532nm纳秒/皮秒激光对蓝宝石晶体内部刻蚀的工艺研究

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蓝宝石晶体具有优异的物理性能(光学性能、电学性能、力学特性、热性能等)和化学性能。它能经受侵蚀性介质、辐照、高温、压力和机械载荷的影响,广泛应用于航空航天工业、现代电子制造等领域。然而,蓝宝石是一种硬脆材料,在加工工艺过程中容易产生崩边和裂纹,严重影响其质量和性能。同时,晶体的各向异性也为蓝宝石内部刻蚀的精细加工带来了较高的难度。本文针对这一制造领域的难点,研究了532nm波长纳秒/皮秒激光对蓝宝石晶体内部刻蚀的微加工及其作用机理,对精度和可控性进行了一定的探索。  首先,研究了532nm纳秒短脉冲激光(6ns脉冲宽度)对蓝宝石的影响的基本规律。采用控制变量法研究了纳秒激光多脉冲刻蚀特性与工艺参数之间的关系,分析了脉冲数的变化对加工阈值的影响。蓝宝石的纳秒激光刻蚀主要是基于光热相互作用的机理,限制了其内部刻蚀过程的精度和可控性。  接着,使用532nm波长皮秒超短脉冲激光(脉冲宽度10ps)来控制蓝宝石的内部刻蚀,探究其峰值功率、离焦量、扫描次数等工艺参数的作用规律。区别于传统激光内雕机制,本文利用超快激光非线性效应,在能量密度小于材料损伤阈值的条件下进行激光内部刻蚀。同时,计算了电离、成丝和损伤的阈值功率,探究了激光峰值功率在不同区间对应的现象。我们发现,当激光峰值功率大于损伤阈值功率4.728×106W时,在蓝宝石上表面造成刻蚀损伤。当激光峰值功率大于(或略小于)成丝阈值功率7×105W,且小于损伤阈值功率4.728×106W时,材料内部出现激光成丝。  此时,离焦量线性调控成丝位置,刻蚀精度几乎不受影响。成丝的起始位置随激光峰值功率的增加而减小,脉冲的数量对成丝的起始位置影响不大。由于瑞利长度等因素,230μm为实验条件下激光成丝最短线迹。当激光峰值功率大于电离阈值功率3.14×104W且小于成丝阈值功率7×105W时,发生光学击穿,可实现纵长140μm的内部刻蚀线迹。综上所述,通过调节激光峰值功率等参数可以调节激光成丝的可控性和精度。  本文比较了532nm波长纳秒/皮秒激光对蓝宝石的加工和作用机理,为(超)短脉冲激光在硬脆性材料微加工领域的研发和应用提供了有指导意义的基础研究信息。同时,本文着重研究了皮秒激光非线性效应对蓝宝石的内部刻蚀,为蓝宝石等晶体的激光内部刻蚀提供了一条值得探索的新思路和途径。
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