑平方與激光脈沖能量的關(guān)系Fig. 5 Relationship between square diameter of ablation hole and laser pulse energy

2.3 蝕除機理

圖6為微孔的直徑和深度與激光能量密度的關(guān)系。從圖6可以看出，微孔的直徑和深度隨著激光能量密度的增加而增加，但當激光能量密度增加到一定值后，微孔的直徑和深度基本保持不變，不隨激光能量密度的增加而增加。

圖6 微孔的直徑和深度與激光能量密度的關(guān)系Fig. 6 Relationship between depth and diameter of ablated holes and laser density

從圖6可以看出，微孔深度隨著激光能量密度的變化存在三個不同的區(qū)域。

第一區(qū)域內(nèi)(激光能量密度為24.8～49.8 J/cm2)微孔的深度變化率較小，而微孔的直徑則隨著激光能量密度增大而增大。結(jié)合圖2a和圖2b可知，此能量密度范圍內(nèi)微孔周圍較清潔、無明顯裂紋、熔融物較少，只有少量噴濺物，上述特點與光化學作用的“冷”加工特征吻合度較高[12]，判定該區(qū)域內(nèi)主要是光化學作用為主。在光化學燒蝕過程中，當化學鍵之間的斷裂速度超過化學鍵之間的復合速度時，便會在激光作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生離子、自由電子、分子以及中性原子。這些被分解的原子、離子以及其他成分在壓強的作用下噴射出去，并帶走剩余的能量，此過程中蝕除量小，燒蝕深度較小，且無裂紋等熱作用現(xiàn)象。

第二區(qū)域內(nèi)(激光能量密度為49.8～64.1 J/cm2)微孔的直徑和深度變化率變大。隨著激光能量密度的增加，熱量不斷積累，溫度持續(xù)升高。當溫度高于汽化溫度時，微孔內(nèi)的熔融物質(zhì)在內(nèi)部汽化壓力的作用下噴出微孔外，使微孔的直徑和深度均快速增加。由圖2c和圖2d可以看出，微孔周圍的熔融物明顯增多。

第三區(qū)域內(nèi)(激光能量密度為64.1～83.8 J/cm2)微孔的直徑和深度的變化率又變小。隨著激光能量密度的變大，熔化和蒸發(fā)的材料繼續(xù)吸收激光能量，通過多光子雪崩電離產(chǎn)生高溫、高壓的等離子體。但高斯分布的激光束邊緣光強較小，產(chǎn)生的熱較少，溫度較低，等離子體在壓力作用下會向燒蝕區(qū)域的邊緣膨脹，其膨脹速度隨著溫度下降而減小。隨著膨脹距離的增大，等離子體傳播速度減小，產(chǎn)生的壓力也減小，導致燒蝕區(qū)域內(nèi)的熔融物、復雜等離子體等難以噴射出來。同時等離子體對激光能量的吸收、散射或二次激發(fā)等削弱了激光對藍寶石的燒蝕，使得微孔的直徑和深度趨于飽和。由圖2e和2f可以看出，微孔周圍存在大量熔融物。分析認為該區(qū)域內(nèi)材料的蝕除主要以光熱作用為主。

通過建立理想狀況下光化學作用和光熱作用的燒蝕深度模型，與實驗數(shù)據(jù)對比，對三個區(qū)域的機理進行了進一步分析。根據(jù)單脈沖激光燒蝕藍寶石過程中光斑不同位置激光能量密度的高斯分布，得到激光光化學作用燒蝕藍寶石的燒蝕深度(hp)表達式為

(3)

式中：α——激光的有效吸收系數(shù)；

x—— 到激光光斑中心的距離，μm；

r0—— 激光的光斑半徑，μm。

根據(jù)Couto等激光熱作用的閾值通量模型，推導出激光熱燒蝕深度模型[13]，激光光熱作用燒蝕的燒蝕深度(hth)表達式為

(4)

式中：w0——入射激光的最大能量密度，J/cm2；

Aarr—— Arrhenius頻率因子，μm/pulse；

E*—— 含比例系數(shù)的材料的激活能，J/cm3。

通過式(3)和式(4)建立的理想狀況下光化學燒蝕和光熱燒蝕的深度模型，計算不同能量密度下燒蝕深度，對比分析實驗測得的燒蝕深度，如圖6所示。從圖6可以看出，光熱燒蝕深度模型計算結(jié)果大于實驗測得數(shù)據(jù)，主要是因為模型沒有考慮由于等離子體形成以及在等離子體表面上的反射所引起的能量損失。光化學燒蝕深度低于實驗數(shù)據(jù)，主要是因為此模型中為理想狀況，而在實驗中，一直存在著光熱作用，低能量密度作用時主要以光化學作用為主，還存在部分光熱效果，使得理論模型計算數(shù)據(jù)低于實驗數(shù)據(jù)。

燒蝕深度和激光能量密度的關(guān)系為如圖7所示。不同能量密度可燒蝕微孔的3D形貌如圖8所示。由圖7可見，激光能量密度在24.8～49.8 J/cm2之間時，實驗測得的燒蝕深度的曲線斜率小，燒蝕深度增長緩慢。此能量密度區(qū)間內(nèi)，光化學燒蝕深度曲線與實驗結(jié)果比較相符。圖8a為激光能量密度在24.8 ～49.8 J/cm2時微孔的三維形貌圖，從圖8a可以看出，微孔表面無裂紋、邊緣銳利整潔，無光熱作用在材料表面產(chǎn)生的裂紋、熔融沉積、氣泡、濺射碎片、熱影響區(qū)、暗化等缺陷[13]，上述特征與光化學蝕除的特征吻合度較高。

圖7 燒蝕深度和激光能量密度的關(guān)系Fig. 7 Relationship between laser energy density and ablation depth

圖8 不同能量密度下燒蝕微孔的3D形貌Fig. 8 AFM morphology under various incident laser energy densities

當激光能量密度介于49.8 ～64.1 J/cm2之間時，燒蝕區(qū)域的深度隨著激光能量密度的增加而迅速增加。根據(jù)圖2e和圖2f，微孔周圍有大直徑顆粒的拋出。上述兩個特征與紫外激光高能量密度蝕除材料時的液相爆破機理相吻合。液相爆破是高能量密度激光蝕除材料的主要機理之一[14]。液相爆破存在三個明顯的特征，即激光加熱瞬時溫度超過材料的臨界溫度，大直徑顆粒的拋出和燒蝕深度的突變。根據(jù)液相爆破三大特征進行判斷，此能量密度范圍內(nèi)液相爆破是藍寶石被蝕除的機理之一。根據(jù)文獻[15]，紫外激光燒蝕藍寶石過程中，光熱作用的占比隨著能量密度的增加而逐漸增大。因此，在此能量密度范圍內(nèi)，激光與材料的作用過程光熱作用逐漸增強，為光化學和光熱兩者共同作用的結(jié)果。

當激光能量密度繼續(xù)增大(激光能量密度為64.1 ～83.8 J/cm2)，在激光脈沖作用時間內(nèi)，材料表面被加熱，表面材料溫度大于熔點，形成寬而淺的熔池，液態(tài)藍寶石溫度持續(xù)增加，部分材料溫升至氣化點形成蒸汽以及高溫等離子體。相對于蒸汽壓強，等離子體沖擊波壓強更高，作用范圍更廣，導致燒蝕區(qū)域周圍的熔融物分布不均勻，且有較多裂紋出現(xiàn)，如圖8c所示。同時等離子體的屏蔽效應將嚴重影響到激光與材料之間能量的耦合。因此，該能量密度范圍內(nèi)，激光與材料之間的作用機制存在等離子體屏蔽，材料的去除以光熱作用為主。

3 結(jié)束語

通過單脈沖266 nm納秒固體激光在藍寶石進行燒蝕實驗，表征了燒蝕微孔，探討了燒蝕機理。通過燒蝕微孔和脈沖能量的關(guān)系，計算得到了燒蝕閾值為8.04 J/cm2。燒蝕微孔的直徑和深度隨著能量密度的增加而增加，但當激光能量密度增加到一定值后，微孔的直徑和深度保持恒定。根據(jù)燒蝕深度和激光能量密度的關(guān)系，燒蝕過程存在三個區(qū)域，三個區(qū)域內(nèi)的燒蝕機理分別為光化學作用、光化學和光熱共同作用以及光熱作用為主，作用機理的不同使得燒蝕質(zhì)量和效率差別較大。上述研究為紫外激光加工藍寶石提供了參考。