超短激光加工蓝宝石研究

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蓝宝石晶体由于其硬度高、化学稳定性好、透光性强等优良的物理、化学及光学特性,被广泛应用于工业、国防和科研等领域。如被用作高档表的耐磨损表镜,半导体材料的外延生长基片及红外军用装置、导弹等的窗口材料,尤其在手机产品上的广泛应用而再次备受关注。但脆性是蓝宝石晶体的致命缺陷,其加工过程极易产生崩边及裂纹现象,而且由于生长过程复杂,生产成本高,因此对其高质量低损耗的加工一直是加工蓝宝石的难题。本文针对这一制造领域的难点,比较系统地进行了短波长紫外激光和超短脉冲皮秒激光对蓝宝石毛坯片精细加工的实验研究。论文内容主要包括以下几个部分:(1)介绍了激光与物质作用的一般规律,分析了短波长紫外激光和超短脉冲皮秒激光与蓝宝石材料相互作用的理论机理。(2)开展了纳秒(~40ns)355nm紫外激光加工蓝宝石基片的实验研究。通过控制单一变量法,研究了纳秒紫外激光器功率、扫描速度和扫描次数对0.55mm厚蓝宝石毛坯片加工的基本规律,并通过激光冲孔的方式确定纳秒紫外激光对蓝宝石基片损伤的峰值功率密度阈值为0.5×109W/cm2。最后,通过理论模型计算和实际激光刻蚀微槽实验的对比分析,确定了纳秒紫外激光加工蓝宝石过程主要为光热作用去除机理,热作用限制了其切割蓝宝石的质量和深度,即使其峰值功率密度达到109W/cm2,也不可实现对蓝宝石的图形切割。(3)开展了1064nm皮秒(~15ps)激光加工蓝宝石基片的实验研究。通过激光冲孔实验确定了1064nm皮秒激光对蓝宝石基片损伤的峰值功率密度阈值为0.5×1012W/cm2,并通过激光扫描刻蚀微槽实验探究了激光功率、扫描速度和扫描次数对蓝宝石基片的加工规律,得到工艺参数的改变对微槽宽度无影响,但扫描次数的增加有利于提高加工质量的实验结果。结合基础实验规律,进行参数优化,采用分层扫描切割的方法成功在0.55mm厚蓝宝石毛坯片上切割出不同形状、不同尺寸的无崩边、裂纹等热现象的高质量图形结构。最后结合实验结果分析,确定蓝宝石材料在皮秒激光作用下可归结为一种“冷”消蚀的材料去除方式,其在加工蓝宝石等硬脆性材料上存在一定优势。
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