麵向高質量微細加工的激光誘導微射流輔助燒蝕技術

作者

郭楊、邱佩、徐少林*、程佳瑞

單位

南方科技大學、哈爾濱工業(ye) 大學、普渡大學

Citation

Guo Y, Qiu P, Xu S L, Cheng G J. Laser-induced microjet-assisted ablation for high-quality microfabrication. Int. J. Extrem. Manuf. 4 035101(2022).

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac6632

撰稿 | 文章作者

文章導讀

麵向難加工材料的高質量微細加工需求日益增加，傳(chuan) 統精密加工技術日益麵臨(lin) 新的挑戰。超快激光燒蝕加工由於(yu) 其非接觸、對材料選擇性小、熱效應弱等獨特優(you) 勢，在微米級特征尺寸的精細結構加工中引起了越來越多的關(guan) 注。然而，即使采用超快脈衝(chong) 激光進行微加工也總是遇到重鑄層、燒蝕碎屑再沉積、相變和裂紋等問題，限製了其應用前景。在激光燒蝕過程中，及時排出燒蝕碎屑和多餘(yu) 熱量對於(yu) 高質量的激光微加工至關(guan) 重要。液體(ti) 輔助激光燒蝕具有減輕熱效應的優(you) 勢，而激光在液體(ti) 中誘導的空化氣泡、懸浮碎屑和液體(ti) 湍流導致的光散射和屏蔽作用會(hui) 降低激光束傳(chuan) 輸的穩定性。減小激光脈衝(chong) 重疊率可以一定程度上緩解上述問題，但限製了加工效率。近期，南方科技大學與(yu) 哈爾濱工業(ye) 大學聯培博士生郭楊、南方科技大學博士生邱佩、徐少林助理教授、美國普渡大學程佳瑞教授在SCIE期刊《極端製造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《麵向高質量微細加工的激光誘導微射流輔助燒蝕技術》，提出了激光誘導微射流輔助燒蝕(LIMJAA)技術，以提高超快激光燒蝕性能，獲得高質量微細結構。實驗論證了LIMJAA技術能夠及時定向排除燒蝕區域的空化氣泡、懸浮碎屑，減少熱效應，具有較高的材料去除率，能夠在各種難加工材料表麵製備出高質量微米級結構。

關(guan) 鍵詞：

液體(ti) 輔助激光加工；激光誘導微射流；空化氣泡；激光微細加工

亮點：為(wei) 了實現高質量的微結構加工，本文提出了一種激光誘導微射流輔助燒蝕技術

● 通過控製液體(ti) 厚度，高頻激光誘導空化泡的非對稱潰滅能夠產(chan) 生連續定向高速微射流。

● 定向微射流能夠及時排除燒蝕區域的二次氣泡、燒蝕碎屑和熱量，顯著提升加工效率和質量。

● 在多種難加工材料表麵製備出高質量的微通道陣列和微孔陣列。

圖1（a）激光誘導微射流輔助燒蝕技術示意圖；（b）高速相機拍攝氣液固界麵附近激光誘導微射流。

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00:20

Movie S2 激光誘導微射流的動態演化過程。

研究背景

在傳(chuan) 統的液體(ti) 輔助激光燒蝕工藝中，懸浮氣泡和碎屑的散射和屏蔽作用會(hui) 降低加工效率和表麵質量。流動液體(ti) 或水射流被廣泛應用於(yu) 定向排除燒蝕碎屑，包括射流輔助水下激光加工、同軸水射流輔助激光加工、水導激光加工、溢流輔助激光加工和激光-水射流複合燒蝕加工技術。在這些技術中，通常期望所用液體(ti) 不含氣泡且不形成湍流，但實際加工中較難獲得。有學者發現了一個(ge) 有趣的現象，控製激光焦點在液體(ti) 中的聚焦位置位於(yu) 液體(ti) 界麵附近，通過空化氣泡的非對稱潰滅能夠誘導產(chan) 生定向微射流。該激光誘導微射流已被用於(yu) 新型無針藥物注射、微液滴3D打印等領域。激光誘導微射流的特性與(yu) 上述外加輔助射流有相似性，有望用於(yu) 排出激光加工過程中的氣泡、碎屑和熱量，但是還沒有學者對其進行係統研究和有效利用。本文通過精確控製液體(ti) 輔助激光加工中的液膜厚度，輔助高速攝影技術，研究了定向微射流的形成機製，以及對於(yu) 脈衝(chong) 激光燒蝕特性的影響機理，經過參數優(you) 化，實現了液體(ti) 輔助激光加工過程中的氣泡和燒蝕碎屑的穩定定向去除，提高了激光加工微結構的質量和效率。

最新進展

本文研究了激光誘導空化氣泡對超薄液體(ti) 層環境中激光燒蝕加工性能的影響機理。研究發現，通過激光誘導空化氣泡的非對稱潰滅，可以形成連續且定向的高速微射流，該射流能夠及時排除燒蝕區域懸浮的二次氣泡和燒蝕碎屑。在係統研究連續微射流形成條件和輔助材料燒蝕機製的基礎上，本研究通過實驗驗證了LIMJAA技術能夠用於(yu) 製造高質量的微米級結構，並大幅提高了難加工材料的材料去除效率。

LIMJAA加工原理。如圖2(a)-(d)所示，由於(yu) 激光誘導空化氣泡的非對稱潰滅，聚焦在液體(ti) 界麵附近的脈衝(chong) 激光將產(chan) 生向下的脈衝(chong) 微射流，隨著脈衝(chong) 激光的持續累積，脈衝(chong) 微射流也累積和加速形成連續的穩定液體(ti) 射流。如圖2(e)所示，為(wei) 了利用激光誘導連續微射流進行輔助燒蝕微加工，研究了聚焦平麵位置對微射流初始速度的影響，發現微射流的初始速度在特定的激光聚焦深度時顯示峰值。較高的微射流初速度有利於(yu) 形成穩定的連續射流，這一發現有助於(yu) 確定實際LIMJAA工藝中使用的液體(ti) 層厚度。

圖2 激光誘導連續微射流的產(chan) 生和演化：（a）100 ms內(nei) 二次氣泡的演化；（b）前5個(ge) 激光脈衝(chong) 誘導的二次氣泡運動軌跡；（c）第61-65個(ge) 脈衝(chong) 誘導二次氣泡的運動軌跡；（d）微射流速度隨著脈衝(chong) 數增加而變化並逐漸趨於(yu) 穩定；（e）激光誘導微射流的初始速度與(yu) 無量綱化激光焦點距離的關(guan) 係。

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00:09

Movie S1 二次氣泡的運動軌跡表明了激光誘導連續微射流的產(chan) 生和演化過程。

材料去除機製。雖然液體(ti) 輔助激光加工可以消除燒蝕碎屑在表麵的再沉積和重鑄，但傳(chuan) 統的浸沒液體(ti) 輔助和薄液層輔助激光加工仍然存在差異。較厚浸沒液體(ti) 中的氣泡團簇導致加工不穩定，在溝槽表麵附近產(chan) 生不規則的燒蝕痕跡。相比之下，LIMJAA通過激光誘導高速微射流的定向衝(chong) 擊，將氣泡、碎屑和熔融材料從(cong) 燒蝕區排出。因此，如圖3所示LIMJAA獲得了沒有重鑄層和碎屑再沉積的光滑溝槽。如圖4所示LIMJAA的燒蝕深度和材料去除率也有所提高。如圖5所示，基於(yu) 此特殊的材料去除機製，在單晶SiC表麵通過激光單次掃描可以加工出寬度為(wei) 19 μm、深度98 μm、深寬比達5.2的高質量微溝槽。

圖3 空氣中、浸沒液體(ti) 和LIMJAA激光燒蝕加工微槽的表麵形貌；（a）-（c）單晶SiC激光加工過程中表麵液體(ti) 狀態；（d）-（f）單晶SiC表麵微溝槽形貌；（g）-（i）不鏽鋼表麵微槽形貌。

圖4（a）LIMJAA、空氣中和浸沒液體(ti) 中激光燒蝕微槽深度比較；（b）LIMJAA、空氣中和浸沒液體(ti) 中激光燒蝕微溝槽材料去除率比較。

圖5 LIMJAA技術單道掃描加工高深寬比單晶SiC微槽。

LIMJAA的實際應用。本研究證明了所提出的LIMJAA技術可用於(yu) 穩定加工多種不同類型的材料，包括硬脆性材料，熱或應力敏感材料等。如圖6所示，在SiC晶圓表麵製備的微通道陣列結構，在微電子器件的微通道散熱係統和玻璃微流道模具中顯示出良好的應用前景。如圖7所示，對於(yu) 超薄晶圓等材料的微鑽孔，LIMJAA方法不僅(jin) 可以實現高效的材料去除率，還可以獲得非常高的表麵質量。

未來展望

本研究係統地展示了激光誘導微射流在液體(ti) 輔助激光燒蝕中的優(you) 勢，尤其是對一些難加工材料具有良好效果，能夠在數十微米尺度獲得邊緣銳利的高深寬比微結構，為(wei) 推動液體(ti) 輔助超快激光在各種難加工材料微細加工中的應用邁出了關(guan) 鍵一步。然而準確控製激光加工中的局部液體(ti) 厚度仍是工業(ye) 應用中進一步提高加工效率和穩定性的迫切要求。該技術有望在微電子、微流控模具和微通道散熱片加工等領域中被廣泛應用。

文章導讀

徐少林博士

南方科技大學機械與(yu) 能源工程係助理教授，超快激光微納製造團隊負責人（PI），博士生導師，係黨(dang) 委書(shu) 記。日本東(dong) 北大學機械智能係博士（2015），曾任職於(yu) 日本東(dong) 北大學工學研究科JSPS特別研究員，日本東(dong) 北大學醫工學研究科助理教授。2017年1月回國加入南方科技大學機械與(yu) 能源工程係，已組建包含博士後、研究助理和博士研究生等近20人的研究團隊，主要研究方向為(wei) 超快激光微納加工及其應用。