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| 532nm纳秒皮秒激光对蓝宝石内部刻蚀的控制研究 摘 要 蓝宝石晶体具有优良的物理性能（光学性能、电学性能、力学特性、热性能等）和化学性能，可经受侵蚀性介质、辐照、高温、压力和机械加载的作用，广泛应用于航空航天工业、现代电子制造等领域。如可作为红外军事装置、空间飞行器等的窗口材料，LED光学器件衬底材料，高档表的镜面，消费电子产品的摄像头和屏幕镜片等。然而，蓝宝石晶体的应用普及并未达到理想水平。蓝宝石属于硬脆性材料，极易在加工过程产生崩边和裂纹等现象，严重影响其质量和性能，为精细加工带来了较高的难度。本文针对这一制造领域的难点，系统地研究了532 nm波长纳秒/皮秒激光对蓝宝石内部刻蚀的微加工及其作用机理，特别是精度和可控性方面的研究。 论文首先研究了532 nm波长的纳秒短脉冲激光（脉宽6 ns）对蓝宝石进行基本作用规律的研究。实验中采用控制变量法探究了纳秒激光多脉冲的刻蚀特性与工艺参数的关系，并分析了脉冲数的变化对加工阈值的影响。由于纳秒激光刻蚀蓝宝石主要是基于光热作用的机理，限制了其内部刻蚀加工的精度和可控性。 接着，采用532 nm波长的皮秒超短脉冲激光（脉宽10 ps）对蓝宝石的内部刻蚀进行控制研究，探究其峰值功率、离焦量、扫描次数等工艺参数的作用规律。区别于传统激光内雕的原理，本文利用超快激光非线性效应，在能量密度小于材料损伤阈值的条件下进行激光内部刻蚀。同时，计算了电离、成丝和损伤的阈值功率，探究了激光峰值功率在不同区间对应的现象。我们发现，当激光峰值功率大于损伤阈值功率4.728×106 W时，在蓝宝石上表面造成刻蚀损伤。当激光峰值功率大于（或略小于）成丝阈值功率7×105 W，且小于损伤阈值功率4.728×106 W时，材料内部出现激光成丝。此时，离焦量线性调控成丝位置，而几乎不影响刻蚀精度；成丝起始位置随激光峰值功率的增大而减小；脉冲数对成丝起始位置几乎无影响。受限于瑞利长度等因素，230 µm为实验条件下激光成丝最短线迹。当激光峰值功率大于电离阈值功率3.14×104 W且小于成丝阈值功率7×105 W时，发生光学击穿，可实现纵长140 µm的内部刻蚀线迹。综上所述，激光成丝具有较好的可控性但精度受限，光学击穿精度高但不够稳定。 本研究中对532 nm波长纳秒/皮秒激光加工蓝宝石的作用机理进行了对比，为（超）短脉冲激光在硬脆性材料微加工领域的研发和应用提供了有指导意义的基础研究信息。同时，本文着重研究了皮秒激光非线性效应对蓝宝石的内部刻蚀，为蓝宝石等晶体的激光内部刻蚀提供了一条值得探索的新思路和途径。 |
