355nm紫外激光抛光工艺参数对蓝宝石表面粗糙度的影响

黄加福，林红梅



355nm紫外激光抛光工艺参数对蓝宝石表面粗糙度的影响

黄加福，林红梅

（漳州职业技术学院 机械与自动化工程系，福建 漳州 363000）

通过用波长为355nm的紫外激光对蓝宝石进行抛光，利用激光共聚焦扫描仪测量抛光后的表面粗糙度Ra，并结合抛光前后蓝宝石表面微观形貌特征观测，研究紫外激光脉冲能量、激光光束扫描速度、激光重复频率及激光光束入射角等工艺参数对蓝宝石表面粗糙度Ra的影响规律。

紫外激光；激光抛光；抛光；工艺参数；表面粗糙度

1 引言

蓝宝石具有高耐磨性、高硬度、高脆性、化学性能稳定等特点，被广泛用于工业、国防和科研等多个领域，如用于制造氮化镓GaN、发光二极管LED的衬底，还可以用于固体激光、红外窗口、精密耐磨轴承等高新技术领域的零件，同时蓝宝石晶体还被用作耐磨损表镜。但由于蓝宝石硬度高、脆性大。用传统的磨削加工方法难以解决表面划痕、加工效率低、返工率高等问题[1]。而紫外激光被普遍认为是现代精密制造技术中很有潜力的工具[2]。因此紫外激光抛光蓝宝石具有传统加工方法无可比拟的优点，有很大的发展空间。

紫外激光抛光蓝宝石的过程是光化学作用和热作用的结果[1,3,4]，抛光过程不仅与激光能量密度、重复频率、蓝宝石的表面状况和性质有关，还与激光光束扫描速度、激光光束入射角、激光扫描方式等因素相关[5]。本文通过波长为355nm的紫外激光抛光蓝宝石的实验，研究抛光前后表面粗糙度的变化以及各个参数对抛光效果的影响规律。

2 实验装置与实验方法

实验采用波长355nm、脉宽20ns的紫外光激光器作为激光抛光的光源。该激光器的相关参数如下：最大电流值32A，最大功率2W，最大重复频率100KHz，光斑直径14μm，该激光器可改变的相关工艺参数为：激光能量密度、激光重复频率、扫描速度、扫描方式等。通过自行设计的工作台，可以改变入射角等参数。所使用蓝宝石样片的初始表面粗糙度分别为Ra=0.55μm和Ra=0.72μm。实验的装置如图1所示。

实验中测量表面粗糙度Ra采用激光共聚焦轮廓扫描仪测量，其测量精度为0.01μm，测量的方法是在抛光的面积上扫描0.5mm×0.5mm的面积区域通过仪器自带的软件计算表面粗糙度Ra，通过奥林巴斯激光扫描共聚焦显微镜分析抛光前后的蓝宝石表面形貌。实验中采用环境扫描电子显微镜观测蓝宝石抛光表面的微观形貌，进一步分析紫外光与蓝宝石的作用机理。图2所示为采用环境扫描电子显微镜放大2 000倍所拍摄的蓝宝石抛光前后的表面微观形貌。

采用的实验方法为：首先利用激光照射光栅纸，并通过光学显微镜测量激光光斑直径，将蓝宝石放置在工作台上并寻找焦点位置，逐渐增加脉冲能量直至蓝宝石被去除，从而确定其能量阈值。根据激光抛光金刚石的经验[6,7]，入射角较大，抛光效果较好。然后将蓝宝石样品放在入射角为30°的工作台上，直接通过激光器控制面板的显示改变不同的脉冲能量值、扫描速度、激光重复频率，扫描不同的抛光表面。最后以同一个脉冲能量，改变不同的入射角度抛光不同的表面。实验完后利用激光共聚焦轮廓扫描仪测量和环境扫描电子显微镜分别测量表面粗糙度和蓝宝石抛光表面的微观形貌。

图1 激光器及其相关设备

图2 抛光前后的蓝宝石放大2000倍后的表面微观形貌

3 紫外激光抛光工艺参数对蓝宝石表面粗糙度的影响

本实验采用单因素实验分别分析激光脉冲能量、激光光束扫描速度、激光光束入射角、激光扫描方式等因素对抛光蓝宝石表面粗糙度的影响规律。通过抛光结果（图2）可以观察到锯切的表面具有凹凸不平、分布比较均匀的凸峰，表面留有一些脆性断裂或弹性断裂的纹理。而紫外激光抛光表面平坦，原有的表面微观凸峰被削平，能观察到表面有激光光束扫描后留下波纹状的痕迹，且还残留一些小碎片被吸附在表面等现象，如果通过激光清洗碎片，就能获得干净平整的表面。可见紫外激光能较好地对蓝宝石进行抛光。

以下分析激光脉冲能量、激光光束扫描速度、激光重复频率、激光光束入射角等工艺参数对抛光表面粗糙度的影响规律。

3.1 激光脉冲能量对抛光表面粗糙度的影响

在激光扫描速度为90mm/s、激光重复频率为30kHz、在不同入射角的条件下，得到激光脉冲能量对抛光表面粗糙度的影响如图3，从测量的结果可以看出：紫外激光抛光蓝宝石过程中，当激光能量0.055mJ（脉冲能量密度36.5J/cm2）时，抛光表面粗糙度最低。当激光脉冲能量密度达到蓝宝石的破坏阈值时（约0.035 J），随着脉冲能量密度增大，抛光表面粗糙度减小。此时若能量密度再继续增加，使蓝宝石表面融化、裂纹的痕迹更多，致使扫描后的表面粗糙度反而增加。

图3 激光脉冲能量对抛光表面粗糙度的影响

3.2 扫描速度对抛光表面粗糙度的影响

在激光能量密度36.4J/cm2、重复频率30kHz、不同入射角的条件下，得到激光扫描速度对抛光蓝宝石的表面粗糙度影响情况如图4，当扫描速度为10m/s时，抛光表面粗糙度很大，原因是由于较慢的扫描速度，激光单位面积吸收的激光能量大，有效地去除了蓝宝石材料，材料的去除量较大，致使表面凸峰和基体同时去除，且有较强的材料融化过程。反而使表面粗糙度Ra升高。但随着激光扫描速度的增加，表面粗糙度逐渐下降，在这个过程中蓝宝石表面被微量去除。基本上只是材料的表面波峰被去除。当扫描速度90mm/s时，抛光后的表面粗糙度最低。此时，当继续增加扫描速度时，抛光表面粗糙度又逐渐增加到原始表面粗糙度值。原因是扫描速度太快，致使光斑分离，达不到抛光的效果。说明过快的扫描速度没有对蓝宝石表面进行抛光，与初始表面粗糙度基本相当，甚至有使表面粗糙度增大的趋势。与J.C.Rozzi等人[4]利用不同的扫描速度的激光加工光学陶瓷材料，并得到了中等激光扫描速度加工的表面最光滑的结论一致。

图4 激光束扫描速度对抛光表面粗糙度的影响

3.3 激光重复频率对抛光表面粗糙度的影响

激光重复间接影响激光的脉冲能量，在激光平均功率密度1.10×106W/cm2、不同入射角的条件下，得到激光扫描速度对抛光蓝宝石的表面粗糙度影响情况如图5。可以看出在激光重复频率为10kHz时，表面粗糙度更大，原因是由于此时脉冲能量较大，激光抛光过程中声音尖锐，表明材料的去除较明显，但随着激光重复频率的增加，表面粗糙度逐渐下降，当激光重复频率为30kHz时，获得的抛光表面粗糙度最低。当继续增大激光重复频率时，达到50kHz以上，脉冲能量很小，达不到蓝宝石的破坏阈值。基本上起不到去除材料的作用。表面粗糙度恢复到原始表面粗糙度值。

图5 重复频率对抛光表面粗糙度的影响

3.4 激光入射角对抛光表面粗糙度的影响

激光入射角是指激光光束与工件的法向的夹角。在重复频率30kHz；扫描速度90mm/s、不同脉冲能量密度的条件下，得到激光光束入射角对抛光效果的影响如图6，随着入射角的增大，蓝宝石表面凸峰被激光显著照射并切除，使表面粗糙度不断下降。但由于激光器焦深的限制，导致入射角较大时，光斑形状由圆形逐渐变成椭圆形，蓝宝石抛光区域的不同位置对紫外激光的吸收率不同，从而在偏离焦距处的地方抛光效果较差。通过研究认为：在其他工艺参数相同时，随着入射角的增加，抛光后的表面粗糙度呈下降趋势，并呈现一个合理的入射角使抛光效果最好[7]。说明入射角对抛光效果影响显著。

图6 激光光束入射角对抛光表面粗糙度的影响

4 结束语

激光抛光是一种应用前途较广的特种加工技术, 尤其适宜于用常规方法难以加工的硬脆材料。利用激光技术可对蓝宝石进行抛光加工，其加工效率较高。激光抛光效果取决于激光工艺参数，为提高抛光质量。可采用合理的激光输出能量、激光脉冲频率、激光束扫描速度、激光光束入射角。而高能量激光、激光束扫描速度很小和激光重复频率可以提高抛光效率。但抛光面粗糙度较高。为兼顾效率和质量,可采用复合的激光抛光工艺, 即先进行大能量激光慢扫描速度粗抛，再进行小能量快扫描速度进行精抛。（下转第31页）

[1] 郭晓艳,魏昕,谢昕.蓝宝石抛光技术的研究进展[J].机电工程技术,2006,35(9):76-78,94.

[2] 左铁川.21世纪的先进制造——激光技术与工程[M].北京:科学出版社,2007.

[3] 余小飞, 何为.紫外激光加工盲孔的工艺分析[J].印制电路信息,2011(4):62-66.

[4] J.C.Rozzi, O.H.Clavier, M.D.Barton. Laser-assisted pre-finishing of optical ceramic materials[J].The International Society for Optical Engineering,2007,6545:1-7.

[5] 江超, 王又青, 胡少六. 激光抛光技术的发展与展望[J].激光技术,2002,26(6):421-424.

[6] 徐锋.CVD金刚石厚膜的加工技术研究[D].南京:南京航空航天大学硕士学位论文,2002.

[7] S.Gloor, W.Luthy, H.P.Weber, S.M.Pimenov, et al. UV Laser polishing of thick diamond films for IR windows[J]. Applied Surface Science,1999:135-139.

355nm laser polishing process parameters effect on sapphire surface roughness

HUANG Jia-fu, LIN Hong-mei

(Zhangzhou Institute of Technology, Fujian Zhangzhou, 363000, China)

The 355nm wavelength UV laser is used in the research of the polishing experiment of sapphire in this paper. The surface roughness is measured by confocal laser scanner measurement. Also the surface morphology was analysis. From the research, it was show that the laser parameters effect on mechanics and the roughness of sapphire was studied, which contain pulse energy, laser repetition rate, scanning speed, angle of incidence, scanning ways and the original surface.

UV laser；laser polishing；polishing；process parameters；surface roughness

TN23

A

1673-1417（2013）01-0017-04

2012－11－20

黄加福（1984－），男，福建龙海人，助教，硕士研究生，研究方向：精密加工技术。

（责任编辑：季平）