一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置及方法与流程

本发明属于硬脆材料激光加工领域，更具体地，涉及一种针对硬脆材料，特别是激光热裂加工方法，采用超快脉冲激光加工、外加电场牵引扩展裂纹深度的方法。

背景技术：

针对硬脆材料，传统的接触加工方法稳定性差、污染重、效率低，亟待开发先进的非接触式加工方法。激光加工因其灵活、结构简单、效率高，在非接触式加工中颇受青睐。现有的激光光源中，连续光和长脉冲激光热影响区大、温度梯度高，产生的热裂纹数量多、方向随机、不可控，因此一般采用材料“微爆”的方式进行硬脆材料的加工。“微爆”又分两种，第一种表面“微爆”，其加工边缘质量不高、残余应力严重，在硬脆材料加工中应用受限很大；第二种内部“微爆”的加工方式，即“隐式切割”，这种技术避免了表面破坏性的物质爆炸去除，在半导体行业应用广泛，但存在材料选择受限，加工深度有限和仍然存在残余应力的问题。

超快激光脉冲宽度在皮秒、飞秒量级，其脉冲短、峰值功率高，可以实现硬脆材料多光子吸收激发自由电子，材料后续经历高温自由电子向声子热传递的双温过程实现相变，完成光能-电子动能-材料热能的能量转换过程。此过程避免了光能持续作用，由此减少了热影响在时间上的持续作用；且超快激光聚焦后高峰值功率的有效区域小，也减少了热影响在空间上的扩展。由此产生的热应力局部强度高、方向集中，这使得直接利用热裂纹完成硬脆材料的加工成为了可能。理论上来说，这是一种真正的无损、无污染、适用硬脆材料广泛的加工技术。

但是，超快激光热裂加工仍然存在加工深度不足的问题。对大多数材料，通常无法保证激光波长的选择性透射和吸收，这造成无法采用材料内部聚焦的方式进行加工，因此一般采用表面吸收。对大多数材料来说，表面吸收仅发生在表面以下几十到几百个纳米左右，由此带来加工厚度的极大局限性。亟待开发一种简易有效的扩展超快激光热裂加工深度的方法。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电场牵引的超快激光热裂加工装置及方法，其目的在于，先由超快激光提供的能量激发出自由电子，然后通过外加电场牵引自由电子向更深的方向运动，从而实现材料深处的热应力激发，扩展裂纹深度，由此解决现有技术中超快激光热裂加工深度不足的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置，包括：超快激光器、电压源以及绝缘支撑板；其中，

超快激光器包括激光头，电压源包括阴极板和阳极板；绝缘支撑板正面用于承载待加工工件；超快激光器通过激光头向待加工工件发射超快激光，在待加工工件表面激发出自由电子并形成裂纹；超快激光是指脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的激光；

阴极板与激光头位于绝缘支撑板正面待加工工件上方，阳极板位于绝缘支撑板背面且正对阴极板；

激光头、阴极板和阳极板在加工路径上同步运动，且激光头在加工路径上始终紧挨阴极板正前方边缘；阴极板和阳极板之间产生的电场力用于牵引激光激发的自由电子向更深处运动，从而迫使裂纹向更深处扩展，直至待加工工件底面。

进一步地，超快激光器的参数设定如下：功率50w～200w，激光波长355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于待加工工件材料的电声耦合特征时间，重复频率50khz～500khz，焦点位于待加工工件表面附近。

进一步地，超快激光器的激光波长为355nm、532nm或1064nm。

进一步地，阴极板和阳极板之间的距离为0.5cm～5cm，电压为300v～800v。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工方法，按照预先规划好的裂纹路径，先采用脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的超快激光在待加工工件表面激发出自由电子同时产生裂纹，然后在自由电子发生电声耦合之前，利用电压源的阴极板和阳极板沿裂纹深度方向的反向电场，加深裂纹直至待加工工件底面。

进一步地，超快激光的参数如下：功率50w～200w，激光波长355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于待加工工件材料的电声耦合特征时间，重复频率50khz～500khz，焦点位于待加工工件表面附近。

进一步地，超快激光的激光波长为355nm、532nm或1064nm。

进一步地，阴极板和阳极板之间的距离为0.5cm～5cm，电压为300v～800v。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、使用脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的超快激光，利用其高峰值功率，通过多光子吸收，在硬脆材料工件表面光作用区电离激发，产生高温自由电子，迅速形成局部热应力促使工件表面裂开；

通过施加裂纹反向的纵向电场，加速牵引自由电子，在发生电声耦合之前(即电子重回稳定状态之前)，向材料内部弹道运动，通过电子碰撞传热向深处激发热应力，从而将能量传递给更深处的材料晶格，实现材料深处的热应力激发，扩展热裂法加工深度，达到厚板热裂法加工的目的，能够将加工深度扩展2mm～5mm。

2、将超快激光设置为功率50w～200w，波长355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于材料电声耦合特征时间，重复频率50khz～500khz，焦点位于材料表面附近，能够达到硬脆材料最佳的热裂法加工效果，使得裂纹表面整齐、碎片少、裂纹长度方向和深度方向更接近直线。

3、将阴极板和阳极板之间的距离设为0.5cm～5cm，电压设为300v～800v，能够在确保达到工件厚度的加工深度前提下，使总体质量保持断面光滑平直、无碎屑熔渣毛刺、微裂纹少、粗糙度小、切割线无偏折。

附图说明

图1为本发明的加工装置结构示意图；

图2为本发明的电场牵引超快激光热裂加工原理模拟示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-超快激光器；2-激光头；3-阴极板；4-超快激光；5-工件；6-绝缘支撑板；7-电压源；8-阳极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，为本发明的电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置的一个优选实施例，该装置包括：超快激光器1、电压源7以及绝缘支撑板6；其中，超快激光器1包括激光头2，电压源7包括阴极板3和阳极板8；绝缘支撑板6正面用于承载待加工工件5；超快激光器1通过激光头2向待加工工件5发射超快激光，在待加工工件5表面激发出自由电子并形成裂纹；超快激光是指脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的激光；阴极板3与激光头2位于绝缘支撑板6正面待加工工件5上方，阳极板8位于绝缘支撑板6背面且正对阴极板3；激光头2、阴极板3和阳极板8在加工路径上同步运动，且激光头2在加工路径上始终紧挨阴极板3正前方边缘；阴极板3和阳极板8之间产生的电场力用于牵引激光激发的自由电子向更深处运动，从而迫使裂纹向更深处扩展，直至待加工工件5底面。

其中，绝缘支撑板6采用绝缘材料，可以确保电场强度和稳定性，如果使用导电材料，则会导致电场被抵消；阳极板和阴极板不可接反，以确保高温自由电子能够向促使裂纹加深的方向运动，且须带击穿保护功能，并可以承受较高范围的电压。优选地，超快激光器的参数设定如下：功率50w～200w，激光波长355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于待加工工件材料的电声耦合特征时间，重复频率50khz～500khz，焦点位于待加工工件表面附近。阴极板和阳极板之间的距离为0.5cm～5cm，电压为300v～800v。

此外，由于电声耦合效应，受到激光充能引发跃迁而产生的自由电子会在较短的时间内与离子复合，并且激光头移走之后，裂纹会逐渐降温。因此，需要阴极板3与激光头2之间的距离必须足够近，也可以直接使激光头2发射的激光束位于阴极板3的边缘。此外，为保证加工过程的稳定性，需要通过运动控制和支撑部件使阴极板3、阳极板8跟随激光头2在规划路径上同步运动。

下面结合图2介绍本发明的工作原理：

图2左侧为无电场作用效果，此时通过超快激光4照射硬脆材料工件表面，激光能量造成裂纹附近的电子跃迁，形成具有大量高温电子的电子激发区，同时工件表面瞬间升温产生巨大的热应力而裂开生成浅裂纹。但是，正常情况下电子的运动是无序的，如果没有其他因素干扰，电子相互碰撞导致能量耗散并由于电声耦合效应迅速趋于稳定，裂纹无法进一步加深。

图2右侧为有电场作用效果，通过施加与裂纹反向的高压电场，使得自由电子迅速有序地定向移动，从而将携带的热量迅速向裂纹更深处传递，进而使得热应力迅速向深处延伸，迫使裂纹向更深处扩展，直至到达工件底面。

以下通过几个应用实例，对本发明的加工方法进行进一步介绍。

【实例1】玻璃材料的工件加工，厚度2mm，电声耦合时间>20ps

步骤1：装置布置：

将阴极板3与激光头2布置于绝缘支撑板6正面待加工工件5上方，阳极板8位于绝缘支撑板6背面且正对阴极板3；调整激光头2或阴极板3的位置使激光头2在加工路径上始终位于阴极板3正前方，且使激光束位于阴极板3边缘。

步骤2：参数设定：

超快激光工艺参数：功率50w，波长355nm，脉冲宽度10ps，重复频率50khz，焦点位于材料表面；

电场参数：调整阴极板3和阳极板8之间的距离至0.5cm，电压源7输出的电压为300v；

激光头2或绝缘支撑板6的运动速度可以根据加工效率需求进行设定；

步骤3：装置通电，激光头2发射激光脉冲，阴极板3和阳极板8间产生电场；

步骤4：启动工作台，使激光头2、阴极板3、阳极板8同步按照规划路径运动，或使绝缘支撑板6按照规划路径运动，在工件规划位置进行热裂法加工，超快激光在工件表面产生裂纹，电场力牵引激发电子向更深处运动，使裂纹向更深处扩展，直至到达工件底面。

【实例2】蓝宝石材料的工件加工，厚度3mm，电声耦合时间为>80ps

步骤1：装置布置：

将阴极板3与激光头2布置于绝缘支撑板6正面待加工工件5上方，阳极板8位于绝缘支撑板6背面且正对阴极板3；调整激光头2或阴极板3的位置使激光头2在加工路径上始终位于阴极板3正前方，且使激光束位于阴极板3边缘。

步骤2：参数设定：

超快激光工艺参数：功率100w，波长532nm，脉冲宽度70ps，重复频率200khz，焦点位于材料表面；

电场参数：调整阴极板3和阳极板8之间的距离至1cm，电压源7输出的电压为450v；

激光头2或绝缘支撑板6的运动速度可以根据加工效率需求进行设定；

步骤3：装置通电，激光头2发射激光脉冲，阴极板3和阳极板8间产生电场；

步骤4：启动工作台，使激光头2、阴极板3、阳极板8同步按照规划路径运动，或使绝缘支撑板6按照规划路径运动，在工件规划位置进行热裂法加工，超快激光在工件表面产生裂纹，电场力牵引激发电子向更深处运动，使裂纹向更深处扩展，直至到达工件底面。

【实例3】陶瓷材料的工件加工，厚度5mm，电声耦合时间为>200ps

步骤1：装置布置：

将阴极板3与激光头2布置于绝缘支撑板6正面待加工工件5上方，阳极板8位于绝缘支撑板6背面且正对阴极板3；调整激光头2或阴极板3的位置使激光头2在加工路径上始终位于阴极板3正前方，且使激光束位于阴极板3边缘。

步骤2：参数设定：

超快激光工艺参数：功率200w，波长1064nm，脉冲宽度180ps，重复频率450khz，焦点位于材料表面；

电场参数：调整阴极板3和阳极板8之间的距离至4cm，电压源7输出的电压为700v；

激光头2或绝缘支撑板6的运动速度可以根据加工效率需求进行设定；

步骤3：装置通电，激光头2发射激光脉冲，阴极板3和阳极板8间产生电场；

步骤4：启动工作台，使激光头2、阴极板3、阳极板8同步按照规划路径运动，或使绝缘支撑板6按照规划路径运动，在工件规划位置进行热裂法加工，超快激光在工件表面产生裂纹，电场力牵引激发电子向更深处运动，使裂纹向更深处扩展，直至到达工件底面。

【实例4】

本实施例与实例1～3的区别主要是增加了试加工确定加工参数的步骤，主要是在材料性质不明确或者有更高的工艺要求时采用。

在正式加工之前，选取一块试样，首先使用初筛，利用较大的参数间隔，对该试样进行多次加工，并使用目测和显微镜观测，筛选优质的裂纹断面，筛选标准：表面整齐、碎片少、裂纹长度方向和深度方向更接近直线；

选出优质裂纹断面对应的较大的参数区间后，再使用较小的参数间隔，对同一试样或新试样重新进行多次加工，然后使用表面粗糙度测量仪进行断面检测，选出符合预设标准的粗糙度较小的裂纹断面，进而选定其对应的工艺参数为正式加工时的参数。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。