光纖引導(dǎo)皮秒激光Al2O3陶瓷精細(xì)刻線研究

李 健，季凌飛，吳 燕，凌 晨，蔣毅堅(jiān)

（北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京 100124）

激光束具有單色性好、亮度高、空間控制性和時間控制性良好等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于材料加工等領(lǐng)域。但是，早期由于激光器本身的脈寬、頻率、功率等基本參數(shù)的限制，對材料的處理主要基于激光束產(chǎn)生的熱效應(yīng)。在加工過程中，光束能量不可避免地以熱傳導(dǎo)的形式擴(kuò)散到材料作用范圍以外的區(qū)域，使加工精度無法得到突破性的提高。超短脈沖激光系統(tǒng)的快速發(fā)展為激光能量在空間和時間上的精確化定位提供了可能。其中，皮秒激光具有≤10-11s 的超短脈沖，因此，能在光束注入熱量擴(kuò)散之前將材料以"電子態(tài)"離化形式去除，適當(dāng)調(diào)整皮秒激光的工藝參數(shù)能避免產(chǎn)生多余的熱量，形成材料的"冷"去除[1]。皮秒激光具有極窄的脈沖寬度，在較低的脈沖能量情況下，激光器就能達(dá)到非常高的峰值功率，可實(shí)現(xiàn)包括硬脆性難加工材料在內(nèi)的精細(xì)加工效果。Lee 等[2]進(jìn)行了脈寬10 ps 的皮秒激光與脈寬30 ns 的納秒激光對厚度100 μm的Si 片進(jìn)行打孔的對比實(shí)驗(yàn)，使用25 μJ、355 nm的皮秒激光加工直徑20 μm 的小孔，孔邊緣幾乎無熱效應(yīng)，僅在入光口看到加工產(chǎn)生的碎屑；而使用波長355 nm 的納秒激光加工同樣尺寸的硅小孔，孔邊緣的熱影響區(qū)十分明顯，區(qū)域中分布大量的氧化物飛濺熔凝殘?jiān)?，且小孔錐度較大。Muhammad 等[3]使用波長343 nm 的皮秒激光系統(tǒng)進(jìn)行鉑-銥合金及鎳-鈦合金心血管支架的切割，切割邊緣十分光滑，無明顯毛刺。使用超短脈沖切割材料，可最大限度地降低切口邊緣附近裂紋的形成，且不需要后期處理。

陶瓷材料因具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐磨損等特征，被廣泛應(yīng)用于生物、電子、航空航天等領(lǐng)域[4]。陶瓷是共價鍵、離子鍵或兩者混合化學(xué)鍵結(jié)合的物質(zhì)，晶體間的化學(xué)鍵方向性強(qiáng)，具有高硬度和高脆性的本征特性，因此，加工陶瓷材料一般使用CO2激光器及YAG 激光器。本課題組通過國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目"激光離散通孔密排實(shí)現(xiàn)陶瓷厚件無損切割的基礎(chǔ)研究"，實(shí)現(xiàn)了厚度超過10 mm 陶瓷自由路徑的激光離散通孔密排無裂紋切割新技術(shù)[5]。在使用3.5 kW 的CO2激光器實(shí)現(xiàn)無裂紋切割的研究中發(fā)現(xiàn)，即使采用光束質(zhì)量非常好的光纖激光（M2≈1.1）或slabCO2激光（M2≈1.4）加工光源，長脈寬的熱效應(yīng)會本征地降低陶瓷的加工精度，熔凝層及切縫下緣掛渣等都是難以避免的不良加工效應(yīng)。超短脈沖能克服這類不良效應(yīng)，但材料去除率極低。Jandeleit 等[6]對用脈寬40 ps和10 ns 的激光加工Si3N4、SiC、WC 的材料去除率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)脈寬越短，材料去除率越低。

1 實(shí)驗(yàn)過程及方法

實(shí)驗(yàn)采用高功率皮秒激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)由激光器（PX100‖-A）、反射鏡組、振鏡（TS-12-Y/CS-R）等組成（圖1）。激光脈沖寬度≤20 ps，重復(fù)頻率為20 000 kHz，最大功率為70 W，研究采用1064 nm的輸出波長。實(shí)驗(yàn)所用材料是厚度1 mm 的氧化鋁陶瓷片和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，將剝?nèi)ネ扛矊拥墓饫w擦拭干凈后直接鋪在陶瓷表面，光纖包括纖芯和包層，直徑為125 μm。

圖1 皮秒加工系統(tǒng)示意圖

激光器發(fā)出的激光束經(jīng)反射鏡反射后入射到振鏡，振鏡的最大功率為10 W，將樣品置于距振鏡焦點(diǎn)9 mm 的工作臺上，振鏡動態(tài)掃描樣品，設(shè)置掃描間隔小于聚焦光束的直徑（50 μm），重復(fù)頻率設(shè)置為100 kHz，掃描速度為300 mm/s。完成加工后，使用OLS-3100 共聚焦激光掃描顯微鏡觀察激光加工后的微觀形貌，結(jié)果表明：在鋪有光纖的陶瓷表面實(shí)現(xiàn)了刻線的加工。

2 理論模擬

時域有限差分法（FDTD）是理論模擬的基礎(chǔ)，該方法用于求解Maxwell 旋度方程，采用具有相同電參量的空間網(wǎng)格模擬被研究物理，通過選取合適的入射場和計(jì)算空間的吸收邊界，按時間步推進(jìn)的方法得到時間變量的Maxwell 方程的數(shù)值解。FDTD的物理概念清晰，計(jì)算量和存儲量相對較小，能模擬復(fù)雜的目標(biāo)結(jié)構(gòu)。本文的模擬過程采用CST 電磁波分析軟件實(shí)現(xiàn)，以可視化的形式觀察光垂直入射光纖后的場強(qiáng)分布。首先建立三維模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用光纖的實(shí)際尺寸及入射光波長進(jìn)行建模（圖2）。

圖2 光纖的三維模型

實(shí)驗(yàn)所用的是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，其纖芯和包層是同種材料，總直徑為125 μm，但纖芯中摻雜少許其他材料，使其折射率高于包層的折射率。所用光纖的纖芯直徑為8 μm，折射率為1.45，根據(jù)介電常數(shù)是折射率的平方的關(guān)系，故纖芯的介電常數(shù)為2.1025。設(shè)纖芯折射率為n1，包層折射率為n2，則定義相對折射率差為：

單模光纖相對折射率差一般為0.3 %，根據(jù)式（1）可計(jì)算出包層的折射率為1.44565，介電常數(shù)為2.0899。

圖3 是利用CST 軟件模擬光纖在入射光波長為1064 nm 情況下，電場強(qiáng)度E 的分布結(jié)果圖。從圖3 可發(fā)現(xiàn)電場E 在光纖出射面有增強(qiáng)效應(yīng)，電場強(qiáng)度E 約為4.5 V/m，入射電場強(qiáng)度E0為1 V/m，增強(qiáng)約4.5 倍。根據(jù)光強(qiáng)與電場強(qiáng)度的關(guān)系I≈E2，可得出光強(qiáng)是入射光強(qiáng)的20 倍。光強(qiáng)的增強(qiáng)，使得在具有高熔點(diǎn)、高硬脆物理特性的陶瓷表面產(chǎn)生刻蝕成為可能，小于聚焦光束直徑（50 μm）的增強(qiáng)區(qū)域尺寸保證了刻蝕精度的提高。

圖3 光垂直通過光纖的電場分布模擬結(jié)果圖

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中，光源選用波長1064 nm 的激光，掃描次數(shù)5 次，激光功率10 W，掃描速度300 mm/s，重復(fù)頻率100 kHz，將鋪有光纖的陶瓷片置于距光斑焦點(diǎn)9 mm 處，可實(shí)現(xiàn)線槽的加工（圖4）。

圖4 光纖引導(dǎo)皮秒激光實(shí)現(xiàn)凹槽加工的共聚焦圖像

光纖引導(dǎo)皮秒激光加工的線槽邊緣整齊，沒有熱影響區(qū)和陶瓷的重凝層。為了確定加工效果，每條線槽取5 個不同的點(diǎn)進(jìn)行線寬及深度測量（圖5），共15 個值（表1）。計(jì)算出線寬平均值為17.923 μm，深度平均值為7.753 μm。

3.1 激光直接加工陶瓷實(shí)驗(yàn)對比

設(shè)置同樣的加工工藝參數(shù)，使用振鏡直接動態(tài)掃描陶瓷表面，完成加工后，使用共聚焦掃描顯微鏡可觀察到陶瓷表面無任何變化，未能實(shí)現(xiàn)線槽的加工（圖6）。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光纖對激光的光強(qiáng)具有增強(qiáng)效應(yīng)，在同樣參數(shù)條件下，光纖引導(dǎo)激光在陶瓷表面實(shí)現(xiàn)刻線的加工，該方法提高了加工效率。

表1 15 個不同位置的線槽線寬及深度 μm

圖5 線寬及深度測量示意圖

圖6 未鋪光纖，激光直接加工陶瓷表面的共聚焦圖像

3.2 激光聚焦加工陶瓷實(shí)驗(yàn)對比

陶瓷具有高硬脆的屬性，屬于難加工材料。在同樣加工工藝參數(shù)下，激光直接掃描陶瓷未實(shí)現(xiàn)線槽的加工。為了對比皮秒激光加工陶瓷與光纖引導(dǎo)皮秒激光加工陶瓷的效果，將未鋪光纖的陶瓷片固定在工作臺上，并置于振鏡焦點(diǎn)處，此時的能量密度達(dá)到最大。設(shè)置相同的加工工藝參數(shù)，其結(jié)果見圖7a，通過測量，在振鏡焦點(diǎn)位置直接加工的線槽線寬約為40 μm（圖7b）。這是因?yàn)榧す饨?jīng)過振鏡后聚焦的光斑直徑為50 μm。利用光纖引導(dǎo)激光加工的線槽線寬為17.923 μm，后者顯著提高了激光刻蝕的加工精度。

圖7 焦點(diǎn)處，激光加工陶瓷表面的共聚焦圖像

4 結(jié)論

光纖引導(dǎo)皮秒激光實(shí)現(xiàn)Al2O3陶瓷表面線槽的加工，方法簡易可行。利用CST 軟件對光垂直通過光纖后出射面的電場強(qiáng)度分布進(jìn)行了模擬，模擬與實(shí)驗(yàn)同時證明光纖對光強(qiáng)具有增強(qiáng)效應(yīng)。通過光纖引導(dǎo)，激光加工的溝槽邊緣光滑整潔，線寬可達(dá)17.923 μm。光纖引導(dǎo)皮秒激光使得在具有高熔點(diǎn)、高硬度的陶瓷表面實(shí)現(xiàn)高精度的精密加工成為可能，在提高精度的同時提高了效率。

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