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作者

郭楊、邱佩、徐少林*、程佳瑞

單位

南方科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、普渡大學(xué)

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(dǎo)讀

面向難加工材料的高質(zhì)量微細加工需求日益增加，傳統(tǒng)精密加工技術(shù)日益面臨新的挑戰(zhàn)。超快激光燒蝕加工由于其非接觸、對材料選擇性小、熱效應(yīng)弱等獨特優(yōu)勢，在微米級特征尺寸的精細結(jié)構(gòu)加工中引起了越來越多的關(guān)注。然而，即使采用超快脈沖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，限制了其應(yīng)用前景。在激光燒蝕過程中，及時排出燒蝕碎屑和多余熱量對于高質(zhì)量的激光微加工至關(guān)重要。液體輔助激光燒蝕具有減輕熱效應(yīng)的優(yōu)勢，而激光在液體中誘導(dǎo)的空化氣泡、懸浮碎屑和液體湍流導(dǎo)致的光散射和屏蔽作用會降低激光束傳輸?shù)姆€(wěn)定性。減小激光脈沖重疊率可以一定程度上緩解上述問題，但限制了加工效率。近期，南方科技大學(xué)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)培博士生郭楊、南方科技大學(xué)博士生邱佩、徐少林助理教授、美國普渡大學(xué)程佳瑞教授在SCIE期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表《面向高質(zhì)量微細加工的激光誘導(dǎo)微射流輔助燒蝕技術(shù)》，提出了激光誘導(dǎo)微射流輔助燒蝕(LIMJAA)技術(shù)，以提高超快激光燒蝕性能，獲得高質(zhì)量微細結(jié)構(gòu)。實驗論證了LIMJAA技術(shù)能夠及時定向排除燒蝕區(qū)域的空化氣泡、懸浮碎屑，減少熱效應(yīng)，具有較高的材料去除率，能夠在各種難加工材料表面制備出高質(zhì)量微米級結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：

液體輔助激光加工；激光誘導(dǎo)微射流；空化氣泡；激光微細加工

亮點：為了實現(xiàn)高質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)加工，本文提出了一種激光誘導(dǎo)微射流輔助燒蝕技術(shù)

● 通過控制液體厚度，高頻激光誘導(dǎo)空化泡的非對稱潰滅能夠產(chǎn)生連續(xù)定向高速微射流。

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

● 在多種難加工材料表面制備出高質(zhì)量的微通道陣列和微孔陣列。

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

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Movie S2 激光誘導(dǎo)微射流的動態(tài)演化過程。

研究背景

在傳統(tǒng)的液體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降低加工效率和表面質(zhì)量。流動液體或水射流被廣泛應(yīng)用于定向排除燒蝕碎屑，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(dǎo)激光加工、溢流輔助激光加工和激光-水射流復(fù)合燒蝕加工技術(shù)。在這些技術(shù)中，通常期望所用液體不含氣泡且不形成湍流，但實際加工中較難獲得。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象，控制激光焦點在液體中的聚焦位置位于液體界面附近，通過空化氣泡的非對稱潰滅能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生定向微射流。該激光誘導(dǎo)微射流已被用于新型無針?biāo)幬镒⑸?、微液?D打印等領(lǐng)域。激光誘導(dǎo)微射流的特性與上述外加輔助射流有相似性，有望用于排出激光加工過程中的氣泡、碎屑和熱量，但是還沒有學(xué)者對其進行系統(tǒng)研究和有效利用。本文通過精確控制液體輔助激光加工中的液膜厚度，輔助高速攝影技術(shù)，研究了定向微射流的形成機制，以及對于脈沖激光燒蝕特性的影響機理，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)了液體輔助激光加工過程中的氣泡和燒蝕碎屑的穩(wěn)定定向去除，提高了激光加工微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和效率。

最新進展

本文研究了激光誘導(dǎo)空化氣泡對超薄液體層環(huán)境中激光燒蝕加工性能的影響機理。研究發(fā)現(xiàn)，通過激光誘導(dǎo)空化氣泡的非對稱潰滅，可以形成連續(xù)且定向的高速微射流，該射流能夠及時排除燒蝕區(qū)域懸浮的二次氣泡和燒蝕碎屑。在系統(tǒng)研究連續(xù)微射流形成條件和輔助材料燒蝕機制的基礎(chǔ)上，本研究通過實驗驗證了LIMJAA技術(shù)能夠用于制造高質(zhì)量的微米級結(jié)構(gòu)，并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，由于激光誘導(dǎo)空化氣泡的非對稱潰滅，聚焦在液體界面附近的脈沖激光將產(chǎn)生向下的脈沖微射流，隨著脈沖激光的持續(xù)累積，脈沖微射流也累積和加速形成連續(xù)的穩(wěn)定液體射流。如圖2(e)所示，為了利用激光誘導(dǎo)連續(xù)微射流進行輔助燒蝕微加工，研究了聚焦平面位置對微射流初始速度的影響，發(fā)現(xiàn)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于形成穩(wěn)定的連續(xù)射流，這一發(fā)現(xiàn)有助于確定實際LIMJAA工藝中使用的液體層厚度。

圖2 激光誘導(dǎo)連續(xù)微射流的產(chǎn)生和演化：（a）100 ms內(nèi)二次氣泡的演化；（b）前5個激光脈沖誘導(dǎo)的二次氣泡運動軌跡；（c）第61-65個脈沖誘導(dǎo)二次氣泡的運動軌跡；（d）微射流速度隨著脈沖數(shù)增加而變化并逐漸趨于穩(wěn)定；（e）激光誘導(dǎo)微射流的初始速度與無量綱化激光焦點距離的關(guān)系。

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

材料去除機制。雖然液體輔助激光加工可以消除燒蝕碎屑在表面的再沉積和重鑄，但傳統(tǒng)的浸沒液體輔助和薄液層輔助激光加工仍然存在差異。較厚浸沒液體中的氣泡團簇導(dǎo)致加工不穩(wěn)定，在溝槽表面附近產(chǎn)生不規(guī)則的燒蝕痕跡。相比之下，LIMJAA通過激光誘導(dǎo)高速微射流的定向沖擊，將氣泡、碎屑和熔融材料從燒蝕區(qū)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，基于此特殊的材料去除機制，在單晶SiC表面通過激光單次掃描可以加工出寬度為19 μm、深度98 μm、深寬比達5.2的高質(zhì)量微溝槽。

圖3 空氣中、浸沒液體和LIMJAA激光燒蝕加工微槽的表面形貌；（a）-（c）單晶SiC激光加工過程中表面液體狀態(tài)；（d）-（f）單晶SiC表面微溝槽形貌；（g）-（i）不銹鋼表面微槽形貌。

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

圖5 LIMJAA技術(shù)單道掃描加工高深寬比單晶SiC微槽。

LIMJAA的實際應(yīng)用。本研究證明了所提出的LIMJAA技術(shù)可用于穩(wěn)定加工多種不同類型的材料，包括硬脆性材料，熱或應(yīng)力敏感材料等。如圖6所示，在SiC晶圓表面制備的微通道陣列結(jié)構(gòu)，在微電子器件的微通道散熱系統(tǒng)和玻璃微流道模具中顯示出良好的應(yīng)用前景。如圖7所示，對于超薄晶圓等材料的微鉆孔，LIMJAA方法不僅可以實現(xiàn)高效的材料去除率，還可以獲得非常高的表面質(zhì)量。

未來展望

本研究系統(tǒng)地展示了激光誘導(dǎo)微射流在液體輔助激光燒蝕中的優(yōu)勢，尤其是對一些難加工材料具有良好效果，能夠在數(shù)十微米尺度獲得邊緣銳利的高深寬比微結(jié)構(gòu)，為推動液體輔助超快激光在各種難加工材料微細加工中的應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。然而準確控制激光加工中的局部液體厚度仍是工業(yè)應(yīng)用中進一步提高加工效率和穩(wěn)定性的迫切要求。該技術(shù)有望在微電子、微流控模具和微通道散熱片加工等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

文章導(dǎo)讀

徐少林博士

南方科技大學(xué)機械與能源工程系助理教授，超快激光微納制造團隊負責(zé)人（PI），博士生導(dǎo)師，系黨委書記。日本東北大學(xué)機械智能系博士（2015），曾任職于日本東北大學(xué)工學(xué)研究科JSPS特別研究員，日本東北大學(xué)醫(yī)工學(xué)研究科助理教授。2017年1月回國加入南方科技大學(xué)機械與能源工程系，已組建包含博士后、研究助理和博士研究生等近20人的研究團隊，主要研究方向為超快激光微納加工及其應(yīng)用。