[发明专利]一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置及方法

说明书

本发明公开了一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置及方法，属于硬脆材料激光加工领域。该装置及方法在超快激光热裂加工的基础上增加纵向电场，扩展热裂加工深度，通过设置合理的超快激光热裂加工工艺参数、正确设置电极正负极、控制激光头和电极同步运动加工、设置最佳电极间距和电压，实现厚板硬脆材料超快激光热裂加工，提高硬脆材料加工能力、质量和效率。

技术领域

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。

发明内容

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。