玻璃表面飛秒激光微孔加工技術(shù)探析

摘 要：隨著激光加工技術(shù)的不斷發(fā)展，具有超快加工速度、超高加工精度及可實(shí)現(xiàn)超越衍射極限加工的飛秒激光加工技術(shù)受到越來越多的關(guān)注與應(yīng)用。為探究飛秒激光在玻璃表面加工高深徑比、高圓度微孔結(jié)構(gòu)的方法，通過研究飛秒激光燒灼加工原理等，設(shè)計(jì)了一系列單因素控制對(duì)照實(shí)驗(yàn)，探究出激光功率、曝光時(shí)間等相對(duì)最佳激光加工參數(shù)。利用MATLAB軟件設(shè)計(jì)編寫了環(huán)狀旋轉(zhuǎn)加工的改進(jìn)加工方法，旨在運(yùn)用飛秒激光加工直寫平臺(tái)在玻璃材料表面加工制備出形貌表征良好、具有高深徑比的微孔結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：飛秒激光加工；玻璃微孔結(jié)構(gòu)；激光加工參數(shù)；MATLAB

中圖分類號(hào)：TN249" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）18-0078-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.18.020

0" " 引言

飛秒激光是一種以飛秒量級(jí)為脈沖寬度的脈沖激光[1]。飛秒，標(biāo)衡一段極短時(shí)間長(zhǎng)度的計(jì)量單位，又稱毫微微秒，單位為fs。1 fs僅僅只有1 s的千萬億分之一，相當(dāng)于核外電子繞氫原子核旋轉(zhuǎn)過半周的時(shí)間。飛秒激光特有的超短脈沖寬度和極強(qiáng)峰值功率，是其他光源在超快、超強(qiáng)、超微細(xì)加工等領(lǐng)域所不可企及的優(yōu)勢(shì)，直接將物理、材料、通信和信息等科學(xué)的研究帶入了微觀超快過程領(lǐng)域。

1" " 飛秒激光燒灼玻璃材料基本理論分析

1.1" " 飛秒激光與玻璃材料作用的物理過程

當(dāng)高純度玻璃材料被飛秒激光燒蝕加工時(shí)，材料中的電子將會(huì)在一個(gè)極微小的時(shí)間內(nèi)（一個(gè)脈沖時(shí)間）發(fā)生非線性過程[2]。由于加工激光脈沖寬度極短的特性，被電子吸收的脈沖能量沒有足夠的時(shí)間轉(zhuǎn)移至晶格，整個(gè)電子沒有明顯的熱效應(yīng)出現(xiàn)，還處于一種“冷卻”狀態(tài)。激光的脈沖寬度不同，與材料相互作用后，產(chǎn)生的具體物理現(xiàn)象不同，在飛秒尺度內(nèi)，發(fā)生的物理現(xiàn)象主要為多光子吸收和隧道電離；在皮秒尺度內(nèi)，通過電子-聲子耦合方式，吸收了能量的電子將轉(zhuǎn)移至晶格，隨后轉(zhuǎn)化為熱能消散；在納秒尺度內(nèi)，周圍環(huán)境會(huì)迅速受到隨中心溫度升高產(chǎn)生并擴(kuò)散的壓力波的影響；在納秒到微秒的尺度內(nèi)，沿溫度梯度從焦點(diǎn)區(qū)域擴(kuò)散的熱能將導(dǎo)致材料的熔化并發(fā)生微爆炸。當(dāng)加工激光的頻率高達(dá)一定程度時(shí)，與高溫過程相關(guān)的現(xiàn)象將因熱量的累積而發(fā)生，例如離子遷移、相變與結(jié)晶。

1.2" " 飛秒激光去除材料機(jī)理

在超短激光脈沖的加工中，玻璃材料的燒蝕方式主要分為兩種：熱氣化和庫(kù)侖爆炸[3]。熱氣化，輻照區(qū)的局部溫度在電子與聲子的連續(xù)碰撞中不斷升高，當(dāng)溫度超過材料沸點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生材料去除。庫(kù)侖爆炸，激光輻照區(qū)的表層電子受激光高峰值功率影響產(chǎn)生逃逸，當(dāng)靜電力大于晶格間的力時(shí)，晶格因化學(xué)鍵斷裂而損壞并產(chǎn)生去除作用。飛秒激光的兩個(gè)燒蝕階段——強(qiáng)燒蝕和弱燒蝕分別與熱氣化和庫(kù)侖爆炸這兩種去除機(jī)制相對(duì)應(yīng)。在實(shí)際使用飛秒激光加工過程中，在劃分強(qiáng)弱燒蝕的激光強(qiáng)度上并沒有明顯區(qū)分。弱燒蝕階段，庫(kù)侖爆炸或材料致密化是造成材料去除的主要原因，此時(shí)燒灼材料的速率較低；強(qiáng)燒蝕階段，熱氣化或相爆炸是造成材料去除的主要原因，此時(shí)燒蝕材料的速率較高。此外，材料的去除效果和燒蝕深度與材料的物化特性、加工激光的功率以及單點(diǎn)獲得的脈沖數(shù)等因素有關(guān)。

2" " 飛秒激光參數(shù)對(duì)玻璃表面微孔加工影響

2.1" " 激光功率對(duì)微孔加工效果的影響

為探究激光功率對(duì)微孔燒灼的影響規(guī)律，設(shè)置第一組控制變量法的單一變量對(duì)照實(shí)驗(yàn)：用不同功率的飛秒激光在玻璃樣品表面采用叩擊打孔的方式打出多個(gè)長(zhǎng)18 μm、寬18 μm的4×4正方形點(diǎn)陣列，每點(diǎn)間距約6 μm。為達(dá)到單因素實(shí)驗(yàn)控制變量的效果，固定部分加工激光的參數(shù)不變，每個(gè)陣列均采用相同的重復(fù)頻率25 kHz和相同的曝光時(shí)間1 000 μs，唯一改變的是每個(gè)陣列的加工激光功率，依次設(shè)置為8、10、12、14、16 mW，分別進(jìn)行點(diǎn)陣列微孔燒灼加工，使用SEM場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行表征觀察。

通過SEM場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡輸出的表征結(jié)果圖以及圖上的大比例標(biāo)尺，可以測(cè)算出陣列中每個(gè)微孔的直徑并計(jì)算出每個(gè)陣列的16孔洞平均直徑。5個(gè)陣列的16孔洞平均直徑值及其他基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)每個(gè)陣列的平均孔洞直徑數(shù)據(jù)與燒灼加工該陣列所用的激光功率取值，繪制出一張曲線圖，如圖1所示。通過折線圖可以清晰地分析出，隨著激光功率的增大，孔洞直徑也在增加，材料去除效率有著明顯提高，甚至呈直線上升趨勢(shì)。權(quán)衡材料去除率與微孔形貌特征，進(jìn)行綜合分析得出，并不是激光器功率越大，微孔加工效果越好，通過對(duì)比分析，12 mW為五個(gè)功率中加工效果最佳的。

2.2" " 曝光時(shí)間對(duì)微孔加工效果的影響

由于飛秒激光對(duì)玻璃材料的微孔加工采用的是叩擊打孔方式，加工出的小孔不是由一個(gè)脈沖對(duì)材料作用形成的，而是由多個(gè)脈沖共同作用形成的，所以又稱多脈沖打孔。多脈沖打孔中每一個(gè)脈沖的功能都是相同的，即熔融材料并使其蒸發(fā)，以達(dá)到去除材料的目的；第一個(gè)脈沖加工完后，第二個(gè)脈沖繼續(xù)對(duì)材料進(jìn)行作用，激光的能量又被新的作用面吸收，材料重新熔化。在微孔加工中同一過程被不斷重復(fù)進(jìn)行，孔內(nèi)材料不斷被燒灼，從而實(shí)現(xiàn)微孔的順利加工。根據(jù)采用的多脈沖打孔方式原理，可以分析出單點(diǎn)脈沖數(shù)越多，微孔加工材料去除率越高，效果越好。而每個(gè)孔洞的單點(diǎn)脈沖數(shù)可以按照飛秒激光加工直寫原理公式：重復(fù)頻率×曝光時(shí)間=單點(diǎn)脈沖數(shù)，通過延長(zhǎng)曝光時(shí)間，增大乘積來增加。因此，可以設(shè)置第二組控制變量法的單一變量對(duì)照實(shí)驗(yàn)：用飛秒激光在玻璃樣品表面打出多個(gè)長(zhǎng)18 μm、寬18 μm的4×4正方形點(diǎn)陣列，每點(diǎn)間距約3 μm。為達(dá)到單因素實(shí)驗(yàn)控制變量的效果，固定部分加工激光的參數(shù)不變，每個(gè)陣列均采用最佳激光功率12 mW和相同的重復(fù)頻率25 kHz，唯一改變的是每個(gè)陣列的曝光時(shí)間，依次設(shè)置為500、1 500、2 000、2 500、5 000 μs，并分別進(jìn)行灼燒加工。

通過SEM場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡輸出的表征結(jié)果圖以及圖上的大比例標(biāo)尺，可以測(cè)算出陣列中每個(gè)微孔的直徑并計(jì)算出每個(gè)陣列的16孔洞平均直徑。5個(gè)陣列的16孔洞平均直徑值及其他基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)第二組每個(gè)陣列的平均孔洞直徑數(shù)據(jù)與燒灼加工陣列所用的激光曝光時(shí)間，繪制出一張曲線圖，如圖2所示。通過分析折線圖可以看出，材料去除率及孔洞直徑并沒有按加工原理及預(yù)想隨著單點(diǎn)脈沖數(shù)增加而提高、增大，反而隨曝光時(shí)間、單點(diǎn)脈沖數(shù)增加而減小。分析發(fā)現(xiàn)是由于灼燒在單點(diǎn)的脈沖數(shù)過多，造成熱量堆積，使加工過程中產(chǎn)生了大量的碎屑，形成了重鑄層[4]，將已經(jīng)加工好的孔洞填埋，最終孔洞直徑變小。因此，為避免重鑄層的產(chǎn)生，曝光時(shí)間并不是越長(zhǎng)越好，500 μs已經(jīng)為五個(gè)曝光時(shí)間中效果最好的參數(shù)取值。

一系列單因素對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在加工激光功率方面，盡管提高激光功率確實(shí)可以提高材料去除率，但受實(shí)驗(yàn)儀器等硬件限制，過高的加工功率會(huì)造成微孔形貌不良，權(quán)衡材料去除率與孔洞形貌特征，通過對(duì)比分析，12 mW為相對(duì)理想的加工參數(shù)；在曝光時(shí)間方面，500 μs為最佳。

3" " 飛秒激光微孔加工技術(shù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)

傳統(tǒng)的多脈沖飛秒激光加工方式存在諸多缺陷，如：碎屑堆積形成重鑄層填埋微孔，激光熱效應(yīng)在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力破壞微孔內(nèi)部及表面結(jié)構(gòu)，受硬件條件限制較大無法實(shí)現(xiàn)較高圓度微孔的加工等，已不能滿足加工高深徑比、圓度良好的玻璃微孔結(jié)構(gòu)的要求。在確定相對(duì)最佳激光參數(shù)后，需設(shè)計(jì)改進(jìn)新的微孔燒灼加工方式，在玻璃材料表面進(jìn)行更進(jìn)一步的微孔加工。

類比參考車床切削加工工件深孔時(shí)鉆頭不斷旋轉(zhuǎn)進(jìn)刀加工的原理，設(shè)計(jì)改進(jìn)激光打孔路徑。沿孔洞圓心向孔洞圓周，由內(nèi)向外不斷沿半徑逐漸增大的圓環(huán)圓周旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行多脈沖點(diǎn)燒灼加工，直至圓環(huán)半徑與微孔加工設(shè)計(jì)半徑相等，并執(zhí)行此掃描循環(huán)多次，使微孔達(dá)到擁有更大深徑比、更高圓度的效果。用MATLAB軟件設(shè)計(jì)環(huán)轉(zhuǎn)打孔路徑并編寫打孔程序，確定不同圓周上的加工坐標(biāo)并輸出為txt點(diǎn)坐標(biāo)文件，程序如圖3所示。

在MATLAB中運(yùn)行程序，得到環(huán)轉(zhuǎn)打孔路徑及加工點(diǎn)位平面圖，如圖4所示，孔洞效果立體圖如圖5所示，txt加工點(diǎn)位坐標(biāo)文件如圖6所示。

為確保加工效果，將程序設(shè)計(jì)輸出的打孔路徑txt加工點(diǎn)位坐標(biāo)文件輸入掃描振鏡系統(tǒng)配套的模擬加工軟件Maleon Data Processor中，模擬飛秒激光加工直寫系統(tǒng)最終的加工效果，模擬微孔環(huán)轉(zhuǎn)加工平面效果圖如圖7所示，模擬微孔環(huán)轉(zhuǎn)加工立體效果圖如圖8所示。模擬環(huán)轉(zhuǎn)加工效果較符合編寫的環(huán)轉(zhuǎn)加工程序的預(yù)期，可使用飛秒激光直寫系統(tǒng)對(duì)玻璃材料進(jìn)行加工。

4" " 結(jié)束語

改進(jìn)的玻璃表面飛秒激光微孔加工方式仍存在一些問題，可以在未來工作中進(jìn)行提升與改善。對(duì)于二次掃描清除碎屑后的環(huán)轉(zhuǎn)加工微孔表面仍然存在的少部分微小硬塊及碎屑，可結(jié)合玻璃材料的液體輔助激光刻蝕法，將加工樣品浸潤(rùn)在甲醇或水等特殊液體中進(jìn)行激光加工，利用流動(dòng)的液體帶走或腐蝕燒灼過程中產(chǎn)生的碎屑并降低熱效應(yīng)、熱擴(kuò)散，或用一定濃度的氫氟酸（HF）溶液在酸洗池中對(duì)樣品進(jìn)行酸洗去除。環(huán)狀旋轉(zhuǎn)加工法由于材料旋轉(zhuǎn)式慣量大，掃描振鏡系統(tǒng)加工范圍、加工速度所限，一般一次只能加工一個(gè)小體量微孔，無法實(shí)現(xiàn)大批量快速加工，對(duì)直接應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)不利，可采用加工范圍更大的場(chǎng)鏡，設(shè)計(jì)編寫相應(yīng)加工程序進(jìn)行加工改善。

[參考文獻(xiàn)]

[1] FORK R L，GREENE B I，SHANK C V.Generation of optical pulses shorter than 0.1 psec by colliding pulse mode locking[J].Applied Physics Letters， 1981，38（9）：671-672.

[2] GANIN D，LAPSHIN K，OBIDIN A，et al.Single pulse perforation of thin transparent dielectrics by femtosecond lasers[J].Applied Physics A：Materials

Science amp; Processing，2017，123（5）：378-385.

[3] 姚龍?jiān)?飛秒激光燒蝕石英玻璃機(jī)理與形貌特征研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.

[4] 陳亮，劉曉東，劉靜，等.飛秒激光在石英玻璃表面刻蝕微槽的研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40（23）：145-151.

收稿日期：2023-06-13

作者簡(jiǎn)介：王藝霖（2000—），男，天津人，研究方向：電子信息工程。