[发明专利]一种蓝宝石亚微米级切面的激光高精加工方法

说明书

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。

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 -Jungemann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：