激光打孔中孔洞状况与水层厚度的关系研究

蒋 毅

(嘉应学院 物理与光信息科技学院， 广东 梅州 514015)

0 引言

自从1960年第一台红宝石激光器问世以来，1962年就率先用于对刀片的打孔，开创了激光打孔应用的先例.现今激光打孔已发展成为一种先进的加工方法，具有打孔速度快、成本低、效率高、变形小、适用性广等特点，特别适合于加工微细深孔，同时激光打孔既可适用于各种金属材料，也适用于难加工的硬质非金属材料，如金刚石、宝石、陶瓷、玻璃等， 此加工方法既能加工圆形孔，又能加工各种异形孔，在工业上的应用越来越广泛.由于在液面下激光打孔比在空气环境中高效[1]，我们的研究基于液体环境中进行，要研究的课题是激光打孔质量与水层关系，而靶材选用脆性很强、机械打孔很难完成的半导体材料—锗靶.

1 激光打孔原理

激光打孔是热物理过程，在这过程中激光与物质间进行极其复杂的相互作用.当激光的功率密度高于105W/cm2时，就能使材料出现融化或气化[2]，使被激光照射区域急速升温.由于升温时间极短，此时表层的材料开始熔化并大量开始汽化，这些汽化后的气体相互挤压，开始向外喷射，形成小坑.随着照射时间的增加，被照射区域的汽化程度急速增大，坑内的气压急速增大，对坑的底部和四周产生强烈的冲击，使高压的蒸汽携带着大量的液相物质向外喷射出去，达到打孔的目的，故激光打孔本质属于激光去除加工[3～4].

依据Fabbro受限烧蚀模式下激光压力预测模型理论[5]，当浸入水中锗一受到激光作用瞬间，受激光作用部分被电离、蒸发，导致所谓“逆韧致辐射”产生，随后在一个激光脉冲期间内形成高温高压的等离子体，等离子体绝热膨胀以超音速在锗靶面上产生一个冲击波，导致了更强的烧蚀[6].由于水层约束，水层不太厚时水中烧蚀率高于空气中烧蚀率，但当水层厚度再增加时，水层约束效果不再增加而水对激光能量的吸收增加，因而烧蚀率降低.

2 实验

将一个纯度为99．99%，厚为5．4 mm，直径为20 mm的立方单晶Ge作为靶源，经充分清洗后沉浸在装有去离子水的玻璃烧杯中，一台带有波长532 nm，脉冲宽度10 ns，输出单个脉冲能量为60 mJ，重复频率为3．3 Hz的Q-switched Nd: YAG准分子激光器为打孔光源，光束经全反射镜反射，透镜聚焦垂直射到锗靶表面，为探寻孔洞内部情况，激光聚焦直径调为0．33 mm左右，锗靶表面水层厚度由0．6 mm增加到3．6 mm，每次增加厚度为0．6 mm，通过直接加去离子水(本实验每次1ml)实现(实验装置如图1所示).每个水层烧蚀时间均为30 min，整个装置置于室温下进行，用扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见光光谱仪对孔洞、液体浓度及烧蚀颗粒样品进行分析.

3 结果与讨论

3.1烧蚀坑洞速率存在最佳水层

利用吸光度与溶液浓度成正比的朗伯-比尔定律关系，我们对每个水层下激光打孔后烧蚀浓度进行吸光度测试，得到烧蚀浓度-水层厚度关系曲线见图2.

因为在同等实验条件下，烧蚀浓度就反映了激光打孔的速率，即烧蚀浓度越大，激光打孔的速率也越快.故从图2可见，激光烧蚀率随水层厚度发生改变，当单个脉冲能量为60 mJ时，烧蚀率最强为水层1．2 mm处[7].有文献[8]报道Si的烧蚀坑洞速率最佳水层厚度为1．1 mm，上述实验结论与此吻合.

图2 烧烛浓度—水层厚度关系

存在最佳烧蚀水层厚度结果可由如下理论解释：

由电磁波理论，激光浸入水中时，水中激光的能量ε满足

ε=ε0exp(-γh)，

式中ε0为激光入射到水层表面的能量，γ为水的衰减因子，h为激光入射水层厚度.烧蚀中水层的效果是约束等离子体扩散，增强烧蚀效率，但仅取决于靶表面附近，而一旦约束等离子体扩散的水层厚度满足后(在1 mm以上即可)，决定烧蚀速率的因素是入射到锗靶表面的激光的能量，且我们认为对某一定材料，这应是一个特殊的定值.事实上当我们将激光能量调到120 mJ时，最佳烧蚀水层为1．7 mm厚度.

设当激光能量为ε10时，最佳水层厚度为h1，激光能量为ε20时，最佳水层厚度为h2，则此刻入射到锗靶表面的激光能量ε应是相同的，即

ε=ε10exp(-γh1)=ε20exp(-γh2)，

故

根据我们将激光能量调到120 mJ，最佳烧蚀水层为1．7 mm的数据代入，有

可见，对锗靶，最佳烧蚀效率是到达靶表面的能量为ε=60exp(-1．39×1．2)=11．3 mJ 而到达靶表面的能流

3.2 坑洞质量与水层厚度有关

我们挑选水层分别为1．2 mm(最佳水层)、0．6 mm(最浅水层)和3．0 mm(较深水层)的孔洞用扫描电子显微镜(SEM)进行观察，坑洞外貌、内壁及对应溅射的纳米颗粒情况分别见图3、图4、图5.

图3 (1．2mm)水层锗的烧蚀坑洞、烧蚀颗粒SEM图

最佳水层下的坑洞呈喇叭形(图3(a))，内壁较为光滑，外边缘有轻微裂痕(图3(b))，对应溅射的纳米颗粒相对均匀，这是光滑的依据(图3(c)).

图4 (0．6mm)水层锗的烧蚀坑洞、烧蚀颗粒SEM图

最浅水层下的坑洞也呈喇叭形(图4(a))，洞口边缘极不平整，内壁不够光滑，且有明显裂痕(图4(b))，对应溅射的纳米颗粒相对较大给出了原因(图4(c)).

图5 (3mm)水层锗的烧蚀坑洞、烧蚀颗粒SEM图

较深水层下的坑洞也呈喇叭形，洞口边缘烧蚀范围较最佳水层下的坑洞宽(图5(a))，内壁深处较为光滑，无明显裂痕，但洞口边缘极不平整(图5(a)、(b))，对应溅射的纳米颗粒大小不一，但小颗粒相对较多，这正是边缘极不平整的原因(图5(c)).

激光打孔出现孔洞呈锥形，边缘产生裂纹和再铸层现象，正是Fabbro受限烧蚀模式下激光压力预测模型理论的结果[5].

4 结语

在液面下激光打孔比在空气环境中高效，且打孔速率存在一个最佳水层厚度，而不是随激光功率的增大而增大；这个最佳水层厚度不仅与脉冲能量有关，还与材料性质有关，对锗靶，当单个脉冲能量为60 mJ时，这个最佳水层厚度为1.2 mm，也即最佳烧蚀效率是到达锗靶表面的功率密度为 时；且孔洞质量在最佳水层厚度时也相对最好；孔的入口处损伤区域在最佳水层时相对较窄，而水层最浅(到达锗靶表面激光能量最大)时相对最宽；激光打孔效率 高，但存在打孔锥度大，孔边缘容易产生裂纹和再铸层，这是激光打孔机要解决的主要难题.此难题目前仍处于攻坚阶段，相信不久就会有好消息．

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[2] 辛凤兰，王智勇，刘学胜．激光阈值附近微孔加工方法的研究[J]．激光技术,2006(3)：23-28.

[3] 邵丹，胡兵，郑启光．激光先进制造技术与设备集[M]．北京：科学出版社，2009：98-102.

[4] BAUMEISTER M，DICKMANNK H T．Fiber laser micro-cutting of stainless steel sheets[J]． Appl Phys:A， 2006， 85 (2):121-124.

[5] FABBRO R， FOURNIER J． Physical study of laser，produced plasma In confined geometry[J]．Appl．Phys． 1990(68)： 775.

[6] ADEN M， KREUTZ E W． Laser-induced plasma formation during pulsed laser deposition[J]．Phys．D，1993，26： 1545-1553.

[7] 蒋毅．锗纳米材料制备中产量与水层的关系研究[J]．嘉应学院学报：自然科学版，2012，30(8)：24-29．

[8] ZHU S， LU Y F． Laser ablation of solid substrates in a water-confined environment[J]．Appl Phys Lett，2001(79)：1396-1398.