本發(fā)明涉及硬脆透明材料的激光非燒蝕切割加工領(lǐng)域，尤其涉及一種藍(lán)寶石亞微米級(jí)切面的激光高精加工方法。

背景技術(shù)：

藍(lán)寶石即氧化鋁單晶體，其莫氏硬度僅次于鉆石。因其特殊的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)及優(yōu)良的抗輻射性能、熱傳導(dǎo)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)、航天尖端科技研究及民用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法對(duì)藍(lán)寶石的切割主要使用金剛石線鋸，加工速度、加工自由度、加工質(zhì)量和精度較低，鋸絲等接觸式切割工具壽命有限，損耗量高。相比之下激光切割技術(shù)具有高能量密度和無(wú)接觸等特性，可有效避免機(jī)械刀具接觸式應(yīng)力對(duì)切割需求的限制。但針對(duì)藍(lán)寶石類硬脆材料，目前以熱燒蝕為主流特征的激光切割技術(shù)還無(wú)法有效解決裂紋、熔渣、崩裂等損傷問(wèn)題，嚴(yán)重影響切割深度、切縫寬度、切面表面粗糙度及切割自由路徑選擇和切割效率等。隨著藍(lán)寶石的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)朝著更薄、表面質(zhì)量更高、抗損傷能力更強(qiáng)的方向發(fā)展，對(duì)藍(lán)寶石的精細(xì)切割技術(shù)提出了迫切而又難度極高的挑戰(zhàn)。激光切割深度、切縫錐度及切縫表面質(zhì)量上均有突破。

中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)201510239300.X公開了一種獲取藍(lán)寶石激光切割中裂紋方向和偏移量，然后根據(jù)裂紋方向和偏移量調(diào)整激光加工位置并完成剩余切割道的加工，該專利切割原理仍基于激光熱燒蝕切割，切針對(duì)正面和帶有背面電極的藍(lán)寶石芯片加工，不涉及切割面加工精度。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN201410204028.7所公開的藍(lán)寶石加工方法，是一種集合納秒激光熱處理、超聲化學(xué)腐蝕預(yù)處理、皮秒激光精密加工和超聲磨粒拋光后處理四種序列工藝的復(fù)合技術(shù)，其四個(gè)工序是順序進(jìn)行的，不是同時(shí)進(jìn)行的；四個(gè)工序的操作時(shí)間長(zhǎng)，工藝繁瑣。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)201210290741.9公開了使用脈沖寬度為皮秒(10-12s)、飛秒(10-15s)級(jí)的激光通過(guò)聚焦在透明材料表面，然后入射形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，控制激光沿垂直于材料表面方向勻速移動(dòng)而形成波導(dǎo)平面。波導(dǎo)區(qū)與材料的折射率改變區(qū)相關(guān)，沒有產(chǎn)生對(duì)材料的擊穿性破壞，但不同透明材料因所屬材料體系、晶系及結(jié)構(gòu)的不同，利用波導(dǎo)區(qū)形成材料斷裂面的實(shí)用性不可一概而論；該專利所舉實(shí)施例為玻璃，玻璃為非晶材料，而本專利所述藍(lán)寶石為硬度遠(yuǎn)高于玻璃的單晶材料。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)201410657880.X公開了使用30-55W皮秒激光對(duì)藍(lán)寶石面板以振鏡掃描方式進(jìn)行去除加工，屬藍(lán)寶石表面激光打標(biāo)工藝，不涉及切割深度和精度等。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)201410379877.6，201410380104.X和201410380147.8公開了激光對(duì)透明材料執(zhí)行成絲的方法、裝置和設(shè)備，通過(guò)分布式聚焦透鏡組件產(chǎn)生多個(gè)不同焦點(diǎn)，但主焦點(diǎn)不駐留被加工材料上，成絲產(chǎn)生具有特定深度和寬度的孔。德國(guó)Maren等人利用緊聚焦飛秒激光非線性效應(yīng)輻照在藍(lán)寶石表面或內(nèi)部形成微通道，然后經(jīng)化學(xué)超聲形成中空微結(jié)構(gòu)(J.Laser Micro Nanoengineering,2010,5(2):145-149.)，該方法中激光加工深度會(huì)因激光焦深影響而受限制，且由于飛秒激光的緊聚焦方式必須后續(xù)的超聲化學(xué)加工。本方法通過(guò)補(bǔ)償功率以及提升焦點(diǎn)的方法克服了加工深度的限制，同時(shí)利用皮秒激光輻照微熱效應(yīng)對(duì)化學(xué)腐蝕的催化作用，靜置輻照件即獲得藍(lán)寶石樣件沿加工路徑的分離。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題中存在的不足之處，本發(fā)明提供一種藍(lán)寶石亞微米級(jí)切面的激光高精加工方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種藍(lán)寶石亞微米級(jí)切面的激光高精加工方法，包括：

步驟1、根據(jù)藍(lán)寶石對(duì)一定波長(zhǎng)的高透過(guò)率，將相應(yīng)波長(zhǎng)激光束入射至藍(lán)寶石內(nèi)部，并聚焦于藍(lán)寶石加工件的下表面；

步驟2、將藍(lán)寶石加工件及夾持藍(lán)寶石加工件的夾具一起置于裝有化學(xué)腐蝕液的容器中，藍(lán)寶石加工件的上表面與化學(xué)腐蝕液的液面齊平，貼近藍(lán)寶石加工件上表面放置針對(duì)入射波長(zhǎng)具有高透過(guò)率僅起導(dǎo)光作用的薄片，藍(lán)寶石加工件的下表面不觸碰容器底部；

步驟3、采用皮秒級(jí)脈寬激光輻照步驟2所述的藍(lán)寶石加工件，開光前，根據(jù)自聚焦效應(yīng)的閾值設(shè)定激光加工功率，計(jì)算并確定激光入射藍(lán)寶石加工件因微量吸收而損耗的能量值，補(bǔ)償于所設(shè)定的激光加工功率值；依據(jù)強(qiáng)瞬態(tài)傅里葉熱傳導(dǎo)理論關(guān)系，控制聚焦于藍(lán)寶石加工件下表面的激光能量超過(guò)使藍(lán)寶石加工件發(fā)生相變或電子態(tài)去除的閾值并激發(fā)自聚焦非線性效應(yīng)，產(chǎn)生線寬遠(yuǎn)小于聚焦光束直徑的超細(xì)相變點(diǎn)或電子態(tài)去除點(diǎn)；

步驟4、提升激光焦點(diǎn)位置，引導(dǎo)超細(xì)相變點(diǎn)或電子態(tài)去除點(diǎn)沿激光入射方向從藍(lán)寶石加工件下表面延長(zhǎng)至上表面，形成線寬超細(xì)相變或電子態(tài)去除線跡；

步驟5、測(cè)量步驟4形成線跡的線寬，根據(jù)加工路徑長(zhǎng)度、線跡線寬及線跡橫向重疊率，計(jì)算完成加工路徑所需激光輻照作用的點(diǎn)數(shù)；

步驟6、根據(jù)激光頻率以及激光輻照單點(diǎn)處脈沖數(shù)，設(shè)置匹配的激光束移動(dòng)速率；激光束移動(dòng)速率的約束條件需保證設(shè)定的激光輻照單點(diǎn)處脈沖數(shù)在全部注入該輻照點(diǎn)后，光束再移至下一點(diǎn)；

步驟7、軟件定位步驟3和步驟4所完成的超細(xì)相變或電子態(tài)去除線跡點(diǎn)為激光加工路徑的起始點(diǎn)，根據(jù)步驟3確定的激光加工功率和步驟4、5、6確定的參數(shù)編制程序；

步驟8、以步驟1到步驟7的方式沿加工路徑完成激光束對(duì)藍(lán)寶石工件的移動(dòng)輻照；

步驟9、激光輻照結(jié)束后，將放置藍(lán)寶石加工件的容器移除輻照工位靜置，獲得沿加工路徑分離的藍(lán)寶石切割件。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟2中，所述化學(xué)腐蝕液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20％～40％的氫氟酸溶液。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟3中，補(bǔ)償后的皮秒級(jí)脈寬激光加工功率為5W～15W。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟5中，所述線跡橫向重疊率為20％～50％。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟6中，所述激光頻率為200kHz～1MHz，激光輻照單點(diǎn)處的脈沖數(shù)為2000個(gè)～4000個(gè)，匹配的激光束移動(dòng)速率為1mm/s～10mm/s。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟9中，靜置時(shí)間為12小時(shí)～24小時(shí)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供一種藍(lán)寶石亞微米級(jí)切面的激光高精加工方法，激光工藝只需常規(guī)的聚焦，無(wú)需外加其他具有特殊聚焦特性的光學(xué)原件；利用皮秒激光輻照微熱效應(yīng)對(duì)化學(xué)腐蝕的催化作用，避免在腐蝕過(guò)程中的水域加熱；本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)克服光束高斯聚焦模式限制的近零錐度無(wú)熱影響區(qū)的藍(lán)寶石高精切割，可直接實(shí)現(xiàn)微米乃至亞微米級(jí)高表面質(zhì)量的不受路徑限制的超細(xì)切縫藍(lán)寶石高精切割。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例公開的亞微米級(jí)切面的藍(lán)寶石激光高精切割方法得到的亞微米級(jí)切面共聚焦圖像。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)具有高硬脆、耐腐蝕特性藍(lán)寶石單晶和相似硬脆材料的精細(xì)切割，本發(fā)明提供了一種亞微米級(jí)切面的藍(lán)寶石激光高精切割方法；其采用皮秒級(jí)脈寬激光作為自聚焦非線性效應(yīng)光源，自聚焦非線性效應(yīng)克服光束高斯聚焦模式限制，按照切割路徑要求，通過(guò)工藝設(shè)計(jì)，使皮秒級(jí)脈寬激光在藍(lán)寶石內(nèi)部產(chǎn)生超細(xì)相變或者電子態(tài)去除線跡，利用化學(xué)腐蝕對(duì)線跡區(qū)域和原材料區(qū)域不同的腐蝕效應(yīng)，獲得微米乃至亞微米級(jí)高表面切縫質(zhì)量的、可滿足各種厚度、路徑的高精藍(lán)寶石激光切割并有效抑制切縫錐度。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述：

本發(fā)明涉及硬脆透明材料的激光非燒蝕切割加工領(lǐng)域，特別涉及一種亞微米級(jí)精細(xì)切面的藍(lán)寶石激光高精切割方法，適合于任何厚度以及形狀的藍(lán)寶石精細(xì)加工；采用對(duì)藍(lán)寶石有高透過(guò)率波長(zhǎng)的皮秒級(jí)脈寬激光從材料下表面引起超細(xì)相變點(diǎn)或電子態(tài)去除點(diǎn)，經(jīng)激光焦點(diǎn)提升形成平行于激光入射方向的線跡，在化學(xué)腐蝕環(huán)境下按切割路徑配置激光作用線跡點(diǎn)的相交連接，在形成與切割路徑相符的相變區(qū)域或電子態(tài)去除區(qū)域的同時(shí)，利用皮秒激光輻照微熱效應(yīng)對(duì)化學(xué)腐蝕的催化作用，獲得藍(lán)寶石樣件沿加工路徑的分離；其具體包括：

步驟1、根據(jù)藍(lán)寶石對(duì)一定波長(zhǎng)的高透過(guò)率，將相應(yīng)波長(zhǎng)激光束入射至藍(lán)寶石內(nèi)部，并聚焦于藍(lán)寶石加工件的下表面；其中，可根據(jù)藍(lán)寶石所需的切割角度確定激光束的入射角度。

步驟2、將藍(lán)寶石加工件連同夾持藍(lán)寶石加工件的夾具一起置于裝有化學(xué)腐蝕液的容器中，藍(lán)寶石加工件的上表面與化學(xué)腐蝕液的液面齊平，藍(lán)寶石加工件的下表面不觸碰容器底部；貼近藍(lán)寶石加工件上表面放置針對(duì)入射波長(zhǎng)具有高透過(guò)率僅起導(dǎo)光作用的薄片，以抑制激光輻照過(guò)程中化學(xué)腐蝕液的蒸發(fā)消耗；其中，化學(xué)腐蝕液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20％～40％的氫氟酸溶液，藍(lán)寶石加工件與化學(xué)腐蝕液的液面齊平可避免化學(xué)腐蝕液對(duì)激光束的散射；若藍(lán)寶石加工件沒入化學(xué)腐蝕液中，由于化學(xué)腐蝕液對(duì)藍(lán)寶石加工件的散熱，激光束的能量不能保證藍(lán)寶石的加工；若藍(lán)寶石加工件的上表面高于化學(xué)腐蝕液液面，則化學(xué)腐蝕液液面至藍(lán)寶石加工件上表面之間的工件不能完成化學(xué)液的腐蝕。

步驟3、采用皮秒級(jí)脈寬激光輻照步驟2的藍(lán)寶石加工件，開光前，根據(jù)藍(lán)寶石非線性自聚焦效應(yīng)的閾值設(shè)定激光加工功率，計(jì)算并確定激光入射藍(lán)寶石加工件因微量吸收而損耗的能量值，根據(jù)損耗的能量值補(bǔ)償于所設(shè)定的激光加工功率值；依據(jù)強(qiáng)瞬態(tài)傅里葉熱傳導(dǎo)理論關(guān)系，控制聚焦于藍(lán)寶石加工件下表面的激光能量超過(guò)使藍(lán)寶石加工件發(fā)生相變或電子態(tài)去除的閾值并激發(fā)自聚焦非線性效應(yīng)，產(chǎn)生線寬遠(yuǎn)小于聚焦光束直徑的超細(xì)相變點(diǎn)或電子態(tài)去除點(diǎn)。其中，補(bǔ)償后的皮秒級(jí)脈寬激光加工功率為5W～15W。

步驟4、提升激光焦點(diǎn)位置，引導(dǎo)超細(xì)相變點(diǎn)或電子態(tài)去除點(diǎn)沿激光入射方向從藍(lán)寶石加工件下表面延長(zhǎng)至上表面，形成線寬超細(xì)相變或電子態(tài)去除線跡，該線跡作為加工路徑的起始點(diǎn)；

步驟5、測(cè)量步驟4形成線跡的線寬B，根據(jù)加工路徑長(zhǎng)度A、線跡線寬B及線跡橫向重疊率C，計(jì)算完成加工路徑所需激光輻照作用的點(diǎn)數(shù)N，N＝AB/(1-C/2)；其中，線跡橫向重疊率為20％～50％。

步驟6、根據(jù)激光頻率以及激光輻照單點(diǎn)處脈沖數(shù)，設(shè)置匹配的激光束移動(dòng)速率；激光束移動(dòng)速率的約束條件需保證設(shè)定的激光輻照單點(diǎn)處脈沖數(shù)在全部注入該輻照點(diǎn)后，光束再移至下一點(diǎn)。其中，皮秒級(jí)脈寬激光頻率D為200kHz～1MHz，激光輻照單點(diǎn)處的脈沖數(shù)E為2000個(gè)～4000個(gè)，匹配的激光束移動(dòng)速率F＝2BD(1-C)/E,得到激光移動(dòng)速率為1mm/s～10mm/s。

步驟7、采用CCD監(jiān)測(cè)定位步驟3和步驟4所完成的超細(xì)相變或電子態(tài)去除線跡點(diǎn)為激光加工路徑的起始點(diǎn)，根據(jù)步驟3確定的激光加工功率和步驟4、5、6確定的參數(shù)編制程序。

步驟8、以步驟1到步驟7的方式沿加工路徑完成激光束對(duì)藍(lán)寶石工件的移動(dòng)輻照；此外，利用皮秒激光輻照微熱效應(yīng)對(duì)化學(xué)腐蝕的催化作用。

步驟9、激光輻照結(jié)束后，將放置藍(lán)寶石加工件的容器移除輻照工位靜置12小時(shí)～24小時(shí)，獲得沿加工路徑分離的藍(lán)寶石切割件。

上述步驟1到步驟9為關(guān)聯(lián)工藝，流程次序不可更改，缺少其中任何一步或更改流程次序都無(wú)法實(shí)現(xiàn)該技術(shù)。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)克服光束高斯聚焦模式限制的近零錐度無(wú)熱影響區(qū)的藍(lán)寶石高精切割，可直接實(shí)現(xiàn)微米乃至亞微米級(jí)高表面質(zhì)量的不受路徑限制的超細(xì)切縫藍(lán)寶石高精切割。

本發(fā)明優(yōu)選采用皮秒級(jí)脈寬激光補(bǔ)償后激光加工功率7W，線跡橫向重疊率為20％，重復(fù)頻率200kHz，每個(gè)脈沖串包含2400個(gè)脈沖(激光輻照單點(diǎn)處的脈沖數(shù)為2400個(gè))，匹配激光束加工速率為1.5mm/s。圖1為采用上述參數(shù)的激光加工藍(lán)寶石得到的亞微米級(jí)切面共聚焦圖像，切面粗糙度可達(dá)400nm。

本發(fā)明提供一種藍(lán)寶石亞微米級(jí)切面的激光高精加工方法，激光工藝只需常規(guī)的聚焦，無(wú)需外加其他具有特殊聚焦特性的光學(xué)原件；利用皮秒激光輻照微熱效應(yīng)對(duì)化學(xué)腐蝕的催化作用，避免在腐蝕過(guò)程中的水域加熱；本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)克服光束高斯聚焦模式限制的近零錐度無(wú)熱影響區(qū)的藍(lán)寶石高精切割，可直接實(shí)現(xiàn)微米乃至亞微米級(jí)高表面質(zhì)量的不受路徑限制的超細(xì)切縫藍(lán)寶石高精切割。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。