沈小偉， 趙萬芹,2*， 劉昊棟

(1.上海工程技術大學 材料工程學院， 上海 201620；2.西安交通大學 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室， 陜西 西安 710049)

藍寶石晶體硬度高、透光性強，有化學惰性，對普通酸和堿具有很強的抗蝕能力，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、物理、光學和電學特性，被廣泛應用于機械、光學、電子和國防等領域[1-4]。但由于其高硬度和化學穩(wěn)定性，采用機械和化學方式往往難以加工或加工精度等受限，傳統(tǒng)的機械加工易產(chǎn)生崩邊、裂紋及刀具磨損等問題，而傳統(tǒng)的化學刻蝕也很難滿足加工要求[5-6]。由于激光加工技術具有非接觸、應用范圍廣、靈活度高等特點，非常適合于藍寶石類硬脆性材料的微加工，被認為是一種高效快捷的加工方式[7-8]。

近年來，超短脈沖激光燒蝕被用于加工精確的微米級材料，藍寶石的超短脈沖激光燒蝕技術得到了廣泛應用[9-11]。與長脈沖激光燒蝕相比，超短激光燒蝕的優(yōu)點在于能夠在熱擴散發(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]。熱量的及時傳遞降低了熱應力出現(xiàn)的可能性，可以最小化熱影響區(qū)。因此，探索藍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厚的藍寶石上進行直沖式孔加工，系統(tǒng)地研究了脈沖數(shù)N、單脈沖能量Ep及重復頻率f對直沖孔加工尺寸和形貌的影響，為藍寶石的飛秒激光加工工程應用提供參考。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗所采用的光學級c-面(0001)藍寶石基片的藍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 藍寶石晶體物理參數(shù)

1.2 實驗設備

飛秒微納加工平臺示意圖如圖1所示，首先紅外飛秒激光器輸出激光束，激光束通過2次45°調節(jié)全反射鏡對激光光束進行傳導，經(jīng)擴束鏡擴大輸出光斑直徑，再經(jīng)過反射鏡傳導至小孔光闌，由小孔光闌去除雜光，再由2次反射鏡傳導后，通過振鏡和場鏡的傳導和聚焦，最終光束沿著豎直方向進行傳播，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。該微納加工平臺配置的激光器為安揚公司的紅外飛秒FemtoYL-50激光器。該激光器的主要參數(shù)為：波長1 035 nm；重復頻率25～5 000 kHz可調；脈沖寬度0.4～6.0 ps可調。其機械運動系統(tǒng)來源于AEROTECH公司，該設備的定位精度為5 μm，最大行程為200 mm。此外，該加工平臺配有專門的編程系統(tǒng)A3200 Motion Composer，可以通過編程方便地調節(jié)激光器的參數(shù)輸出，實現(xiàn)對機械運動平臺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Figure 1 Processing platform of femtosecond micro-nano

由于藍寶石樣品表面的污漬會影響其對激光的吸收，加工后的碎屑等又會影響實驗后的觀察和測量。因此實驗前后都要使用無水乙醇和去離子水依次各清洗5 min，進行超聲清潔后烘干。采用掃描電子顯微鏡HITACHI S-3000H來觀測藍寶石孔的形貌及尺寸。在掃描電子顯微鏡觀測之前，在實驗樣品表面噴涂厚度約為20 nm的金屬合金層用于導電。

2 脈沖數(shù)對孔直徑和表面形貌的影響

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

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

脈沖數(shù)對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。該現(xiàn)象在多種材料表面激光孔加工過程均出現(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)域逐漸達到材料的燒蝕閾值，孔入口直徑逐漸增大，當所有激光照射區(qū)域均達到材料燒蝕閾值時，孔入口達到最大，后脈沖數(shù)進一步增加不會導致孔入孔直徑變大，因此孔入口直徑達到飽和。還需要說明的是，不同單脈沖能量Ep時均在脈沖數(shù)為50 000左右時孔徑達到飽和。圖2(b)所示為Ep=60 μJ時脈沖數(shù)對孔口形貌的影響：當脈沖數(shù)為3 000時，孔口周圍無任何噴濺物、微裂紋；隨著脈沖數(shù)增加到5 000時，孔口周圍雖然仍無噴濺物，但孔口出現(xiàn)徑向裂紋；增加脈沖數(shù)到100 000時，孔口周圍出現(xiàn)較明顯的切向裂紋；進一步增加脈沖數(shù)至200 000時，孔口周圍徑向和切向2種裂紋都出現(xiàn)。

飛秒激光被稱為“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。然而在實際加工中，仍不可避免的會出現(xiàn)熱效應，尤其對于硬脆材料的加工，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)下也可能會誘導出現(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的熱應力超過材料的斷裂閾值，徑向應力將誘導切向裂紋，切向應力將誘導徑向裂紋[17-19]。隨著裂紋的擴展，徑向和切向裂紋可能在某處結合并持續(xù)延伸，最終使得樣片斷裂。

3 單脈沖能量對孔直徑和表面形貌的影響

圖3所示為飛秒激光加工藍寶石表面孔單脈沖能量對孔直徑和表面形貌的影響。從圖3(a)可以看出，當脈沖數(shù)為1 000或者10 000時，隨著單脈沖能量的增加，孔口直徑均呈增加趨勢。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，導致孔口變大。當Ep=50 μJ時，孔口表面無噴濺物但存在徑向裂紋，如圖3(b)所示；當Ep=70 μJ時，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，徑向裂紋在較低的單脈沖能量下即被誘導，切向裂紋則需要更高的單脈沖能量。換句話說，藍寶石材料的切向應力斷裂閾值低于其徑向應力斷裂閾值，該特性主要由實驗采用藍寶石材料晶格特性決定。

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

4 重復頻率對孔直徑和表面形貌的影響

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

5 結語

課題組主要研究了飛秒激光藍寶石表面直沖式微孔加工中激光脈沖數(shù)、單脈沖能量和重復頻率對孔入口直徑和孔表面形貌的影響。研究結果表明，隨著脈沖數(shù)、單脈沖能量和重復頻率的增加，孔入口直徑均表現(xiàn)為增大的趨勢，當脈沖數(shù)為50 000左右時，孔入口直徑呈飽和態(tài)。對于孔的入口形貌，飛秒激光加工藍寶石孔口周圍均無噴濺物，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，由于藍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的激光參數(shù)不同。