CN106891098A - 一种蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法，采用对蓝宝石有高透过率波长的皮秒级脉宽激光从材料下表面引起超细相变点或电子态去除点，经激光焦点提升形成平行于激光入射方向的线迹，在化学腐蚀环境下按切割路径配置激光作用线迹点的相交连接，在形成与切割路径相符的相变区域或电子态去除区域的同时，利用皮秒激光辐照微热效应对化学腐蚀的催化作用，获得蓝宝石样件沿加工路径的分离。本发明克服光束高斯聚焦模式限制以及实现近零锥度无热影响区的蓝宝石高精切割，可直接实现微米乃至亚微米级高表面质量的不受厚度、路径限制的超精细蓝宝石或其他相同材质的切割。

Description

一种蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法
技术领域
本发明涉及硬脆透明材料的激光非烧蚀切割加工领域，尤其涉及一种蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法。
背景技术
蓝宝石即氧化铝单晶体，其莫氏硬度仅次于钻石。因其特殊的力学、热学、电学及优良的抗辐射性能、热传导性能和稳定的化学性能，广泛应用于国防工业、航天尖端科技研究及民用领域。传统的机械加工方法对蓝宝石的切割主要使用金刚石线锯，加工速度、加工自由度、加工质量和精度较低，锯丝等接触式切割工具寿命有限，损耗量高。相比之下激光切割技术具有高能量密度和无接触等特性，可有效避免机械刀具接触式应力对切割需求的限制。但针对蓝宝石类硬脆材料，目前以热烧蚀为主流特征的激光切割技术还无法有效解决裂纹、熔渣、崩裂等损伤问题，严重影响切割深度、切缝宽度、切面表面粗糙度及切割自由路径选择和切割效率等。随着蓝宝石的应用发展趋势朝着更薄、表面质量更高、抗损伤能力更强的方向发展，对蓝宝石的精细切割技术提出了迫切而又难度极高的挑战。激光切割深度、切缝锥度及切缝表面质量上均有突破。
中国发明专利申请201510239300.X公开了一种获取蓝宝石激光切割中裂纹方向和偏移量，然后根据裂纹方向和偏移量调整激光加工位置并完成剩余切割道的加工，该专利切割原理仍基于激光热烧蚀切割，切针对正面和带有背面电极的蓝宝石芯片加工，不涉及切割面加工精度。中国发明专利申请CN201410204028.7所公开的蓝宝石加工方法，是一种集合纳秒激光热处理、超声化学腐蚀预处理、皮秒激光精密加工和超声磨粒抛光后处理四种序列工艺的复合技术，其四个工序是顺序进行的，不是同时进行的；四个工序的操作时间长，工艺繁琐。中国发明专利申请201210290741.9公开了使用脉冲宽度为皮秒(10-12s)、飞秒(10-15s)级的激光通过聚焦在透明材料表面，然后入射形成波导结构，控制激光沿垂直于材料表面方向匀速移动而形成波导平面。波导区与材料的折射率改变区相关，没有产生对材料的击穿性破坏，但不同透明材料因所属材料体系、晶系及结构的不同，利用波导区形成材料断裂面的实用性不可一概而论；该专利所举实施例为玻璃，玻璃为非晶材料，而本专利所述蓝宝石为硬度远高于玻璃的单晶材料。中国发明专利申请201410657880.X公开了使用30-55W皮秒激光对蓝宝石面板以振镜扫描方式进行去除加工，属蓝宝石表面激光打标工艺，不涉及切割深度和精度等。中国发明专利申请201410379877.6，201410380104.X和201410380147.8公开了激光对透明材料执行成丝的方法、装置和设备，通过分布式聚焦透镜组件产生多个不同焦点，但主焦点不驻留被加工材料上，成丝产生具有特定深度和宽度的孔。德国Maren等人利用紧聚焦飞秒激光非线性效应辐照在蓝宝石表面或内部形成微通道，然后经化学超声形成中空微结构(J.Laser MicroNanoengineering,2010,5(2):145-149.)，该方法中激光加工深度会因激光焦深影响而受限制，且由于飞秒激光的紧聚焦方式必须后续的超声化学加工。本方法通过补偿功率以及提升焦点的方法克服了加工深度的限制，同时利用皮秒激光辐照微热效应对化学腐蚀的催化作用，静置辐照件即获得蓝宝石样件沿加工路径的分离。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法。
为实现上述目的，本发明提供一种蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法，包括：
步骤1、根据蓝宝石对一定波长的高透过率，将相应波长激光束入射至蓝宝石内部，并聚焦于蓝宝石加工件的下表面；
步骤2、将蓝宝石加工件及夹持蓝宝石加工件的夹具一起置于装有化学腐蚀液的容器中，蓝宝石加工件的上表面与化学腐蚀液的液面齐平，贴近蓝宝石加工件上表面放置针对入射波长具有高透过率仅起导光作用的薄片，蓝宝石加工件的下表面不触碰容器底部；
步骤3、采用皮秒级脉宽激光辐照步骤2所述的蓝宝石加工件，开光前，根据自聚焦效应的阈值设定激光加工功率，计算并确定激光入射蓝宝石加工件因微量吸收而损耗的能量值，补偿于所设定的激光加工功率值；依据强瞬态傅里叶热传导理论关系，控制聚焦于蓝宝石加工件下表面的激光能量超过使蓝宝石加工件发生相变或电子态去除的阈值并激发自聚焦非线性效应，产生线宽远小于聚焦光束直径的超细相变点或电子态去除点；
步骤4、提升激光焦点位置，引导超细相变点或电子态去除点沿激光入射方向从蓝宝石加工件下表面延长至上表面，形成线宽超细相变或电子态去除线迹；
步骤5、测量步骤4形成线迹的线宽，根据加工路径长度、线迹线宽及线迹横向重叠率，计算完成加工路径所需激光辐照作用的点数；
步骤6、根据激光频率以及激光辐照单点处脉冲数，设置匹配的激光束移动速率；激光束移动速率的约束条件需保证设定的激光辐照单点处脉冲数在全部注入该辐照点后，光束再移至下一点；
步骤7、软件定位步骤3和步骤4所完成的超细相变或电子态去除线迹点为激光加工路径的起始点，根据步骤3确定的激光加工功率和步骤4、5、6确定的参数编制程序；
步骤8、以步骤1到步骤7的方式沿加工路径完成激光束对蓝宝石工件的移动辐照；
步骤9、激光辐照结束后，将放置蓝宝石加工件的容器移除辐照工位静置，获得沿加工路径分离的蓝宝石切割件。
作为本发明的进一步改进，在步骤2中，所述化学腐蚀液为质量分数20％～40％的氢氟酸溶液。
作为本发明的进一步改进，在步骤3中，补偿后的皮秒级脉宽激光加工功率为5W～15W。
作为本发明的进一步改进，在步骤5中，所述线迹横向重叠率为20％～50％。
作为本发明的进一步改进，在步骤6中，所述激光频率为200kHz～1MHz，激光辐照单点处的脉冲数为2000个～4000个，匹配的激光束移动速率为1mm/s～10mm/s。
作为本发明的进一步改进，在步骤9中，静置时间为12小时～24小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法，激光工艺只需常规的聚焦，无需外加其他具有特殊聚焦特性的光学原件；利用皮秒激光辐照微热效应对化学腐蚀的催化作用，避免在腐蚀过程中的水域加热；本发明可以实现克服光束高斯聚焦模式限制的近零锥度无热影响区的蓝宝石高精切割，可直接实现微米乃至亚微米级高表面质量的不受路径限制的超细切缝蓝宝石高精切割。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的亚微米级切面的蓝宝石激光高精切割方法得到的亚微米级切面共聚焦图像。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术问题，实现具有高硬脆、耐腐蚀特性蓝宝石单晶和相似硬脆材料的精细切割，本发明提供了一种亚微米级切面的蓝宝石激光高精切割方法；其采用皮秒级脉宽激光作为自聚焦非线性效应光源，自聚焦非线性效应克服光束高斯聚焦模式限制，按照切割路径要求，通过工艺设计，使皮秒级脉宽激光在蓝宝石内部产生超细相变或者电子态去除线迹，利用化学腐蚀对线迹区域和原材料区域不同的腐蚀效应，获得微米乃至亚微米级高表面切缝质量的、可满足各种厚度、路径的高精蓝宝石激光切割并有效抑制切缝锥度。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
本发明涉及硬脆透明材料的激光非烧蚀切割加工领域，特别涉及一种亚微米级精细切面的蓝宝石激光高精切割方法，适合于任何厚度以及形状的蓝宝石精细加工；采用对蓝宝石有高透过率波长的皮秒级脉宽激光从材料下表面引起超细相变点或电子态去除点，经激光焦点提升形成平行于激光入射方向的线迹，在化学腐蚀环境下按切割路径配置激光作用线迹点的相交连接，在形成与切割路径相符的相变区域或电子态去除区域的同时，利用皮秒激光辐照微热效应对化学腐蚀的催化作用，获得蓝宝石样件沿加工路径的分离；其具体包括：
步骤1、根据蓝宝石对一定波长的高透过率，将相应波长激光束入射至蓝宝石内部，并聚焦于蓝宝石加工件的下表面；其中，可根据蓝宝石所需的切割角度确定激光束的入射角度。
步骤2、将蓝宝石加工件连同夹持蓝宝石加工件的夹具一起置于装有化学腐蚀液的容器中，蓝宝石加工件的上表面与化学腐蚀液的液面齐平，蓝宝石加工件的下表面不触碰容器底部；贴近蓝宝石加工件上表面放置针对入射波长具有高透过率仅起导光作用的薄片，以抑制激光辐照过程中化学腐蚀液的蒸发消耗；其中，化学腐蚀液为质量分数20％～40％的氢氟酸溶液，蓝宝石加工件与化学腐蚀液的液面齐平可避免化学腐蚀液对激光束的散射；若蓝宝石加工件没入化学腐蚀液中，由于化学腐蚀液对蓝宝石加工件的散热，激光束的能量不能保证蓝宝石的加工；若蓝宝石加工件的上表面高于化学腐蚀液液面，则化学腐蚀液液面至蓝宝石加工件上表面之间的工件不能完成化学液的腐蚀。
步骤3、采用皮秒级脉宽激光辐照步骤2的蓝宝石加工件，开光前，根据蓝宝石非线性自聚焦效应的阈值设定激光加工功率，计算并确定激光入射蓝宝石加工件因微量吸收而损耗的能量值，根据损耗的能量值补偿于所设定的激光加工功率值；依据强瞬态傅里叶热传导理论关系，控制聚焦于蓝宝石加工件下表面的激光能量超过使蓝宝石加工件发生相变或电子态去除的阈值并激发自聚焦非线性效应，产生线宽远小于聚焦光束直径的超细相变点或电子态去除点。其中，补偿后的皮秒级脉宽激光加工功率为5W～15W。
步骤4、提升激光焦点位置，引导超细相变点或电子态去除点沿激光入射方向从蓝宝石加工件下表面延长至上表面，形成线宽超细相变或电子态去除线迹，该线迹作为加工路径的起始点；
步骤5、测量步骤4形成线迹的线宽B，根据加工路径长度A、线迹线宽B及线迹横向重叠率C，计算完成加工路径所需激光辐照作用的点数N，N＝AB/(1-C/2)；其中，线迹横向重叠率为20％～50％。
步骤6、根据激光频率以及激光辐照单点处脉冲数，设置匹配的激光束移动速率；激光束移动速率的约束条件需保证设定的激光辐照单点处脉冲数在全部注入该辐照点后，光束再移至下一点。其中，皮秒级脉宽激光频率D为200kHz～1MHz，激光辐照单点处的脉冲数E为2000个～4000个，匹配的激光束移动速率F＝2BD(1-C)/E,得到激光移动速率为1mm/s～10mm/s。
步骤7、采用CCD监测定位步骤3和步骤4所完成的超细相变或电子态去除线迹点为激光加工路径的起始点，根据步骤3确定的激光加工功率和步骤4、5、6确定的参数编制程序。
步骤8、以步骤1到步骤7的方式沿加工路径完成激光束对蓝宝石工件的移动辐照；此外，利用皮秒激光辐照微热效应对化学腐蚀的催化作用。
步骤9、激光辐照结束后，将放置蓝宝石加工件的容器移除辐照工位静置12小时～24小时，获得沿加工路径分离的蓝宝石切割件。
上述步骤1到步骤9为关联工艺，流程次序不可更改，缺少其中任何一步或更改流程次序都无法实现该技术。
本发明实现克服光束高斯聚焦模式限制的近零锥度无热影响区的蓝宝石高精切割，可直接实现微米乃至亚微米级高表面质量的不受路径限制的超细切缝蓝宝石高精切割。
本发明优选采用皮秒级脉宽激光补偿后激光加工功率7W，线迹横向重叠率为20％，重复频率200kHz，每个脉冲串包含2400个脉冲(激光辐照单点处的脉冲数为2400个)，匹配激光束加工速率为1.5mm/s。图1为采用上述参数的激光加工蓝宝石得到的亚微米级切面共聚焦图像，切面粗糙度可达400nm。
本发明提供一种蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法，激光工艺只需常规的聚焦，无需外加其他具有特殊聚焦特性的光学原件；利用皮秒激光辐照微热效应对化学腐蚀的催化作用，避免在腐蚀过程中的水域加热；本发明可以实现克服光束高斯聚焦模式限制的近零锥度无热影响区的蓝宝石高精切割，可直接实现微米乃至亚微米级高表面质量的不受路径限制的超细切缝蓝宝石高精切割。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法，其特征在于，包括：
步骤1、根据蓝宝石对一定波长的高透过率，将相应波长激光束入射至蓝宝石内部，并聚焦于蓝宝石加工件的下表面；
步骤2、将蓝宝石加工件及夹持蓝宝石加工件的夹具一起置于装有化学腐蚀液的容器中，蓝宝石加工件的上表面与化学腐蚀液的液面齐平，贴近蓝宝石加工件上表面放置针对入射波长具有高透过率仅起导光作用的薄片，蓝宝石加工件的下表面不触碰容器底部；
步骤3、采用皮秒级脉宽激光辐照步骤2所述的蓝宝石加工件，开光前，根据自聚焦效应的阈值设定激光加工功率，计算并确定激光入射蓝宝石加工件因微量吸收而损耗的能量值，补偿于所设定的激光加工功率值；依据强瞬态傅里叶热传导理论关系，控制聚焦于蓝宝石加工件下表面的激光能量超过使蓝宝石加工件发生相变或电子态去除的阈值并激发自聚焦非线性效应，产生线宽远小于聚焦光束直径的超细相变点或电子态去除点；
步骤4、提升激光焦点位置，引导超细相变点或电子态去除点沿激光入射方向从蓝宝石加工件下表面延长至上表面，形成线宽超细相变或电子态去除线迹；
步骤5、测量步骤4形成线迹的线宽，根据加工路径长度、线迹线宽及线迹横向重叠率，计算完成加工路径所需激光辐照作用的点数；
步骤6、根据激光频率以及激光辐照单点处脉冲数，设置匹配的激光束移动速率；激光束移动速率的约束条件需保证设定的激光辐照单点处脉冲数在全部注入该辐照点后，光束再移至下一点；
步骤7、软件定位步骤3和步骤4所完成的超细相变或电子态去除线迹点为激光加工路径的起始点，根据步骤3确定的激光加工功率和步骤4、5、6确定的参数编制程序；
步骤8、以步骤1到步骤7的方式沿加工路径完成激光束对蓝宝石工件的移动辐照；
步骤9、激光辐照结束后，将放置蓝宝石加工件的容器移除辐照工位静置，获得沿加工路径分离的蓝宝石切割件。
2.如权利要求1所述的蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法，其特征在于，在步骤2中，所述化学腐蚀液为质量分数20％～40％的氢氟酸溶液。
3.如权利要求1所述的蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法，其特征在于，在步骤3中，补偿后的皮秒级脉宽激光加工功率为5W～15W。
4.如权利要求1所述的蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法，其特征在于，在步骤5中，所述线迹横向重叠率为20％～50％。
5.如权利要求1所述的蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法，其特征在于，在步骤6中，所述激光频率为200kHz～1MHz，激光辐照单点处的脉冲数为2000个～4000个，匹配的激光束移动速率为1mm/s～10mm/s。
6.如权利要求1所述的蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法，其特征在于，在步骤9中，静置时间为12小时～24小时。
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