飛秒激光微孔加工工藝研究進展

岳端木 孫會來 楊 雪 孫建林

(天津工業(yè)大學機械工程學院 天津 300387)

引言

激光技術于上世紀問世以來在幾十年間得以飛速發(fā)展，飛秒激光以其脈沖寬度超短、峰值功率超高等特性，幾乎可以適用于加工任何材料。在與材料作用時，由于脈沖持續(xù)時間極短，能量來不及傳遞到周圍，從根本上抑制了熱擴散；另外其超高光強可以在電介質(zhì)材料內(nèi)誘導形成多光子吸收，突破材料的衍射極限，獲得比焦點尺寸更小的作用區(qū)域?；谝陨弦蛩兀w秒激光在加工金屬、非金屬和半導體等材料時具有精度高、閾值效應明顯、極小化熱影響區(qū)、極小化重鑄層[4]等特點，在高深徑比微孔加工領域展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。

飛秒激光微孔加工是一個非線性并且不穩(wěn)定的過程，這個過程會受到諸多因素的影響。受限于加工工藝和激光本身的影響，現(xiàn)階段微孔加工效率一般較低，微孔質(zhì)量和精度離理想狀態(tài)還有一定距離。在實際加工時，不僅激光的參數(shù)會影響微孔的加工質(zhì)量、效率以及成本，更需要根據(jù)材料的特性和對微孔各方面的要求，綜合選擇合適的加工方法。如何采用一些輔助手段來提高加工精度，改善加工質(zhì)量一直是各機構研究的熱點問題?，F(xiàn)階段主要有在真空中打孔、吹氣輔助打孔、液體輔助打孔、化學刻蝕輔助微孔加工和超聲輔助微孔打孔等方法。本文綜述了近年來國內(nèi)外學者對各方法的研究進展，分析了各方法的優(yōu)勢和存在的問題，并指出今后的發(fā)展方向。

一、飛秒激光微孔加工工藝技術

隨著現(xiàn)代化設備設計要求和制造水平的提高,對于符合其要求的微孔結構的尺寸、精度、質(zhì)量以及成本也有了新的標準?，F(xiàn)有技術已經(jīng)很難滿足不同場景的需要，這無疑制約了激光微孔技術的發(fā)展和應用。如何加工出符合要求的高深徑比微孔成為需要迫切解決的問題。為了解決這些問題，需要不斷探索新的加工工藝。

(一)氣體輔助加工

在眾多方法中，空氣中直接打孔的方式由于簡單、直接且不需要輔助設備被廣泛使用。但由于激光束的作用時間極短，作用區(qū)域內(nèi)的空氣來不及排出，容易在加工表面形成氣孔，所以一些人考慮在真空環(huán)境下進行加工。與直接在空氣中打孔相對比，真空環(huán)境下加工產(chǎn)生的等離子體更容易排出，激光能量更容易作用到微孔底部，對微孔的質(zhì)量和深徑比都有很大程度上的提升。

在進行高深徑比的飛秒微孔加工中，部分材料會由于自由電子的大量電離轉變?yōu)榈入x子體，這部分等離子體會屏蔽大部分激光能量，影響打孔的深度和效率。為解決加工過程中產(chǎn)生的殘余物，可以采用輔助吹氣的方法，并且這一方法可以起到冷卻的作用，有利于減小熱影響區(qū)。

(二)液體輔助加工

考慮到微孔受熱輻射產(chǎn)生變形以及孔內(nèi)殘余物的去除問題，有學者研究了激光水下加工和水導激光加工技術。水下加工將工件置于水層中，水可以降低空氣對激光的影響；水的流動以及微孔的毛細作用可以在一定程度上帶走孔中的加工殘余物；水的冷卻作用帶走了加工產(chǎn)生的殘余熱，有效降低熱效應并且減小重鑄層，這些都可以在一定程度對微孔造成積極影響。2018年，ZHOU等分別在空氣與水輔助環(huán)境下在氧化鋁陶瓷上進行打孔實驗。結果表明，水輔助激光鉆孔避免了材料的再次粘附，并且對消除重鑄層、減小微孔錐度也有積極作用。WATANABE等在水環(huán)境中將焦點從玻璃底部開始移動，避免了加工過程中激光對微孔的重復作用。2019年，ZHU等發(fā)現(xiàn)液體表面的水膜會對激光造成再反射使其再次作用到孔壁上，進一步提升了激光的作用率。

但由于液體對激光的折射作用，激光焦點會在加工過程中產(chǎn)生偏移，從而影響微孔精度，這對精密儀器來說是致命的缺陷；并且由于水束尺寸的制約和激光功率密度的問題，也影響了該技術的實際應用。水導激光技術還需要向著尺寸更小、精度更高、功率更大的方向發(fā)展，圍繞激光與水射流的耦合機理以及工藝參數(shù)優(yōu)化等問題也有待更深一步的研究。

(三)化學刻蝕輔助加工

飛秒激光輔助濕法刻蝕在透明介質(zhì)三維結構加工中具有很大的優(yōu)勢。飛秒激光照射到材料表面，當脈沖通量達到材料的燒蝕閾值時，加工表面會發(fā)生改性使之更容易發(fā)生反應，然后使用化學溶液對加工進行刻蝕形成微結構。在濕法蝕刻工藝中沒有加工殘留物，有利于激光束的傳播和作用，大大降低了微孔被阻塞的幾率，提高了微孔的深徑比，對加工表面的光潔程度也有很大程度上的提高。

化學刻蝕會使加工區(qū)域產(chǎn)生改性，利用該方法制備的材料會得到獨特的性能。但目前對于飛秒激光與透明介質(zhì)相互作用的機理研究還不夠深入；對于加工精密傳感器的精度和質(zhì)量問題還需要考慮如何更深層的優(yōu)化激光參數(shù)和腐蝕工藝參數(shù)。

二、結束語

近年來，飛秒激光器正不斷向著智能化、集成化、小型化等方向發(fā)展。但是飛秒激光的作用機理還未形成統(tǒng)一的理論，通過對飛秒激光與物質(zhì)作用過程的模擬和建模，能夠更好地分析影響加工質(zhì)量的各種因素。但微孔的加工過程涉及到材料性質(zhì)、光學屬性、物理性能等多方面因素，這些模型的使用都具有一定的限制條件，并不能完整的解釋整個加工過程，這對激光微孔加工技術的提高造成了阻礙，也影響了激光微納加工技術的進一步發(fā)展。因此亟需建立一個能夠全方面詮釋飛秒激光加工機理的模型，為激光微孔技術的發(fā)展和應用提供有力支撐，并將實驗與理論相結合，不斷完善其理論模型。