胡雪林，曹 宇，李峰平

(溫州大學機電工程學院，浙江溫州 325035)

激光入射角對振鏡掃描激光刻蝕質(zhì)量的影響

胡雪林，曹 宇?，李峰平

(溫州大學機電工程學院，浙江溫州 325035)

以加工焦深限制范圍內(nèi)的傾斜平面模型來模擬工件表面的微觀不平坦狀況，對激光束以一定傾角入射工件表面的光斑畸變及其對刻蝕質(zhì)量的影響開展了理論和實驗方面的初步探索．結(jié)果表明，隨著激光束入射方向與工件表面法向的夾角（簡稱入射角）的增大，光斑畸變量也越來越大，振鏡沿水平路徑掃描的刻蝕線寬始終比豎直路徑的大，刻蝕線長始終比豎直路徑的??；相對于水平刻蝕路徑，豎直刻蝕路徑刻槽的任意位置經(jīng)歷的激光輻照時間更長，物質(zhì)蒸發(fā)、重熔更充分，刻槽更深，金屬重鑄層更厚，刻槽的側(cè)壁和底部形貌更為平整光滑．

振鏡掃描；激光刻蝕；光斑畸變；焦深；光束入射角

激光刻蝕，利用高能量密度脈沖激光束使被輻照工件表層的物質(zhì)發(fā)生熔化、燒蝕而去除，適應性強（可加工超軟、超硬、超脆、超薄等特殊材質(zhì)），工藝柔性化程度高，用于難加工材料微結(jié)構(gòu)制造時，技術(shù)優(yōu)勢非常顯著．近年來，隨著光纖激光、超短超快脈沖激光和高精度直線電機、壓電陶瓷驅(qū)動工作臺的涌現(xiàn)[1-2]，激光刻蝕設(shè)備的加工精度水平不斷提高，工業(yè)應用范圍不斷拓寬[3-4]，基于振鏡掃描的激光刻蝕技術(shù)[5-6]正是近十幾年迅速發(fā)展起來的．與依靠機床運動實現(xiàn)激光刻蝕不同，振鏡掃描激光刻蝕技術(shù)，主要依靠兩塊平面鏡的高速偏轉(zhuǎn)帶動激光束高速掃描，使激光束經(jīng)過遠心透鏡聚焦后到達工件表面，從而實現(xiàn)精密刻蝕加工．由于振鏡質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)動慣量小，起停時加速度大，跳轉(zhuǎn)速度快，該技術(shù)特別適合平面或三維微結(jié)構(gòu)的高效率、高精度的標記和刻蝕[7-8]．

眾所周知，任何聚焦透鏡都有一定的景深范圍，即焦深（Depth of focus）．工業(yè)激光加工設(shè)備的焦深值大小主要取決于激光束的波長和加工光學系統(tǒng)的參數(shù)，在加工焦深范圍內(nèi)，激光光斑形狀、大小、能量分布一般都當作不變量．振鏡掃描激光刻蝕技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)刀具加工方法的顯著特點之一就是激光束的非接觸、加工焦深特性允許工件表面高度有小于焦深的起伏變化[9]，只要掃描速度不變，在這個區(qū)域內(nèi)部的激光功率密度和能量密度就認為基本相同，故而所刻蝕路徑的加工精度和質(zhì)量也基本相同．

當前，振鏡掃描激光刻蝕的加工工藝，一般都是以激光束沿法向垂直投向工件平面為前提，但由于工件表面的微觀起伏，激光束實際上是以一定的傾斜角度入射到工件表面的．為了準確預測和評價振鏡掃描激光刻蝕不平坦工件表面的質(zhì)量，本文以加工焦深限制范圍內(nèi)的傾斜平面模型來模擬工件表面的微觀不平坦狀況，對激光束以一定傾角入射工件表面的光斑畸變及其對刻蝕質(zhì)量的影響規(guī)律，開展了理論和實驗方面的初步探索．

1 試樣制備與試驗方法

試樣選擇601鋁合金板材（平陽佳通五金制品有限公司），將所選板材制成規(guī)格為100 mm × 50 mm × 1 mm的小平板，試樣表面進行鏡面拋光和清洗去油污處理．為了研究激光束入射角對激光刻蝕線寬、線深和表面加工質(zhì)量的影響，本文專門設(shè)計制作了一個傾角調(diào)節(jié)夾具，如圖1所示，激光束入射角即等于夾具的傾斜角度θ．實驗設(shè)備采用自主設(shè)計開發(fā)的振鏡掃描式紫外微納加工系統(tǒng)，主要包括355 nm全固態(tài)紫外激光器（美國AptoWave公司）、導光光路系統(tǒng)、振鏡掃描激光刻蝕加工頭、XYZ三維運動工作臺、輔助系統(tǒng)和加工工藝控制軟件等，如圖2所示．

圖1 平面傾角可調(diào)的夾具

圖2 振鏡掃描式紫外微納加工系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)

對于該振鏡掃描式紫外微納加工系統(tǒng)，紫外高斯激光束經(jīng)擴束準直后，通過兩維掃描振鏡和遠心透鏡聚焦在工件表面，其理論光斑直徑D和加工焦深Z分別為：

實驗中，將試樣放置在夾具安裝槽里，通過調(diào)節(jié)試樣與水平面之間的傾斜角θ，可以模擬激光束以不同入射角到試樣表面的情況．同時，為了在同一入射角情況下，研究激光束在試樣表面的不同掃描方向?qū)涛g線寬、線深和表面加工質(zhì)量的影響，在每一個試樣表面，設(shè)計了兩個相互垂直的振鏡掃描刻蝕路徑（如圖1），刻蝕路徑H與夾具底部基線平行（以下簡稱水平H路徑），刻蝕路徑V與夾具底部基線垂直（以下簡稱豎直V路徑），刻蝕路徑長度均設(shè)計為0.5 mm，約為該振鏡掃描式紫外微納加工系統(tǒng)的理論加工焦深的一半．設(shè)定優(yōu)選的振鏡掃描激光刻蝕工藝參數(shù)：激光功率Power= 5W，重復頻率Ferq= 80 kHz，掃描速度υs= 200 mm / s．調(diào)節(jié)激光束入射角θ，在試樣表面加工出不同刻蝕路徑的短線段刻槽．通過光學顯微鏡、臺階輪廓儀以及掃描電子顯微鏡（SEM）對激光刻蝕線條的幾何尺寸、微觀形貌等進行分析測試，考察激光束入射角θ和振鏡掃描方向?qū)涛g線寬、線深和刻槽加工質(zhì)量的影響．

2 結(jié)果與分析

當激光束以入射角θ照射在試樣上時，圓形聚焦光斑在試樣上將畸變?yōu)闄E圓形，如圖3所示．

光斑形狀由圓形變?yōu)闄E圓形后，橢圓光斑短軸長度仍為原來圓形光斑的直徑D，橢圓光斑長軸長度D′和光斑面積S′的計算公式如下：

由此可知，D′和S′將隨著激光束入射角θ的增大而增大，并且該畸變量變化是非線性的．

采用帶標尺的光學顯微鏡精確測量激光束入射角θ對水平H路徑和豎直V路徑的刻蝕線寬和線長，結(jié)果如圖4所示．從圖中可以看出，入射角θ從5°到50°不斷增大，水平H路徑的刻蝕線寬逐漸增大，而線長逐漸減??；豎直V路徑的刻蝕線寬逐漸減小，而線長逐漸增大．這是因為垂直方向入射的激光束在傾斜平面上進行振鏡掃描激光刻蝕加工時，水平H路徑的理論刻蝕線寬將畸變?yōu)镈′，隨著激光束入射角θ的增大，理論刻蝕線寬將增大；對理論刻蝕線長而言，當輸入能量值一定時，束斑幾何面積的畸變?yōu)镾′，激光束斑能量密度將減小，從而使得刻蝕線長的變化趨勢和刻蝕寬度的恰好相反．同時，對于傾斜平面來說，D′始終比D大，所以水平H路徑的刻蝕寬度始終比豎直V路徑的大，相應的刻蝕線長始終比豎直V路徑的小．

圖3 激光束投影在斜面工件的聚焦光斑幾何畸變

圖4 激光束入射角對刻蝕精度的影響

采用臺階儀測量刻槽深度，得到激光束入射角θ與水平H路徑、豎直V路徑刻蝕深度的關(guān)系曲線，如圖5所示．結(jié)合圖3進行分析可知，隨著入射角θ的增大，水平H路徑和豎直V路徑方向的橢圓光斑面積都逐漸增大，這使得光斑的能量密度逐漸減小，所以在掃描速度不變的前提下，傾斜平面工件上的刻蝕深度均逐漸減小．采用臺階輪廓儀測得豎直V路徑的刻槽深度為4.3 μm，大于水平H路徑的刻槽深度3.7 μm，這是由于豎直V路徑的光斑軌跡運動方向是橢圓光斑的長軸方向，水平H路徑刻槽的光斑軌跡運動方向是橢圓光斑的短軸方向．顯然，對于刻蝕路徑H、V刻槽上的某一位置，所經(jīng)歷的激光輻照時間tH和tV存在如下關(guān)系：

圖5 激光束入射角θ對刻蝕路徑H、V的刻蝕深度影響

因此，豎直V路徑刻槽任意位置在相對較長的激光作用時間下，刻槽更深，同時物質(zhì)蒸發(fā)、重熔更充分，刻槽的重鑄層更厚，刻槽的側(cè)壁和底部形貌更為平整光滑，如圖6所示．

圖6 刻蝕路徑H、V刻槽的微觀形貌 (θ = 10°)

4 結(jié) 語

任何振鏡掃描激光刻蝕加工系統(tǒng)都有一定的加工焦深，在該焦深范圍內(nèi)，一般認為聚焦光斑的能量密度基本相同，振鏡掃描軌跡的加工質(zhì)量和精度也基本相同．本文以加工焦深限制范圍內(nèi)的傾斜平面模型來模擬工件表面的微觀不平坦狀況，對激光束以一定傾角入射工件表面的光斑畸變及其對刻蝕質(zhì)量的影響進行了研究，結(jié)果表明，激光束入射角越大，聚焦光斑的橢圓畸變量越大，激光束入射角的變化會引起光斑的能量密度和刻蝕工藝尺寸精度的相應變化；豎直刻蝕路徑刻槽任意位置在激光相對較長時間的作用下，刻槽更深，物質(zhì)蒸發(fā)、重熔更充分，刻槽的重鑄層更厚，刻槽的側(cè)壁和底部形貌更為平整光滑．

本研究結(jié)果揭示了激光束入射角對激光刻蝕加工質(zhì)量的影響機理，為設(shè)計超精密激光刻蝕加工系統(tǒng)、探索工藝參數(shù)補償機制提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．

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Influence of Laser Beam’s Incident Direction on the Process Quality of Galvanometer Scanning Laser Ablation

HU Xuelin, CAO Yu, LI Fengping
(School of Mechanical & Electrical Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

By using an inclined plane model within the limit of depth of focus to simulate the uneven condition of the workpiece surface, influences of laser beam incident direction on the process quality of galvanometer scanning laser ablation are studied theoretically and experimentally. The result shows that the elliptical shape distortion of focal spot will deteriorate with the increase of the laser beam incident angle to the workpiece surface normal direction, which causes the disparity of process quality in different galvanometer scanning directions. The horizontal galvanometer scanning path has a greater ablation width but smaller ablation length compared with the vertical path. The laser irradiation duration time in vertical galvanometer scanning path is relatively longer, which makes evaporation and remelting in the laser ablation process fully completed, thus leads to higher ablation depth, thicker metal recast layer, and more smooth side wall and bottom micro topography.

Galvanometer Scanning; Laser Ablation; Spot Distortion; Depth of Focus; Incident Angle

TN249

A

1674-3563(2014)01-0058-05

10.3875/j.issn.1674-3563.2014.01.009 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：王一芳)

2013-08-19

國家自然科學基金(51005083；51375348)；溫州市重點創(chuàng)新團隊項目（C20120002）

胡雪林(1989- )，男，浙江杭州人，碩士研究生，研究方向：激光加工工藝．? 通訊作者，yucao@ wzu.edu.cn