激光加工透明晶體與玻璃的研究進(jìn)展

韓軍

（旭飛光電科技有限公司，河南 鄭州 450000）

激光加工技術(shù)是利用激光高能量的特性，通過光子與材料的相互作用，以實(shí)現(xiàn)材料改性、去除等性能要求。自20世紀(jì)70年代大功率激光器件出現(xiàn)，激光加工技術(shù)形成了激光切割、激光打孔、激光標(biāo)記、激光刻槽等多種應(yīng)用工藝，在電子、材料、機(jī)械、藝術(shù)設(shè)計(jì)等得到廣泛的應(yīng)用。目前，透明晶體材料，諸如石英晶體、光學(xué)晶體、功能性晶體及相應(yīng)非晶態(tài)物質(zhì)如石英玻璃、光學(xué)玻璃等難加工材料，由于其脆硬性的特點(diǎn)，采用常規(guī)機(jī)械加工或化學(xué)加工工藝對(duì)其進(jìn)行切割、打孔等，易產(chǎn)生裂紋破損，加工效率低。

一、激光加工原理及特點(diǎn)

（一）激光產(chǎn)生的原理

眾所周知，原子內(nèi)部的電子可以通過與外界交換能量而從一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變?yōu)榱硪环N運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于每一種狀態(tài)，原子具有確定的內(nèi)部能量值，每個(gè)內(nèi)部能量值稱為一個(gè)能級(jí)，原子的內(nèi)部能量不是連續(xù)變化的，分為不同的高低能級(jí)。一般處于高能級(jí)的原子很不穩(wěn)定，它總是力圖回到較低的能級(jí)去，原子向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)過程稱為“躍遷”。而某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)（即具有處于高低能級(jí)之間的“亞穩(wěn)態(tài)級(jí)”）結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在一定外來光子能量的激發(fā)下，大量粒子從低能級(jí)被激勵(lì)到高能級(jí)上去，這樣產(chǎn)生了受激輻射躍遷的光，用“激光諧振腔”把受激輻射放大，使之成為可以使用的激光。

（二）激光加工的本質(zhì)

激光加工不是象一般的機(jī)械加工一樣，是“機(jī)械能”的體現(xiàn)，而是“熱能”的作用。激光由于強(qiáng)度高，方向性好，顏色單純，可以通過一系列的光學(xué)系統(tǒng)，象凸透鏡等，把激光束聚焦成一個(gè)極小的光斑。光斑直徑僅有幾微米到幾十微米，獲得108-1010 W/cm2的能量密度以及10000℃以上的高溫，從而能在千分之幾秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)使各種物質(zhì)熔化和氣化，以達(dá)到蝕除被加工工件的目的。

二、透明晶體與玻璃最新激光加工技術(shù)研究進(jìn)展

（一）多脈寬組合的激光加工技術(shù)

當(dāng)前激光微加工工藝普遍采用單一脈寬形式進(jìn)行加工。其中，納秒脈寬激光加工效率高，卻存在能量導(dǎo)入過大，易引起材料內(nèi)部開裂；皮秒與飛秒激光加工瞬態(tài)導(dǎo)入能量小，但其加工效率低下，對(duì)于較大的結(jié)構(gòu)，難以進(jìn)行高效率加工。特別是對(duì)于損傷閾值較高或抗拉強(qiáng)度較小的晶體材料，單脈寬加工難以同時(shí)進(jìn)行較小的加工能量導(dǎo)入并實(shí)現(xiàn)較高的加工效率。研究人員對(duì)探測(cè)用硅酸釔镥晶體的加工中，首先提出了一種使用雙脈寬組合激光微加工的方法。該方法在加工系統(tǒng)光路中，各安裝了一套皮秒激光器與納秒激光器，激光器的光束通過反射鏡組與聚焦鏡投射于晶體內(nèi)。由于皮秒激光器的瞬態(tài)功率高，作用時(shí)間短，故在皮秒脈沖聚焦于材料后，被聚焦點(diǎn)的材料迅速電離為等離子體并帶走大量能量，在材料內(nèi)部照射點(diǎn)上形成眾多微小的缺陷結(jié)構(gòu)。隨后，在納秒激光聚焦時(shí)，材料通過缺陷吸收效應(yīng)對(duì)激光能量進(jìn)行吸收，大幅提高納秒激光的吸收率。該方法可以在材料總吸收能量小于材料破壞閾值的情況下完成加工，從而大大降低因材料能量吸收過高造成的熱開裂等問題。

（二）超短脈沖激光微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)

近年來，飛秒激光器得到快速發(fā)展。飛秒激光器是一種高性能固體脈沖激光器，其核心組件為飛秒激光震蕩器，該振蕩器利用鈦寶石的增益特性產(chǎn)生飛秒級(jí)的超短脈沖，并通過自鎖模技術(shù)使激光脈寬得到進(jìn)一步的壓縮，從而獲取脈寬為10-14s的超短脈沖。由于脈寬的縮短，飛秒激光的峰值功率可達(dá)PW級(jí)別。由于飛秒激光器脈寬極小，故其與物質(zhì)相互作用時(shí)間遠(yuǎn)小于電子－晶格和晶格－晶格弛豫時(shí)間。在作用時(shí)，被照射物質(zhì)能夠在能量擴(kuò)散前因溫度的急劇升高而發(fā)生氣化，同時(shí)帶走大部分熱量，從而使得熱擴(kuò)散的影響較小，防止因加工邊界產(chǎn)生熔化導(dǎo)致的毛邊與邊界不清晰等現(xiàn)象。因此，飛秒激光對(duì)透明晶體與玻璃等高硬度脆性材料的微結(jié)構(gòu)具有較好的加工特性。

總結(jié)：現(xiàn)階段，激光加工技術(shù)在透明晶體與玻璃中的工藝研究主要涉及激光切割、激光微孔及激光內(nèi)部微加工等，改善了脆硬性透明材料采用常規(guī)機(jī)械切割、打孔加工等難以完成的加工要求。為進(jìn)一步提高該類材料的工藝性能，當(dāng)前透明晶體與玻璃的加工工藝研究主要設(shè)計(jì)基于激光加工工藝參數(shù)，提出不同的理論模型以期優(yōu)化相應(yīng)工藝參數(shù)。目前，在透明晶體與玻璃加工用激光源研究中，各激光器均有利弊。國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入對(duì)激光微加工在透明材料中的應(yīng)用展開研究，其研究難點(diǎn)在于提升加工效率的同時(shí)提高加工精度以及降低加工熱影響區(qū)等。其中，飛秒激光時(shí)空同步聚焦加工技術(shù)是目前研究的發(fā)展趨勢(shì)。因此，探索高品質(zhì)的激光微加工技術(shù)仍是該領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。