人造寶石剛玉晶體材料的激光微孔技術研究

1 引 言
    隨著寶石剛玉晶體的合成生長技術的較快發展，品質優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、生物醫療、航空航天以及光電技術等領域，但其可加工性較差，易產生“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的研究是很有意義的。目前在紅寶石微孔加工方面領先是瑞士，在藍寶石精密平面加工方面有較大優勢是日本和美國，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（主要技術參數見圖1）的實際生產試驗，探討微孔加工各參數的調整規律，確定各工藝參數的有效匹配組合方法，提高孔加工質量和精度。

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，超聲波加工技術無法滿足生產加工要求。
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，也可作連續輸出。
    YAG激光器主要有以下三種優點：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，h=6.6 x 10*-34焦耳.秒
3 加工參數的特性
    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內物質的破壞及破壞產生物的運動有關，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生的蒸氣、氣化物質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，且實驗數據收集困難，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，并在加工中逐步修正完善。結合生產實踐，經過對生產用YAG激光器各工藝參數與孔加工的特征及材料去除量關系的試驗研究，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等加工參數具體有效匹配組合。
3.1 激光脈沖能量
    激光棒和光學系統參數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。如圖2所示是激光打孔幾何原理簡圖。
    假設激光器輸出的光束直徑為D，發散角為a，經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，氣化的物質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系，隨著激光能量單調遞增.
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律，具體見下表1

    從表1的試驗數據可知，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的功率密度，而是改變了激光束的發散角和光束直徑，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，打孔所產生的氣相物質比例越大，從而產生的壓力也越大。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系。具體見下表2

    上表2的試驗數據可知，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。