人造寶石剛玉晶體材料的激光微孔技術(shù)研究

1 引 言

    隨著寶石剛玉晶體的合成生長技術(shù)的較快發(fā)展，品質(zhì)優(yōu)良大體積的人造寶石剛玉晶體材料越來越多。人造寶石剛玉晶體是一種具有良好熱、電、電子、光學、超硬脆性能的材料，用其制造的精密微孔元件近年來廣泛用于機械電子、生物醫(yī)療、航空航天以及光電技術(shù)等領(lǐng)域，但其可加工性較差，易產(chǎn)生“裂紋”和“崩豁”缺陷，要用其制作精密微孔元件，微孔加工工藝及確定相應參數(shù)的研究是很有意義的。目前在紅寶石微孔加工方面領(lǐng)先是瑞士，在藍寶石精密平面加工方面有較大優(yōu)勢是日本和美國，而我國在寶石剛玉晶體材料還處于初級水平。本文結(jié)合宇航用氧氣精密控制閥中精密紅寶石閥芯研制（主要技術(shù)參數(shù)見圖1）的實際生產(chǎn)試驗，探討微孔加工各參數(shù)的調(diào)整規(guī)律，確定各工藝參數(shù)的有效匹配組合方法，提高孔加工質(zhì)量和精度。

2 加工方法

    目前國際上對紅寶石晶體元件的孔加工方法，主要是激光和超聲波加工。經(jīng)試驗，超聲波對寶石剛玉晶體的孔加工，在精度和效率方面不如激光加工，尤其在微孔加工方面，超聲波加工技術(shù)無法滿足生產(chǎn)加工要求。

我們選擇激光打孔。激光器為YAG激光器，它是一種固體激光器，其激光棒的基質(zhì)材料為釔鋁石榴石，其特征輸出波長為1.06um，可作脈沖輸出，也可作連續(xù)輸出。

    YAG激光器主要有以下三種優(yōu)點：一是輸出的光可用普通的光學材料傳遞。二是寶石剛玉晶體材料對YAG激光吸收率較高。三是出波長短，穩(wěn)定性好，輸出能量較大。輸出能量見以下電子躍遷能量公式：

    式中c是光速，v是波長，f是頻率，h是普朗克常數(shù)，h=6.6 x 10*-34焦耳.秒

3 加工參數(shù)的特性

    激光打孔的過程是激光和加工材料相互作用極其復雜的熱、物理、化學過程，材料去除主要與激光作用區(qū)內(nèi)物質(zhì)的破壞及破壞產(chǎn)生物的運動有關(guān)，一般可表示為：

    式中下角t，r，a，t分別表示入射、反射、吸收、透射的能量。嚴格分析激光打孔的成因需要解決激光打孔時產(chǎn)生的蒸氣、氣化物質(zhì)沿孔壁流動的動力學問題及加工材料特性，并考慮瞬間加熱過程的所有因素。這個討論十分復雜，且實驗數(shù)據(jù)收集困難，難以進行，目前也沒有這方面成功的報道。

    我們采用試驗估算的方法選擇激光打孔工藝參數(shù)，并在加工中逐步修正完善。結(jié)合生產(chǎn)實踐，經(jīng)過對生產(chǎn)用YAG激光器各工藝參數(shù)與孔加工的特征及材料去除量關(guān)系的試驗研究，獲得了包括激光脈沖的能量、脈沖寬度、離焦量、脈沖激光的重復頻率以及被加工材料的性質(zhì)等加工參數(shù)具體有效匹配組合。

3.1 激光脈沖能量

    激光棒和光學系統(tǒng)參數(shù)決定焦平面上的激光光斑直徑的大小。其脈沖能量的變化是通過對泵浦氙燈兩端輸入電壓的變化來實現(xiàn)。如圖2所示是激光打孔幾何原理簡圖。

    假設(shè)激光器輸出的光束直徑為D，發(fā)散角為a，經(jīng)過會聚透鏡在材料表面上聚焦，其會聚角即會聚后的激光光束發(fā)散角為2B，激光束腰半徑為r0,，在t時刻孔的底面半徑為r（t），孔身為h（t），則有

    考慮到材料從孔底蒸發(fā)，氣化的物質(zhì)從孔壁高速沖刷流動，t時刻的能量守恒方程為

    式中，Lb為蒸發(fā)氣化比能，Lm為熔化比能。左邊表示t時刻激光提供的能量增量，右邊第一項為孔底蒸發(fā)消耗的能量增量，第二項為孔邊熔化消耗的能量增量。

    當h（t）>>r0時，可以近似解出用激光加工的總能量- 表示的孔深和孔徑為

    由式（5）及（6）可知，激光打出的孔深度和孔徑與激光脈沖能量成非線性關(guān)系，隨著激光能量單調(diào)遞增.

3.2 通光光闌直徑

    在激光加工中，一般將強度比焦點處衰減10%的兩點間的距離定義為“焦深”，其可用下式表示

    式中z為焦深，d0為激光光束直徑，為激光波長。

    由（7）式可知，當改變激光光束的直徑大小時，可以改變激光的焦深，從而改變打孔的形狀和尺寸。

   我們設(shè)計安裝不同直徑的通光光闌徑進行打孔實驗，得出了選用不同直徑的光闌與加工孔的深度和孔徑的變化規(guī)律，具體見下表1

    從表1的試驗數(shù)據(jù)可知，當能量恒定時，光闌直徑在寬的范圍變化時，孔的深度改變是微小的。當使用直徑較小的光闌時，孔的深度和直徑發(fā)生了較顯著的變化。

    原因分析：當激光能量不變時，當改變光闌直徑，不改變激光束橫截面內(nèi)的功率密度，而是改變了激光束的發(fā)散角和光束直徑，從而改變了激光的焦深大小，也就改變了孔的深徑比。經(jīng)試驗，當激光能量增大，同時光闌直徑減小時，孔的深徑比更大。

3.3 脈沖寬度

    激光輻射的脈沖能量E可用以下關(guān)系式表示

    式中P(t)—在t瞬間的瞬時輻射功率，t—為脈沖寬度。

    由（8）可知當脈沖能量一定時，脈寬越窄，其時間能量密度越大，打孔所產(chǎn)生的氣相物質(zhì)比例越大，從而產(chǎn)生的壓力也越大。所以脈寬的變化對孔深、孔徑和孔形狀的影響較大。經(jīng)加工試驗，得出了選用不同的脈寬值時對孔深度和孔徑的變化關(guān)系。具體見下表2

    上表2的試驗數(shù)據(jù)可知，打深而小的孔，宜選用較大的脈沖寬度；打大而淺的孔，則宜選用較小的脈沖寬度。