岳端木 孙会来 杨 雪 孙建林

(天津工业大学机械工程学院 天津 300387)

引言

激光技术于上世纪问世以来在几十年间得以飞速发展，飞秒激光以其脉冲宽度超短、峰值功率超高等特性，几乎可以适用于加工任何材料。在与材料作用时，由于脉冲持续时间极短，能量来不及传递到周围，从根本上抑制了热扩散；另外其超高光强可以在电介质材料内诱导形成多光子吸收，突破材料的衍射极限，获得比焦点尺寸更小的作用区域。基于以上因素，飞秒激光在加工金属、非金属和半导体等材料时具有精度高、阈值效应明显、极小化热影响区、极小化重铸层[4]等特点，在高深径比微孔加工领域展现出巨大的优势。

飞秒激光微孔加工是一个非线性并且不稳定的过程，这个过程会受到诸多因素的影响。受限于加工工艺和激光本身的影响，现阶段微孔加工效率一般较低，微孔质量和精度离理想状态还有一定距离。在实际加工时，不仅激光的参数会影响微孔的加工质量、效率以及成本，更需要根据材料的特性和对微孔各方面的要求，综合选择合适的加工方法。如何采用一些辅助手段来提高加工精度，改善加工质量一直是各机构研究的热点问题。现阶段主要有在真空中打孔、吹气辅助打孔、液体辅助打孔、化学刻蚀辅助微孔加工和超声辅助微孔打孔等方法。本文综述了近年来国内外学者对各方法的研究进展，分析了各方法的优势和存在的问题，并指出今后的发展方向。

一、飞秒激光微孔加工工艺技术

随着现代化设备设计要求和制造水平的提高,对于符合其要求的微孔结构的尺寸、精度、质量以及成本也有了新的标准。现有技术已经很难满足不同场景的需要，这无疑制约了激光微孔技术的发展和应用。如何加工出符合要求的高深径比微孔成为需要迫切解决的问题。为了解决这些问题，需要不断探索新的加工工艺。

(一)气体辅助加工

在众多方法中，空气中直接打孔的方式由于简单、直接且不需要辅助设备被广泛使用。但由于激光束的作用时间极短，作用区域内的空气来不及排出，容易在加工表面形成气孔，所以一些人考虑在真空环境下进行加工。与直接在空气中打孔相对比，真空环境下加工产生的等离子体更容易排出，激光能量更容易作用到微孔底部，对微孔的质量和深径比都有很大程度上的提升。

在进行高深径比的飞秒微孔加工中，部分材料会由于自由电子的大量电离转变为等离子体，这部分等离子体会屏蔽大部分激光能量，影响打孔的深度和效率。为解决加工过程中产生的残余物，可以采用辅助吹气的方法，并且这一方法可以起到冷却的作用，有利于减小热影响区。

(二)液体辅助加工

考虑到微孔受热辐射产生变形以及孔内残余物的去除问题，有学者研究了激光水下加工和水导激光加工技术。水下加工将工件置于水层中，水可以降低空气对激光的影响；水的流动以及微孔的毛细作用可以在一定程度上带走孔中的加工残余物；水的冷却作用带走了加工产生的残余热，有效降低热效应并且减小重铸层，这些都可以在一定程度对微孔造成积极影响。2018年，ZHOU等分别在空气与水辅助环境下在氧化铝陶瓷上进行打孔实验。结果表明，水辅助激光钻孔避免了材料的再次粘附，并且对消除重铸层、减小微孔锥度也有积极作用。WATANABE等在水环境中将焦点从玻璃底部开始移动，避免了加工过程中激光对微孔的重复作用。2019年，ZHU等发现液体表面的水膜会对激光造成再反射使其再次作用到孔壁上，进一步提升了激光的作用率。

但由于液体对激光的折射作用，激光焦点会在加工过程中产生偏移，从而影响微孔精度，这对精密仪器来说是致命的缺陷；并且由于水束尺寸的制约和激光功率密度的问题，也影响了该技术的实际应用。水导激光技术还需要向着尺寸更小、精度更高、功率更大的方向发展，围绕激光与水射流的耦合机理以及工艺参数优化等问题也有待更深一步的研究。

(三)化学刻蚀辅助加工

飞秒激光辅助湿法刻蚀在透明介质三维结构加工中具有很大的优势。飞秒激光照射到材料表面，当脉冲通量达到材料的烧蚀阈值时，加工表面会发生改性使之更容易发生反应，然后使用化学溶液对加工进行刻蚀形成微结构。在湿法蚀刻工艺中没有加工残留物，有利于激光束的传播和作用，大大降低了微孔被阻塞的几率，提高了微孔的深径比，对加工表面的光洁程度也有很大程度上的提高。

化学刻蚀会使加工区域产生改性，利用该方法制备的材料会得到独特的性能。但目前对于飞秒激光与透明介质相互作用的机理研究还不够深入；对于加工精密传感器的精度和质量问题还需要考虑如何更深层的优化激光参数和腐蚀工艺参数。

二、结束语

近年来，飞秒激光器正不断向着智能化、集成化、小型化等方向发展。但是飞秒激光的作用机理还未形成统一的理论，通过对飞秒激光与物质作用过程的模拟和建模，能够更好地分析影响加工质量的各种因素。但微孔的加工过程涉及到材料性质、光学属性、物理性能等多方面因素，这些模型的使用都具有一定的限制条件，并不能完整的解释整个加工过程，这对激光微孔加工技术的提高造成了阻碍，也影响了激光微纳加工技术的进一步发展。因此亟需建立一个能够全方面诠释飞秒激光加工机理的模型，为激光微孔技术的发展和应用提供有力支撑，并将实验与理论相结合，不断完善其理论模型。