短脈沖光纖激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工薄蓋玻片研究

盧希釗，顏丙功，江開勇

（1. 華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361021；2. 廈門大學(xué)機(jī)電工程系，福建 廈門 361005；3. 福建省特種能場(chǎng)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021）

薄蓋玻片作為重要的圖像、光電、生物等傳感器保護(hù)層有著不同的適用場(chǎng)景， 由于其材質(zhì)薄、導(dǎo)熱性差、機(jī)械強(qiáng)度不足，故不適于機(jī)械加工，主要利用無(wú)接觸應(yīng)力的激光加工。 激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工（laser induced plasma assisted ablation，LIPAA）是一種利用激光轟擊金屬目標(biāo)靶誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體，對(duì)薄膜、石英、金剛石等薄透物質(zhì)進(jìn)行間接加工的方法，能有效應(yīng)用在元器件制造、精細(xì)設(shè)備制造、透明物質(zhì)的表面微結(jié)構(gòu)制造等場(chǎng)合[1-6]。 這類加工方法可應(yīng)用于絕大部分透明物體的加工，有效避免常用的納秒激光加工熱效應(yīng)明顯的缺陷，既能夠解決減材加工中待加工的透明材質(zhì)不直接吸收激光的難題，也可以避免透明材質(zhì)對(duì)不同激光的波長(zhǎng)吸收選擇性。

蓋玻片的主要成分為SiO2，其吸收波長(zhǎng)峰值約為480 nm，因體積小、材質(zhì)輕便、透光性良好等優(yōu)點(diǎn)在傳感器中得到廣泛應(yīng)用，而激光誘導(dǎo)等離子體刻蝕技術(shù)的出現(xiàn)提高了其應(yīng)用水平[7-10]。短脈沖激光的脈沖寬度對(duì)于加工效果的熱影響巨大，限制了加工精度，從藍(lán)寶石到金剛石的結(jié)果也證明了激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工去除材料是通過(guò)激光、 等離子體、材料的復(fù)合作用[11-13]。

1 激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工原理

圖1 是激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工的原理：脈沖光纖激光器產(chǎn)生1064 nm 的脈沖激光作為加工光源，激光束通過(guò)掃描振鏡掃描定位，激光束穿過(guò)安裝在固定目標(biāo)金屬靶上方一定距離的待加工透明基板，照射在固體金屬靶上表面，由此產(chǎn)生金屬等離子體團(tuán)聚，并發(fā)射絕大部分的等離子體團(tuán)聚定向加工透明基板的后表面。

圖1 激光誘導(dǎo)等離子加工原理圖

激光誘導(dǎo)等離子加工中所用的光源為金屬吸收率較高的1064 nm 納秒激光，由于此波段的激光對(duì)蓋玻片的穿透率較高，使用該激光難以直接作用蓋玻片加工微結(jié)構(gòu)。 蓋玻片可視為一個(gè)熱敏感材料體，在加工過(guò)程中，厚度180 μm 的蓋玻薄片材料易受熱應(yīng)力作用過(guò)度而導(dǎo)致邊緣燒蝕甚至裂開。 實(shí)際上，用常規(guī)納秒級(jí)激光加工和短脈沖激光加工蓋玻片是一個(gè)困難且復(fù)雜的過(guò)程，例如，脈寬寬度10 ns以上的激光由于熱效應(yīng)明顯，蓋玻片受熱易產(chǎn)生微裂紋，從而影響微結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量。

激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工薄蓋玻片是應(yīng)用納秒級(jí)高功率光纖激光器進(jìn)行加工。 經(jīng)過(guò)初步探索發(fā)現(xiàn)，激光能量密度的選擇非常關(guān)鍵，過(guò)高的能量密度會(huì)引起蓋玻片樣品的碳化及熱應(yīng)力引起的崩邊、缺陷，選擇合適的激光能量才盡可能地控制蓋玻片在加工過(guò)程中被過(guò)度熱熔，同時(shí)合理設(shè)計(jì)加工順序，以此避免熱應(yīng)力的交叉與集中，也能夠減少蓋玻片在激光作用時(shí)產(chǎn)生微裂紋。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

圖2 是實(shí)驗(yàn)搭建的激光誘導(dǎo)等離子加工平臺(tái)，其中三維調(diào)整平臺(tái)Z 軸的工作范圍為0～5 mm，可以調(diào)整其中一維坐標(biāo)使得激光作用區(qū)域位于待加工薄蓋玻片上， 另外一維則可以調(diào)整目標(biāo)金屬靶，使得金屬靶未被激光照射的區(qū)域在待加工的透明基板下方，以保證實(shí)驗(yàn)中透明基板與目標(biāo)金屬靶的距離準(zhǔn)確性，另外也可使加工區(qū)域不會(huì)混入已加工的氧化物雜質(zhì)。

圖2 激光誘導(dǎo)等離子輔助加工蓋玻薄片

實(shí)驗(yàn)中，在一定范圍（0.05～2 mm）內(nèi)調(diào)整透明基板到目標(biāo)金屬靶的距離，激光透過(guò)透明基板增加到達(dá)金屬靶的聚焦情況并未改變，從幾何光學(xué)理論上和可忽略范圍內(nèi)焦點(diǎn)位置、焦斑大小并未改變。

2.2 加工光源與實(shí)驗(yàn)樣品

為使納秒激光的光子最大程度激發(fā)金屬靶上的等離子體，采用光纖激光器脈沖寬度為1～10 ns，單位脈沖能量為13 mJ，激光重復(fù)頻率為60～300 kHz，平均功率為18 W，波長(zhǎng)為1064 nm。 加工的透明基板為蓋玻片，選擇原子尺寸較大純銅（紅銅）作為目標(biāo)金屬靶，激光激發(fā)產(chǎn)生銅離子，等離子體的數(shù)量與激光的能量密度、激光作用時(shí)間相關(guān)。

3 結(jié)果與分析

3.1 激光能量密度對(duì)加工薄蓋玻片的影響

圖3 是不同的激光能量密度對(duì)激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工蓋玻片的寬度和深度的影響。

圖3 不同激光能量密度下的加工線寬和加工深度

由圖3 可見， 能量密度在2.4 J/cm2以下時(shí)，隨著加工激光能量密度上升，刻蝕的深度和線寬不斷增大；當(dāng)激光能量達(dá)到2.5 J/cm2時(shí)，刻蝕的寬度不再增加，且隨著誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體互相碰撞的機(jī)會(huì)增多，刻蝕的效果反而會(huì)變差。

固定激光重復(fù)頻率300 kHz，脈沖寬度為1 ns，掃描速度為20 mm/s，掃描次數(shù)為2 次，得到能量密度在1.41～2.57 J/cm2范圍內(nèi)激光誘導(dǎo)等離子加工薄蓋玻片樣品的顯微圖（圖4）。由圖4 可見，蝕刻的圖形中線寬逐步變寬，深度也逐漸變深。

圖4 不同能量密度激光誘導(dǎo)等離子加工薄蓋玻片樣品

3.2 激光掃描速度對(duì)加工薄蓋玻片的影響

在一定的激光掃描速度范圍內(nèi)，如果能獲得足夠數(shù)量的等離子轟擊，則可以實(shí)現(xiàn)刻蝕的目的。圖5是不同的激光掃描速度對(duì)激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工蓋玻片的寬度和深度的影響，可見掃描刻蝕的寬度隨著掃描速度提高而增加，掃描的深度隨著掃描速度提高而減少。

圖5 不同激光掃描速度下的加工線寬和加工深度

圖6 是激光掃描速度在20～100 mm/s 范圍內(nèi)激光誘導(dǎo)等離子加工薄蓋玻片樣品的顯微圖，可見過(guò)小的掃描速度會(huì)引起切割時(shí)的燒蝕，過(guò)大的掃描速度會(huì)使得加工目標(biāo)金屬靶時(shí)產(chǎn)生的等離子體無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工。 在加工中，激光掃描速度關(guān)系到激光作用目標(biāo)金屬靶的時(shí)間，決定了產(chǎn)生等離子體的數(shù)量，長(zhǎng)時(shí)間照射在待加工透明基板會(huì)引起基板溫度升高，故而在選擇激光掃描速度時(shí)，應(yīng)選擇合適的加工速度使加工的線寬和深度相互匹配。

圖6 不同掃描速度激光誘導(dǎo)等離子加工薄蓋玻片樣品

3.3 加工距離對(duì)加工薄蓋玻片的影響

加工距離是激光誘導(dǎo)等離子體誘導(dǎo)加工過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)之一， 當(dāng)靶和基板之間距離的增加，更高的動(dòng)能可以為銅離子體的飛行提供條件。 圖7是不同的加工距離對(duì)激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工蓋玻片的寬度和深度的影響，可見加工距離越近則激光誘導(dǎo)等離子刻蝕的寬度越窄、深度越深，然而過(guò)大的加工距離會(huì)使誘導(dǎo)的等離子無(wú)法實(shí)現(xiàn)刻蝕。

圖7 不同加工目標(biāo)與基質(zhì)間距離下的加工線寬和加工深度

圖8 是加工距離在500～1500 μm 范圍內(nèi)激光誘導(dǎo)等離子加工薄蓋玻片樣品的顯微圖。 由圖可見，加工效果受透明基板與目標(biāo)金屬靶間距離的影響極大，當(dāng)加工距離越大時(shí)，加工燒蝕的現(xiàn)象減輕，被加工出來(lái)的線寬越寬。

圖8 不同加工距離激光誘導(dǎo)等離子加工薄蓋玻片樣品

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了短脈沖光纖激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工薄蓋玻片中各加工參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響，結(jié)果顯示激光能量密度、掃描速度、加工距離對(duì)加工所得的線寬、線深有較大影響。 隨著蓋玻片等透明薄膜大量應(yīng)用于光電領(lǐng)域，短脈沖光纖激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工也被應(yīng)用于開發(fā)下一代薄透介質(zhì)的研究中，有著很大的應(yīng)用前景和提升空間，從而滿足微加工日益嚴(yán)苛的要求。