王吉章鵬張?zhí)鞚?rùn)曹小文張文武

高頻激光對(duì)化學(xué)氣相沉積金剛石的大切深實(shí)驗(yàn)

王吉1*，章鵬1，2，張?zhí)鞚?rùn)1，曹小文1，張文武1

（1.中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315201；2.寧波大艾激光科技有限公司，浙江 寧波 315201）

為了提高化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）金剛石的切深，采用新型的聲光調(diào)制高重復(fù)頻率激光器，研究了激光功率、焦點(diǎn)位置、激光重復(fù)頻率、切割線速度以及激光橫膜模式對(duì)CVD金剛石切縫寬度、切深以及表面粗糙度的影響。研究結(jié)果表明：切深和切縫上表面寬隨著激光功率的增大而增大；焦點(diǎn)位置隨切深的變化下移，可獲得最大切深；重復(fù)頻率的增大伴隨著切深的減小和切縫上表面寬的增大；表面粗糙度隨著切割線速度的增大先緩慢減小后顯著增大；切縫上表面寬隨著模式數(shù)的增多而增大。綜合切深、縫寬和效率，最后在輸出基橫模下激光功率為12 W，重復(fù)頻率為6 kHz，切割線速度為1 500 mm/min，焦點(diǎn)位置始終位于切割凹面，獲得了效率最快、質(zhì)量最好的結(jié)果，即單向切深最大可達(dá)7.2 mm，切面表面的粗糙度為0.804 μm，切縫上表面寬度為350 μm，滿足在低切面表面粗糙度下獲得CVD金剛石大切深的要求。

激光切割；化學(xué)氣相沉積金剛石；高頻激光；縫寬；切深；表面粗糙度

1 引　言

化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）金剛石具有高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱率等特性，在硬質(zhì)刀具、高功率光電散熱、光學(xué)窗口以及人造鉆石等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用［1-3］。目前，切割金剛石的主要方式有水刀切割、電火花切割和激光切割。激光切割的過程為脈沖激光與金剛石表面的二級(jí)作用，光子以雙光子或多光子的方式與金剛石晶格作用，首先高功率激光束使材料聚焦處表面發(fā)生石墨化，之后石墨化的表面在下一束脈沖激光的作用下石墨化表面升華［4-5］。從原理上可以看出，激光切割具有較其他方式獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即無接觸式加工、效率高、切縫小、熱影響區(qū)域小等優(yōu)點(diǎn)［6-7］，是最理想的金剛石加工方法之一。

當(dāng)然，國內(nèi)外科研人員對(duì)激光切割CVD金剛石或金剛石膜以及工藝規(guī)律已經(jīng)進(jìn)行了大量研究［8-11］。2003年寧夏機(jī)械研究院采用百微秒的45 W多模激光獲得1 mm后的切割深度［12］，2019年溫州大學(xué)采用200 ps的激光進(jìn)行切割工藝研究［13］，2020年德國不來梅大學(xué)研究皮秒激光對(duì)CVD金剛石的大深度切割實(shí)驗(yàn)［14］。在這些研究中，前期流行采用燈泵浦方式的長(zhǎng)脈沖激光作為切割光源，后期流行采用超短脈沖激光作為切割光源。前者的特點(diǎn)是輸出激光重復(fù)頻率低、脈沖寬度寬，一般的重復(fù)頻率在10～100 Hz之間，脈沖寬度在100 μs左右；后者的特點(diǎn)是輸出激光重復(fù)頻率極高、脈沖寬度超短，一般的重復(fù)頻率在幾十kHz以上，脈沖寬度小于1 ns。目前的研究集中在薄膜或較淺深度CVD金剛石的切割工藝上，尚未涉及大于10 mm的超大深度切割工藝。

國內(nèi)人造金剛石的生產(chǎn)技術(shù)已日益成熟，如寧波晶鉆科技公司已能夠批量生產(chǎn)截面尺寸大于10 mm×10 mm的大單晶金剛石。為了方便對(duì)此類大單晶金剛石的二次制備且考慮金剛石的造價(jià)不菲，首先需將大單晶金剛石進(jìn)行低損切割，而激光切割便是首選。

本文采用由聲光調(diào)制方式獲得的高重復(fù)頻率窄脈寬激光對(duì)CVD金剛石進(jìn)行大切深的切割工藝研究，其平均功率大于超短脈沖激光，同時(shí)峰值功率較長(zhǎng)脈沖激光又能提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地探究了5種工藝參數(shù)對(duì)CVD金剛石切縫寬度、切深以及表面粗糙度的影響規(guī)律，分別為激光能量、重復(fù)頻率、焦點(diǎn)位置、切割線速度以及激光橫模模式，并分析不同參數(shù)對(duì)結(jié)果變化的影響原因，從而得到最優(yōu)的切割工藝參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中，研究目標(biāo)CVD金剛石塊的切割截面為10 mm×10 mm，要求切縫細(xì)長(zhǎng)且深，需要激光器具有更高的峰值功率，且增加激光與物質(zhì)的作用頻率。切割設(shè)備為寧波大艾激光科技有限公司自主研制的DLC-P20，設(shè)備采用聲光調(diào)制型高重頻納秒激光器，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。其中，激光器輸出光束經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)后再聚焦，CVD金剛石固定在平移臺(tái)上，隨平移臺(tái)沿著箭頭方向來回移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多次往復(fù)逐層的大深度激光切割。

圖1　激光對(duì)金剛石的大切深切割實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

實(shí)驗(yàn)通過改變激光能量、重復(fù)頻率、焦點(diǎn)位置、切割線速度以及激光橫膜模式，研究這些參數(shù)對(duì)CVD金剛石切深、切縫寬度以及表面粗糙度的影響，得出最佳的工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果由KEYNENCE公司型號(hào)為VK-X210的共聚焦顯微鏡以及Dino-LiTe公司型號(hào)為Am7915MZY數(shù)字顯微鏡表征。

3.1　激光功率對(duì)工藝結(jié)果的影響

輸出單模激光，設(shè)重復(fù)頻率為6 kHz，切割線速度為1 500 mm/min，焦點(diǎn)位置隨著切割深度的增加而變化，通過改變泵浦能量來改變輸出激光的平均功率，平均功率由COHERENT公司型號(hào)為PM30的激光功率探頭和型號(hào)為FieldMaxII-TOP的激光功率表頭測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，提高激光功率能有效增大切割深度，同時(shí)伴隨著切縫寬度的增大及效率的提升，因?yàn)榧す夤β实脑龃笫共牧媳砻娴臒崛蹞p傷加強(qiáng)，單次脈沖的切割能力加大。在最大輸出功率為12 W時(shí)，切割深度為7.2 mm，切縫上表面寬為350 μm，寬深比為20.5∶1。

圖2　激光功率與切割深度、切縫寬度的關(guān)系

3.2　焦點(diǎn)位置對(duì)切割深度的影響

采用激光功率為12 W，重頻頻率為6 kHz，切割速度為1 500 mm/min，改變焦點(diǎn)位置進(jìn)行切割，探究焦點(diǎn)位置對(duì)切割深度的影響。方案一：焦點(diǎn)位置始終位于金剛石上表面；方案二：焦點(diǎn)始終位于距離金剛石上表面下方3.6 mm（根據(jù)實(shí)驗(yàn)一的切深來設(shè)置）處；方案三：焦點(diǎn)位置隨著切割深度的增加而逐漸下移，保持焦點(diǎn)始終位于切割凹槽底部。3種方案的切割效果如圖3所示。

圖3　不同焦點(diǎn)設(shè)置方式的切割效果

方案一，采用能量密度最低的發(fā)散光進(jìn)行切割，切割效率和深度最差；方案二，采用一半會(huì)聚一半發(fā)散的形式，較方案一效果更好，由于切口呈半閉口式，不利于壓縮氣體輔助吹氣將切割形成的粉末和殘?jiān)鼛С觯瑥亩壮练e在底部的凹槽內(nèi)，影響后續(xù)激光對(duì)材料的作用；方案三，采用會(huì)聚光焦點(diǎn)切割，焦點(diǎn)始終保持在切割底面，具有最高的能量密度，且開口式切縫有利于壓縮氣體輔助帶出切割形成的粉末和殘?jiān)?，因此能獲得最大的切割深度及最高的效率。3種方案的切割時(shí)間均為16 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

對(duì)比表1可知，方案三最優(yōu)。當(dāng)切深為7.2 mm時(shí)，金剛石上表面的光斑直徑為0.21 mm，是焦點(diǎn)處的4倍，能量密度為焦點(diǎn)處的1/16，約為5.78 J/cm2（對(duì)應(yīng)單脈沖能量2.0 mJ），接近CVD單晶金剛石的熱損傷閾值［5，15］。隨著深度的增加，上表面能量密度小于熱損傷閾值，達(dá)到切割極限。

表1焦點(diǎn)置于不同位置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.1　Experiment results for focal point at different positions

3.3　激光重復(fù)頻率對(duì)工藝結(jié)果的影響

采用1 500 mm/min的線切割速度，焦點(diǎn)位置隨著切割深度的增加而變化，改變重復(fù)頻率為1～20 kHz，在不同重復(fù)頻率下進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，材料切割上表面的縫寬測(cè)量結(jié)果如圖4所示，采用Dino-LiTe公司的Am7915MZY顯微鏡進(jìn)行測(cè)量。圖4（a）～4（e）分別為重頻在1，6，10，15，20 kHz時(shí)的測(cè)量結(jié)果。

圖4　不同激光重頻下切縫上表面縫寬的測(cè)量結(jié)果

激光重復(fù)頻率的增大意味著相同時(shí)間內(nèi)有更多的激光脈沖作用于材料表面，并且隨著重頻的增加輸出模式更靠近連續(xù)光［16-17］，對(duì)過燒或熔損現(xiàn)象的抑制能力降低，如圖5所示，切縫上表面寬度隨著重頻的增大而增大，而切縫越大對(duì)材料的利用率越低，不可取。切割深度曲線呈山峰狀，當(dāng)重頻為6 kHz時(shí)切深最大，降低或增大重頻則切深均減小。這是由于增大重頻導(dǎo)致激光單脈沖能量和峰值功率密度下降，降低了每一個(gè)脈沖的加工量及能力，使得在更小光斑時(shí)便達(dá)到CVD單晶金剛石的燒蝕閾值，即切深變淺；隨著單脈沖能量和峰值功率密度的增長(zhǎng)，當(dāng)其等于材料等離子體點(diǎn)燃閾值時(shí)，切割能力最強(qiáng)；此后，隨著重頻繼續(xù)降低（小于6 kHz），單脈沖能量和功率密度不斷增長(zhǎng)，在1 kHz時(shí)，激光峰值功率密度達(dá)到7.93 GW/cm2，強(qiáng)激光誘導(dǎo)粉塵材料產(chǎn)生等離子體，等離子體產(chǎn)生屏蔽作用，激光能量傳輸效率被減弱，導(dǎo)致切深反而減小。綜上所述，6 kHz為最佳工作重頻。

圖5　激光重復(fù)頻率對(duì)切割深度和切縫上表面寬度的影響

3.4　切割線速度對(duì)切面表面粗糙度的影響

焦點(diǎn)位置隨著切割深度的增加而變化，改變切割線速度獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

步長(zhǎng)公式為：

其中：為激光重復(fù)頻率。減慢切割線速度從而縮短激光脈沖步長(zhǎng)間距，提高切割激光孔的重疊連續(xù)性，使得切割斷面更光滑。由圖6可知，當(dāng)切割線速度在300～1 000 mm/min時(shí)，表面粗糙度控制在0.65 μm之內(nèi)，變化趨勢(shì)平穩(wěn)且略有減小，這是由于過于密集的光斑重疊率形成對(duì)于同一處的多次激光作用，較強(qiáng)的熱效應(yīng)帶來過燒現(xiàn)象，表面粗糙度改變；當(dāng)切割線速度超過800 mm/min時(shí)，表面粗糙度開始明顯更大。綜合考慮效率因素，過低的切割速度不利于實(shí)際應(yīng)用，故最佳切割線速度為1 500 mm/min，此時(shí)表面粗糙度達(dá)0.804 μm。

3.5　激光橫模模式對(duì)工藝結(jié)果的影響

調(diào)制激光器的輸出模態(tài)為多橫模和基橫模。保持功率相等，兩種模式下分別進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示?；Ｏ虑锌p小，因?yàn)闄M模階數(shù)越高，光強(qiáng)分布越復(fù)雜且光束發(fā)散角隨著橫模序數(shù)的增大而增大，獲得的聚焦光斑也成倍增長(zhǎng)。因此基模下切縫上表面和下表面寬度更小，切割精細(xì)程度也越高。

圖7　多橫模和基橫模下切縫上表面寬的測(cè)量結(jié)果

綜上所述，能獲得超大切割深度的最優(yōu)工藝參數(shù)為：基橫模下，重復(fù)頻率6 kHz，輸出功率12 W，切割線速度1 500 mm/min，焦點(diǎn)位置隨著切割深度的增加而逐漸下移，保持焦點(diǎn)始終位于切割凹面。此時(shí)能達(dá)到單面7.2 mm的切割深度，切面表面粗糙度為0.804 μm，切縫上表面寬度為350 μm。將金剛石材料進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)即能實(shí)現(xiàn)超過10 mm的切深。

4 結(jié)　論

本文系統(tǒng)地探究了激光功率、焦點(diǎn)位置、重復(fù)頻率、切割線速度以及激光橫模模式對(duì)CVD金剛石切縫上表面寬度、切深以及切面表面粗糙度的影響。研究表明：切深和切縫上表面寬度隨著激光功率的增大而增大；焦點(diǎn)位置隨切面深度的變化而變化，始終保持在切割凹面上，此時(shí)獲得的切深最大；切縫上表面寬隨著重復(fù)頻率的增大而增大，而切深表現(xiàn)為先緩慢增大后逐漸下降，在6 kHz時(shí)切深最大；表面粗糙度隨著切割線速度的增大先緩慢減小，當(dāng)切割線速度超過800 mm/min后，表面粗糙度明顯增大；切縫上表面寬隨著模式數(shù)的增多而增大。綜合切深、縫寬和效率，在輸出基橫模下，激光功率為12 W，重復(fù)頻率為6 kHz，采用1 500 mm/min的切割線速度，焦點(diǎn)位置始終位于切割凹面，獲得了效率最快、質(zhì)量最好的加工結(jié)果，單向切深可達(dá)7.2 mm，切面表面粗糙度為0.804 μm，切縫上表面寬度為350 μm。

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Experiments of high frequency laser cutting of chemical vapor deposition diamond with large cutting depth

WANG Ji1*，ZHANG Peng1，2，ZHANG Tianrun1，CAO Xiaowen1，ZHANG Wenwu1

（1，，315201，；2，，315201，），：

To improve the cutting depth of chemical vapor deposition （CVD） diamond， the effects of laser power， focus position， repetitive frequency， scanning speed， and transverse mode on the width of cutting seam， cutting depth， and roughness of CVD diamond was used to achieve a novel high repetition rate laser with acousto-optic modulation. The results show that the cutting depth and width of upper kerf increased with the increase in laser power； the maximum cutting depth was obtained when the focus was moved down along with cutting depth； the cutting depth decreased and the width of upper kerf increased with an increase in repetition frequency； with the increase in cutting speed， the surface roughness decreased slowly and increased significantly subsequently； the width of upper kerf increased with the increase in the number of laser modes. The best result is obtained with a unidirectional cutting depth of 7.2 mm， surface roughness of 0.804 μm， and kerf’s width of 350 μm， while the laser power is 12 W， repetition frequency is 6 kHz， cutting speed is 1 500 mm/min， and the focus position is located on the concave surface. Hence， a large cutting depth of CVD diamond with low surface roughness is achieved.

laser cutting； chemical vapor deposition diamond； high repetition rate laser； width of cutting seam； cutting depth； surface roughness

TN249

A

10.37188/OPE.20223001.0089

1004-924X（2022）01-0089-07

2021-04-15；

2021-06-28.

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（No.51805525）；浙江省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（No.2020C01036）；寧波市2025科技重大專項(xiàng)（No.2019B10074）；寧波市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.2021J215）

王吉（1989），男，浙江寧波人，碩士，高級(jí)工程師，2012年、2014年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事高功率激光器及激光精細(xì)加工的研究。E-mail：wji@nimte.ac.cn

章鵬（1993），男，安徽霍山人，工程師，2016年于安徽省皖西學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為寧波大艾激光科技有限公司生產(chǎn)部主管，主要從事激光加工及相關(guān)設(shè)備的研發(fā)工作。E-mail：shiyinist@163.com