CN113333972B - 一种硬脆材料的超快激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于硬脆材料的超快激光加工方法，首先通过光束整形将脉冲激光器输出的高斯光束转换为能量集中且分布更均匀的光束(如平顶光束、贝塞尔光束等)；然后通过对激光加工参数的控制，在激光辐照区域形成多孔褶皱结构；再通过移动激光聚焦位置实现对硬脆材料的切割、钻孔加工。本发明通过光束整形并结合激光加工参数优化手段，可有效提高加工精度和断面质量；采用本发明所述方法加工的玻璃样品具有截面光滑、热影响区小和节能环保等优势。

Description

一种硬脆材料的超快激光加工方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种硬脆材料的超快激光加工方法。

背景技术

智能时代的发展开拓了各类材料在日常生活和科技发展各领域的应用和研究，如光学晶体用作紫外准分子激光器和某些红外激光器的输出窗口，透镜；玻璃作为显示面板原材料用于消费电子领域；微晶玻璃作为大型望远镜的镜坯用于天文观测，作为激光陀螺的腔体和反射镜原材料，用于惯性导航；先进陶瓷材料作为特殊轴承用于航空航天领域。为了满足上述材料在实际应用中的需求，如何实现高效、高质量的加工效果成为了至关重要和亟待解决的问题。

鉴于材料固有的高硬度、高脆性内在特征，裂纹极易产生并随机扩展，成为了实现高效、高精度加工亟待攻克的难关之一。一般来说，硬脆材料的传统加工技术主要包括机械切割、钻孔、雕刻等，需要进一步结合化学刻蚀或机械抛光等方式以满足需求。整个加工过程冗长复杂、成本昂贵且环境污染较大，同时难以实现小尺寸硬脆材料在三维方向上任意形式的高效、高质量加工。

超快激光作为一种新型加工技术手段，作用于硬脆材料时，因单个脉冲持续时间短于电子-声子耦合时间，可以通过非线性吸收将能量聚焦，因此显著减小了热影响区，足以实现微纳尺度的高精度加工。公开号为CN111618454A的专利，将激光脉冲串经贝塞尔切割头聚焦于透明材料的待加工位置，并在其内部形成三个以上的聚焦点，通过移动聚焦位置实现切割；该方法通过优化单个脉冲串中的脉冲数、激光脉冲宽度、峰值功率和相邻脉冲间的时间，有效利用前一脉冲的余热，产生并提高微裂纹的长度，实现对材料的直线和各种异形切割；但该加工方法中微裂纹的扩展难以控制，极易产生损伤；由于不同聚焦点诱导的微裂纹需要连接在一起，未实现小崩边、光滑的切割效果还需要借助高精度、高稳定性的移动平台；另外利用余热还无法避免一定的热影响区，需要通过进一步进行机械抛光或化学刻蚀降低热损伤。公开号为CN112142315A的专利中，通过光束整形将所得贝塞尔超快激光束聚焦于厚玻璃的内部，调整能量密度至待加工玻璃的光学损伤阈值以上进而产生穿孔，再结合其他机械应力分离方式、CO₂应力分离方式和化学蚀刻方式中的一种或多种方式组合的形式，实现玻璃的完全分离；这种穿孔加工方法需要较高的激光能量，不容易保证加工质量，同时若干个穿孔轮廓线的依次形成需要一定的时间，而且后续预置的玻璃分离方式对于加工效果同样至关重要；整体加工过程复杂繁琐，成本相对较高且无法避免热影响区。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种用于硬脆材料的超快激光加工方法，有效提高激光加工玻璃材料的精度和效率。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种硬脆材料的超快激光加工方法，包括如下步骤：由激光器调制提供脉冲激光，将脉冲激光器输出的高斯光束通过光束整形转换为能量集中且分布更均匀的平顶光束或贝塞尔光束，并通过聚焦物镜最终聚焦于玻璃材料表面；调节激光加工参数直至在激光辐照区域形成多孔褶皱结构，通过移动激光聚焦位置，再结合应力分离方式，实现对硬脆材料的加工；其中激光辐照区域形成的多孔褶皱结构具有密集分布的微米级甚至纳米级孔洞结构(因其结构类似多孔泡沫材料，将其称为“多孔泡沫区”)，使激光辐照区与未辐照区形成明晰陡峭的界面，能有效调解加工过程中产生的热应力，减少崩边，进而获得高质量激光加工效果。

优选的，所述平顶光束或贝塞尔光束初始聚焦于硬脆材料的下表面，可有效避免前期形成的多孔泡沫结构对后续激光的传输路径和强度分布造成的不利影响。

上述方案中，所述应力分离方式包括非聚焦CO₂激光加热辅助分离或机械应力分离方式等。

优选的，通过精细联控调节激光重复频率、激光单个脉冲能量和激光扫描速度参数，在激光辐照区域获得密集分布且具有微米级和/或纳米级平均孔径的微小孔洞结构，即“多孔泡沫区”；可以实现更高精度的加工效果。

优选的，所述多孔褶皱结构具有低于10μm的微米级孔洞和/或高于100nm的纳米级尺寸的孔洞，优选为纳米级孔洞。

上述方案中，所述多孔褶皱结构单位表面中的孔洞面积占比为40％以上。

优选的，所述多孔褶皱结构单位表面中的孔洞面积占比为50％以上。

更优选的，所述多孔褶皱结构单位表面中的孔洞面积占比为60％以上。

优选的，所述多孔褶皱结构单位截面中的孔洞数量为6×10⁴个/mm²以上。

更优选的，所述多孔褶皱结构单位截面中的孔洞数量为3×10⁵个/mm²以上。

上述方案中，本发明通过优化多孔褶皱结构也可进一步改善后续“应力裂片”的难易程度，实现快速高效的激光加工。

上述方案中，所述激光加工参数的调节方法为：利用计算机控制***分别对辐照到待加工硬脆材料上的激光功率、重复频率进行精准控制，并结合对三维移动平台的运行加工程序控制(激光扫描速度)，直至在辐照区域表征得到在激光辐照区域形成具有多孔褶皱结构的界面。

上述方案中，所述表征手段包括形貌表征和/或成分表征。

上述方案中，所述形貌表征手段包括扫描电镜技术、透射电镜技术或X射线计算机断层扫描技术等；成分表征包括X射线能谱分析、X射线波谱分析或电子显微探针分析等。

上述方案中，所述多孔褶皱结构特征参数的测量软件包括Image J、Image ProPlus或Nanomeasure进行统计和分析。

上述方案中，所述硬脆材料包括无机晶体、无机玻璃或无机陶瓷等。

上述方案中，所述硬脆材料可选择蓝宝石、石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅等。

上述方案中，所述激光器是高功率的超短脉冲激光器。

上述方案中，所述加工方法包括切割方法或钻孔方法，分别利用三维移动平台使平顶光束或贝塞尔光束的聚焦位置沿设定的切割线移动，或利用高速振镜扫描***使塞尔光束或平顶光束的聚焦位置沿设定的钻孔路径方向运动。

上述方案中，所述三维移动平台以待加工的玻璃材料所在平面为X-Y平面，Z轴方向垂直于X-Y平面。

上述方案中，所述三维移动平台在三维方向上具有纳米级的分辨率。

上述方案中，所述原始高斯光束通过光束整形，利用衍射光学元件等将其转换为能量分布更一致且更稳定的平顶光束或贝塞尔光束，达到更规则的激光作用区域。

上述方案中，所述钻孔方法进一步采用能够高速振镜扫描***，通过计算机控制***设定焦点位置、光束扫描速度和扫描次数等参数，将整形后的超快激光束聚焦到玻璃材料待加工部位的下表面，然后通过高速振镜扫描***，使焦点从玻璃材料的下表面以螺旋运动的方式聚焦至上表面，并结合水流辅助装置，通过精准控激光加工参数，实现对硬脆材料的高质量钻孔。

优选的，水流辅助***使用水流辅助设备，将待加工样品固定且其下表面与蒸馏水直接接触；水流发挥冷却作用，及时带走钻孔产生的碎屑，防止加工过程出现堵塞，提高加工质量和效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明首先利用光束整形获得能量集中且分布更均匀的平顶光束或贝塞尔光束，然后进一步对激光加工参数进行优化直至在加工区域(激光辐照区域)形成“多孔泡沫区”，可有效调节加工过程中产生的热应力，实现加工后无宏观尺度的微裂纹的目的；所得加工截面侧壁光滑，且无热影响区；可实现高精度切割和钻孔，获得更高质量的加工表面；

2)通过将高斯光束整形为平顶光束或贝塞尔光束，能使辐照区和未辐照区产生分明的多孔界限；由此形成的多孔泡沫区能够有效调节由于热膨胀系数不匹配所产生的热应力，进而促进得到高质量加工表面；

3)本发明在切割过程中，尤其在曲线切割过程中，可进一步使用辅助的非聚焦CO₂激光加热***实现可控的裂纹扩展，实现高质量高效率加工；在钻孔过程中，可进一步结合高速振镜扫描***和水流辅助装置，实现高质量高效率的钻孔效果；

4)本发明结合光束整形和参数优化手段，首次提出在激光辐照区域形成具有多孔褶皱结构的多孔泡沫区(无需在高辐照能量条件下形成通孔)，可在能量相对较低的前提下，进一步有效调节加工过程中产生的热应力，提高表面加工质量，具有显著的能耗和环境效益，并可为硬脆材料的高精度高质量的加工提供一条全新的思路。

5)本发明涉及的加工工艺简单、操作方便，能耗较低，适合推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例中所述超快激光微加工***示意图；其中，1为激光***，2为光束扩展器，3为半波片，4为成像***，5为滤光片，6为透镜，7为反射镜，8为光束调制***，9为聚焦物镜，10为样品，11为工作台；

图2为对比例所述微晶玻璃材料采用不同能量高斯光束进行超快激光辐照后的光学图像；

图3为实施例1所得“多孔泡沫区”的扫描电镜图像；

图4为实施例1利用贝塞尔光束辐照后获得的“多孔泡沫区”的光学图像；

图5为实施例1所得“多孔泡沫区”的X射线能谱分析结果；

图6为实施例2所述微晶玻璃材料采用不同能量贝塞尔光束进行超快激光辐照后的(a)扫描电镜图像和(b)切割截面光学图像；

图7为实施例3所述微晶玻璃材料的贝塞尔光束超快激光辐照扫描电镜图像；

图8为实施例1或2所述微晶玻璃材料的高斯光束超快激光辐照过程机理示意图；

图9为实施例1或2所述微晶玻璃材料的贝塞尔光束超快激光切割过程机理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，采用的超快激光微加工***示意图见图1，其中包括激光***1、光束扩展器2、半波片3、成像***4、滤光片5、透镜6、反射镜7、光束调制***8、聚焦物镜9、工作台，待加工的玻璃材料样品10放置在三维移动平台11上。

以下实施例中，采用的微晶玻璃材料为厚度约800μm且具有超低热膨胀系数的透明锂铝硅微晶玻璃，该种玻璃材料在500～1064nm范围内的透过率高于90％。

对比例

一种微晶玻璃材料的超快激光切割方法，包括如下步骤：

采用高斯光束点辐照：采用高能量飞秒激光器发出脉冲持续时间为300fs的超快激光高斯光束，经光束扩展器2、半波片3、反射镜7和聚焦物镜9，高斯光束超快激光聚焦于微晶玻璃表面；其中，控制激光加工参数条件为：激光单脉冲能量3.25～24.3μJ，辐照时间50ms；检测不同辐照条件所得微晶玻璃的光学显微图像，结果见图2。由图2可以看出：

a.当激光单脉冲能量等于3.25μJ时，仅观察到激光辐照区颜色变深的现象，未发现其他变化，微晶玻璃表面在此激光辐照条件下发生了光致变暗现象；

b.将单脉冲能量提高到12.5μJ时，观察到一个由三个较长裂纹组成的深色内环区域，往外是一个由更多细小裂纹分布的外环区域；

c.继续将单脉冲能量提高至16μJ，除了较长的裂纹扩展外，还会出现明显的损伤，即不规则的孔洞和周围的深色附着物；

d.进一步将单脉冲能量提高至20μJ，长裂纹反而消失，辐照中心产生了形状规则的烧蚀孔洞，另外，激光能量的提高直接导致作用温度的升高，孔洞周围的深色附着物增多；

e.当脉冲能量达到24.3μJ时，烧蚀孔洞平均孔径略微减小，孔洞周围聚集更多的挥发重固化附着物；

综上，随着高斯光束激光能量的提高，在微晶玻璃表面诱导不同的温度梯度分布，其表面依次呈现出光暗化区出现、微裂纹萌生、烧蚀孔洞以及挥发重固化附着物形成的演化过程；但随着高斯光束的提升，会导致多种演化阶段的叠加，无法有效消除无热影响区：高斯光束在聚焦区域内呈现能量高斯分布特性，使超快激光的辐照区域存在温度梯度，容易同时出现光暗化区、结晶区、熔融区、多孔泡沫区以及汽化区，严重影响加工效果。

实施例1

一种微晶玻璃材料的超快激光切割方法，包括如下步骤：

1)采用高能量飞秒激光器发出脉冲持续时间为300fs的超快激光高斯光束，飞秒激光束经反射镜7后，通过光束调制***8中的轴棱锥进行光束整形转换成贝塞尔光束，最终聚焦至玻璃材料的表面；

2)利用计算机控制***分别对辐照到待加工微晶玻璃上的激光功率、重复频率进行控制，并结合对三维移动平台的运行加工程序控制(扫描速度)，直至在辐照区域表征得到具有一定尺寸和数量孔洞分布的多孔界面；初步得出对应的激光加工参数条件包括：激光重复频率为40kHz、激光单脉冲能量为140～240μJ、扫描速度为60～240mm/s；

3)在步骤2)所得激光加工参数条件范围内，进一步选择激光重复频率为40kHz、激光单脉冲能量为213μJ、扫描速度为80mm/s的激光加工参数条件，通过移动三维移动平台使贝塞尔光束的聚焦位置沿设定的切割线移动，实现对透明微晶玻璃材料的超快激光辐照，并发现由此产生的“多孔泡沫区”。

图3为本实施例利用贝塞尔光束辐照后获得的“多孔泡沫区”的扫描电镜图，并结合ImageJ软件进行孔洞计数和面积占比计算，结果表明：采用步骤3)所述激光加工参数所得“多孔泡沫区”可形成平均孔径为1.5μm的微小孔洞结构，且其单位截面中的孔洞数量约为3×10⁵个/mm²，单位表面中的孔洞面积占比为53％；微孔洞分布均匀且密集，因其结构类似多孔泡沫材料，将其称为“多孔泡沫区”。

图4为本实施例利用贝塞尔光束辐照后获得的“多孔泡沫区”的光学图片，可以看出，“多孔泡沫区”的宽度为5～10μm，在该区域内均匀地分布着密集的孔洞结构。

图5为本实施例所得“多孔泡沫区”的X射线能谱分析结果，可以看出，微晶玻璃材料的主要组成元素Si、Al、O在测试区域含量几乎为零，可以进一步证实微米级尺寸孔洞的形成。

经测试，本实施例步骤3)所得加工截面的平均表面粗糙度为6.83μm。

实施例2

一种微晶玻璃材料的超快激光切割方法，与实施例1所述超快激光切割方法大致相同，不同之处在于采用的激光扫描速为200mm/s，单脉冲能量分别为180μJ和208μJ。

所得超快激光辐照下的扫描电镜图见图6(a)，切割截面光学图像见图6(b)，可以看出，在激光扫描速度为200mm/s的条件下，当单脉冲能量从180μJ增加到208μJ时，利用扫描电镜观察，并结合Image J软件进行孔洞计数和面积占比计算，得出辐照区域孔洞数量由0.6×10⁵个/mm²增加至3.2×10⁵个/mm²，对应的平均孔洞尺寸分别为2.2μm和1.6μm，单位表面中的孔洞面积占比分别为23％和64％；所得切割截面的轮廓高度差减小且切割效果更加均匀。

通过选取该区域拍摄2D及模拟3D图片，在样本长度范围内，测出20个不同位置的高度差极值，去除最大值和最小值，取平均值作为最终粗糙度。经计算，通过将单脉冲能量从180μJ增加到208μJ，所得加工截面的平均表面粗糙度从66.09μm下降到4.79μm。单脉冲能量为180μJ的条件虽然可以形成与本发明相近的微米级孔洞结构，但激光辐照区单位面积形成的孔洞数量和孔洞面积占比低于设定的“多孔泡沫区”限定范围，致使最终裂片后加工截面粗糙。

实施例3

一种微晶玻璃材料的超快激光钻孔方法，包括如下步骤：

1)采用高能量皮秒激光器发出脉冲持续时间为10ps的超快激光高斯光束，皮秒激光束经反射镜7后，通过光束调制***8中的轴棱锥进行光束整形转换成贝塞尔光束，最终聚焦至玻璃材料的表面；

2)通过高速振镜扫描***，超快激光获得螺旋式的运动路径，并通过聚焦物镜9聚焦至玻璃材料的下表面；

3)借助水流辅助装置，将微晶玻璃样品固定且其下表面与蒸馏水直接接触；

4)参照实施例1步骤2)所述激光功率预选步骤，然后选取激光功率约为8.3W，即在激光重复频率为400kHz、激光单脉冲能量为20.8μJ、扫描速度为2000mm/s的激光加工参数条件下，通过高速振镜扫描***使贝塞尔光束的聚焦位置沿设定的钻孔路径移动，得到“多孔泡沫区”，再结合应力分离方式，实现对透明微晶玻璃材料的钻孔。

结合扫描电镜图像和Image J软件对本实施例所得“多孔泡沫区”的孔洞进行计数和面积占比计算，结果表明，单位截面中的孔洞数量约为3.5×10⁵个/mm²，对应的平均孔洞尺寸为1.4μm，单位表面中的孔洞面积占比为54％。

图7为本实施例所述为水流辅助设备使用前后，微晶玻璃材料的超快激光钻孔光学图像，可以看出，水流辅助设备使用前小孔的上下孔径均低于设定目标值2mm(图7a，b)，且小孔周围具有一定微裂纹和碎屑；水流辅助设备使用后小孔的上下孔径更接近设定目标值2mm(图7c，d)，且小孔周围的微裂纹，碎屑等明显减少。

通过测量小孔的上、下孔径值，结果表明水辅助设备使用后，小孔的锥度从1.33°减小到0.15°，而小孔上下表面的圆度分别从0.9952增大到0.9975，从0.9936增大到0.9967。

本发明的原理为：

利用不同激光加工参数对硬脆材料时，在作用区域将诱导不同的温度分布，图8和图9分别为硬脆材料的高斯光束超快激光辐照和贝塞尔光束超快激光加工过程的机理示意图：

当辐照后诱导材料表面温度低于其起始析晶温度T_c，辐照区域仅发生光致变暗现象，形成光暗化区；

当诱导材料表面温度达到其起始析晶温度T_c，但低于熔化温度T_m时，此时发生析晶，即晶粒的生长或其他晶体的出现，导致热膨胀系数变化，形成结晶区。正是由于辐照区域与周围区域之间的膨胀系数不匹配，导致界面间存在较大的应力；材料的硬脆特性致使在这种应力作用下很容易出现微裂纹；

当辐照后诱导材料表面温度达到其熔化温度T_m，但低于形成“多孔泡沫区”的对应温度T_p时，辐照区域将发生熔融，形成熔融区。由于脉冲激光接连不断的注入，极有可能使熔体发生快速淬火，重固化成为玻璃态，导致热膨胀系数更明显的变化，诱导产生更大的微裂纹；

当辐照后诱导材料表面温度达到形成“多孔泡沫区”的对应温度，辐照区域将形成密集分布的，具有微米级平均孔径的微小孔洞结构，其结构类似多孔陶瓷材料，即形成“多孔泡沫区”。

当辐照后诱导材料表面温度达到直接性挥发温度T_v，辐照区域出现烧蚀孔洞，同时伴随一些沉积的碎屑分布于烧蚀区域的周围，形成汽化区。

本发明首次提出根据不同能量的高斯光束辐照下微晶玻璃表面的形貌演化过程，结合光束整形后贝塞尔光束等高质量切割微晶玻璃的效果，将辐照区域控制在“多孔泡沫区”，使辐照区和未辐照区产生分明的多孔界限，可有效调节加工过程中产生的热应力，提高表面加工质量，同时有效降低能耗。

上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种硬脆材料的超快激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：将脉冲激光器输出的高斯光束进行光束整形转换为平顶光束或贝塞尔光束；然后将其聚焦于硬脆材料的表面；调节激光加工参数直至在激光辐照区域形成具有多孔褶皱结构的界面，加工后无宏观尺度的微裂纹；再通过移动激光聚焦位置，并结合应力分离方式，实现对硬脆材料的加工；

所述多孔褶皱结构具有纳米级和/或微米级尺寸的孔洞；

所述多孔褶皱结构单位表面中的孔洞面积占比为40%以上；

激光加工参数条件包括：激光重复频率为40kHz、激光单脉冲能量为140~240μJ、扫描速度为60~240mm/s。

2.根据权利要求1所述的超快激光加工方法，其特征在于，所述平顶光束或贝塞尔光束聚焦于硬脆材料的下表面。

3.根据权利要求1所述的超快激光加工方法，其特征在于，所述激光加工参数的调节方法为：利用计算机控制***分别对辐照到待加工硬脆材料上的激光功率、重复频率进行控制，并结合对三维移动平台的运行加工程序控制，直至在辐照区域表征得到具有多孔褶皱结构的界面。

4.根据权利要求3所述的超快激光加工方法，其特征在于，所述表征手段包括形貌表征和/或成分表征。

5.根据权利要求4所述的超快激光加工方法，其特征在于，所述形貌表征手段包括扫描电镜技术、透射电镜技术或X射线计算机断层扫描技术；成分表征包括X射线能谱分析、X射线波谱分析或电子显微探针分析技术。

6.根据权利要求1所述的超快激光加工方法，其特征在于，所述硬脆材料包括无机晶体、无机玻璃或无机陶瓷。

7.根据权利要求1所述的超快激光加工方法，其特征在于，所述加工方法包括切割方法或钻孔方法，分别利用三维移动平台使贝塞尔光束或平顶光束的聚焦位置沿设定的切割线移动，或结合高速振镜扫描***使塞尔光束或平顶光束的聚焦位置沿设定的钻孔路径运动。

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