玻璃飞秒激光GHz脉冲钻孔的进展： 脉冲串形状和持续时间的影响

飞秒GHz脉冲模式激光加工在过去几年备受关注。在本研究中，我们将介绍在玻璃中自上而下钻孔的最新成果，特别关注了脉冲串持续时间和形状对钻孔速度和钻孔质量的影响，其中可以获得内表面光滑亮泽的高质量孔。研究表明，脉冲串内的能量分布递减可以提高钻孔速度，但与能量分布递增或持平的钻孔相比，钻出的孔在较低深度就会饱和，而且质量较差。此外，本研究还深入分析钻孔过程中可能出现的与脉冲串形状有关的现象。

本研究实验使用了一种工业激光系统，即Amplitude公司生产的改进型Tangor 100激光系统，该系统可在1030nm波长上产生脉冲持续时间为530fs的脉冲。这种灵活的激光系统可以精确优化钻孔参数，如脉冲串重复率、脉冲串能量、每次脉冲串的脉冲数和脉冲串形状。

在这项研究中，我们研究了脉冲串内的脉冲数和脉冲串形状对钻孔性能的影响。从实际角度来看，激光放大器的增益损耗会导致脉冲串期间出现不均匀的强度曲线，如图1所示，既有示意图（a），也有使用示波器（Tektronix的光电二极管EOT-3500和示波器MSO70404C）测量的光电二极管信号截图（b）。

 

图1：经典脉冲串（a、b），递减脉冲串（c、d），递增脉冲串（e、f），平缓脉冲串（g、h）的示意图和测量形状

 

如图1所示，除了经典的脉冲串形状外，我们还可以利用这种技术设计出3种不同的脉冲串形状：递减脉冲串形状（c、d），递增脉冲串形状（e、f）以及扁平脉冲串形状（g、h）。经典脉冲形状的每个脉冲数分别设置为36、70、100、130和160个，其他三个脉冲数分别设置为50和100个。

选择这些脉冲串形状的原因如下。选择递减脉冲形状是为了确定在脉冲开始时较高的能量脉冲是否能优化材料的加热过程，从而优化钻孔过程。选择递增脉冲形状也是为了确定，脉冲开始时的低脉冲是否能通过更缓慢地加热材料，并保持合理的烧蚀率来提高钻孔的整体质量，同时在脉冲结束时使用高能量脉冲。

在所有实验中，脉冲串内重复率均设定为1.28千兆赫，从而产生数纳秒的脉冲串。通过这些参数，可以达到与热扩散时间相同数量级的时间尺度，并在整个迸发持续时间内对热积累进行控制。在这些实验中，研究人员选择了相当低的迸发重复率（1千赫），因为之前的一项研究表明，重复率超过10千赫会对某些玻璃产生有害的副作用，尤其是钠钙玻璃，高重复率会导致孔周围出现大面积热影响区。

在更高的重复率下，可能会出现新的现象，导致反效果，因为玻璃可能会达到软化温度，并在自身重量的作用下坍塌，从而堵住刚刚钻好的孔。此外，玻璃还可能因高温而发生化学分解和气体释放，并伴有气泡出现。

 

图2：用于钻孔实验的实验装置蓝图

利用三丰精密量仪的Plan NIR Apo 5倍显微镜物镜在不同玻璃表面聚焦高斯光束钻孔，测得光斑尺寸为9.3微米（1/e²直径），有效数值孔径为0.14。光斑尺寸是使用自制的校准放大系统测量的，不确定度为±0.64微米。如图2所示，借助一台Basler CMOS俯视照相机、一束白光和几个二向色镜，可以通过聚焦物镜观察并准确设定不同玻璃样品前表面的激光焦点位置。

 

图3：在钠钙中以36ppb（a）、70ppb（a）、100ppb（c）和130ppb（d）的脉冲能量分别进行300次、400次和500次脉冲，以及在熔融石英中以36ppb（e）、70ppb（f）、100ppb（g）和130ppb（h）的脉冲能量分别进行经典脉冲形状和172 µJ脉冲能量钻孔的显微镜图像

在钻孔过程中，研究人员还使用了一个侧视系统。该系统由一个发射波长为520纳米的绿色二极管和一个Basler相机（Basler acA1920-25mu）组成，后者配有一个520纳米带通滤光片，以便直接观察样品，而不会被加工激光波长所遮挡。聚焦头安装在Z电动平台（VP25X，MKS ）上，而样品则固定在XY电动单片平台（One-XY60，MKS）上。

XYZ平台和激光门由DMCpro软件（Direct Machining Control，立陶宛维尔纽斯）控制。后者配备了自动对焦功能，可将对焦位置精确到几微米，从而降低了定位的不确定性，使所有钻孔实验都能达到相同的条件。工作站有一个花岗岩底座和龙门架，确保了实验的高稳定性和出色的重复性。光学测量显微镜（MF-B1010D，三丰）用于原位成像，可实现孔深和孔径的高精度测量，精度为±2.2µm + 0.02L，L为测量长度，单位为毫米。

 

结果与讨论

◆脉冲持续时间的影响
研究人员研究了在钠钙和熔融石英样品上施加1-10000次脉冲时，孔深度随脉冲次数变化的情况。图3展示了这两种材料在脉冲能量为172µJ、脉冲重复率为1kHz、脉冲内重复率为1.28GHz的条件下，采用300次脉冲、400次脉冲和500次脉冲的经典脉冲形状所产生的孔洞。

这些图像是通过20倍显微镜拍摄的。在这项研究中，我们观察到焦点的位置是一个关键点。如果焦点位于表面下哪怕不到10微米的位置，产生的孔洞就会出现裂缝，样品表面也会受到严重影响。这些图像上的孔洞，无一例外都呈现出极佳的质量。

以清楚地观察到，使用标准重复单脉冲飞秒技术所获得的孔洞的形态非常不同。事实上，这两种材料的孔洞都是圆柱形的，内表面非常光滑，熔融石英的内表面甚至非常光亮。此外，还可以注意到孔洞周围没有热影响区。在钠钙材料的图像中，可以分辨出一些内壁结构，但顶端依然光滑。这些图像证明，脉冲串内的脉冲数不会影响孔洞的总体形态。

然而，在300到500个脉冲串的范围内，我们可以观察到，每个脉冲串的脉冲数越多，深度似乎就越大、这与参考文献中的结果相吻合。这一观察结果证明，脉冲串越多，累积机制越强，能量使用也就越优化。

 

图4：钠钙（a）和熔融石英（a）在脉冲能量为172µJ的10000次脉冲之前，孔深度随脉冲次数的变化情况。右下角的插页是用黑色虚线矩形框划出的图表第一部分的放大图

图4显示了钻孔深度在整个钻孔时间范围内的变化情况。该图没有显示深度测量的不确定性，因为其值可以忽略不计（低于±5µm）。此外从这些图表中，还可以确定所有配置的钻孔过程都有三个不同的阶段：表面烧蚀，局限烧蚀，烧蚀终止，即钻孔深度达到饱和。

图4清楚地表明，对于经典的和扁平的脉冲串形状，每个脉冲串的脉冲数以及脉冲串内的能量分配对钻孔速率和可达到的最大钻孔深度有直接影响。事实上，图4上的缩放显示，每脉冲串脉冲数越多，钻孔速度越快。然而，随着每次脉冲串数的增加，钻孔深度会在较低值时达到饱和。

我们注意到，对于超过70个脉冲的脉冲串，脉冲串内每个脉冲的能量都低于两种材料的烧蚀阈值，然而，钻孔仍然是可观察到的。后一点证明，由于高爆发内重复率，这种特定的消融方案依赖于热积累。

 

表1：在钠钙和熔融石英中，经典脉冲形状（36ppb至160ppb）和每次脉冲50个脉冲的扁平脉冲形状下，脉冲能量为172 µJ时的钻孔速率和可达到的最大深度

此外，我们还观察到，50ppb的扁平脉冲在饱和时的烧蚀深度要高于36ppb的经典脉冲形状下的烧蚀深度，这证明能量得到了更好的利用。表1总结了脉冲能量为172µJ时的钻孔速率和从深度测量（斜率）中提取的最大孔深，其中速率1对应于表面烧蚀，速率2对应于饱和前的封闭烧蚀。

受限消融速率明显低于表面消融速率，这可能意味着在受限消融的情况下，由于更密集的消融羽流而产生屏蔽效应。事实上，在钻孔过程的前十分之一微米，羽流可以在空气中自由膨胀，从而形成低密度羽流，但一旦钻孔更深，羽流就会变得更密集，羽流开始与钻孔内壁相互作用。

当每次脉冲串的脉冲数从30增加到160时，钠铝的表面烧蚀速率加倍。关于熔融二氧化硅，本研究观察到钻孔速率增加的相同趋势，并且在每次脉冲串160个脉冲时可以看到一个有趣的点。对于这种特定的配置，没有清晰可见的钻孔，因为由于熔融二氧化硅的烧蚀阈值较高，并且尽管存在累积状态，突发内的单个脉冲能量可能不够高。对于约200µJ的脉冲能量，在包含160个脉冲的经典脉冲中观察到清晰的钻孔（本文中未给出结果）。

有趣的是，在两种材料中达到的最大钻孔深度具有相同的数量级，尽管熔融二氧化硅呈现出比钠铝高得多的带隙（钠铝为3.9eV，熔融二氧化硅为9.0eV），因此具有更高的烧蚀阈值（钠铝2.9 J/cm²，熔融二氧化硅3.6 J/cm²）。

 

图5：用200µJ的100脉冲GHz脉冲串在钠钙中钻孔的显微镜图像，脉冲串形状递减时（a）、脉冲串形状递增时（b）和脉冲串形状持平时（c），脉冲串数量在200至800之间

图6：钠钙中孔洞深度的变化与3种脉冲串形状下施加在样品上的脉冲串数量的函数关系，脉冲串为100个脉冲，脉冲串能量为200µJ

我们认为，出现这种现象是由于孔的内壁质量不同造成的。事实上，熔融石英具有光滑的内壁，反射系数高，散射损耗极小，这使得激光束能更好地传输到孔的顶端。这样，激光束就能更好地传输到孔的顶端。

◆脉冲形状的影响
在本部分中，我们将介绍增大脉冲、减小脉冲和扁平脉冲在钠钙合金钻孔过程中的区别。请注意，本部分没有研究经典的脉冲形状，因为其行为与递减脉冲非常接近，结果如图1所示。

我们将每个脉冲串的脉冲数固定为100，脉冲串能量固定为200 µJ。脉冲串整形过程需要一定数量的脉冲才有意义；对于较短的脉冲串，脉冲串整形没有明显效果，因为它需要在上升沿和下降沿上都有一定数量的脉冲。由此产生的孔洞如图5所示。

这些图像是用安装在光学显微镜上的10倍物镜拍摄的。在图5中，可以再次观察到增大（b）和扁平（c）脉冲形状的孔，质量非常好。对于递减脉冲形状，深度的增加似乎比其他两种形状更快。然而，对于这种迸发形状，孔的内壁周围会出现一些裂缝，并伴有高能量脉冲迸发。图6展示了3种配置下深度与应用于样品的脉冲串数量的函数关系。

从图中可以看出，脉冲形状对钻孔动态有明显的影响。从图中提取的钻孔速率以及每种配置的平均饱和深度汇总于表2。该表显示，递减配置的表面烧蚀率（速率1）远高于其他两种配置。这是因为脉冲串的第一个脉冲比其他两个配置的脉冲携带更多的能量。因此，第一个脉冲对材料的加热会太快，这将导致钻孔过程与MHz脉冲串机制非常相似，从而导致高烧蚀率。

 

表2：在脉冲能量为200µJ的情况下，100脉冲GHz脉冲串递减、持平和递增时的钻孔速率和达到的最大深度

另一方面，在脉冲开始时，较高的强度可能会导致等离子体更快地积累，从而产生更高的屏蔽效应，在这种情况下，饱和会更快出现。此外，脉冲内第一批脉冲的能量相对较高，无法充分利用累积GHz脉冲机制，这与包含少量高能量脉冲的脉冲烧蚀实验类似。这是因为低能量脉冲会缓慢加热材料并产生烧蚀孵化和低屏蔽效应，而在脉冲串末端到达的高能脉冲则会改善材料从孔中喷射出来的情况。

最后，我们可以看到，扁平的脉冲形状可以钻出更深的孔，但却牺牲了烧蚀率（速率2）。这种配置似乎是一个很好的折衷方案，因为它同时受益于前面两种脉冲形状的优点。相对较低的第一个脉冲的能量相对较低，能缓慢加热材料，产生低屏蔽效应，而最后一个脉冲的能量相对较高，能诱导有效的烧蚀，从而钻出更深的孔。

 

图7：在钠钙中钻孔的显微镜图像，钻孔时间为1秒，迸发100个脉冲，迸发能量为200µJ，迸发形状为递减形（a）、递增形（b）和扁平形（c）

图7显示的是钻孔时间为1秒（即1000次爆破）时孔的全深度图像。这些图像证实，尽管使用的脉冲能量相当，但孔的质量取决于脉冲形状的配置。在脉冲形状递减的情况下，孔比其他两种配置的孔深得多；这是因为在使用1000次脉冲时，3种脉冲形状都没有达到饱和深度。不过，可以清楚地看到出现了多条裂缝，而且整体形态正朝着MHz脉冲钻孔的方向发展。

需要注意的是，渐增的脉冲串形状似乎产生的裂纹较少，因此孔的质量也最好，这可能是因为最开始的脉冲携带和沉积的能量较低。

 

结论

研究了在玻璃中自上而下冲击钻孔时，每次脉冲数的影响以及随着脉冲次数增加而产生的脉冲形状。研究结果表明，每次脉冲的脉冲数对孔的形态和质量影响不大。然而，短脉冲串会产生较深的孔，而较多的脉冲串会产生较高的钻孔速率，但孔的深度会受到影响。

此外，为了克服累积机制中的钻孔阈值，必须提高长脉冲串的脉冲串能量，这取决于材料。本文还进一步研究了脉冲形状对钻孔结果的影响，在保持脉冲能量不变的情况下，使用了3种不同的脉冲形状，即递减脉冲、扁平脉冲和递增脉冲。

换句话说，脉冲串内的能量分配是变化的。研究表明，与其他脉冲串形状相比，递减的脉冲串形状具有更高的表面烧蚀率，可以在牺牲钻孔质量的情况下实现快速钻孔。这种脉冲串形状适用于有限深度的钻孔，并能容忍一定程度的质量下降。

相反，扁平的脉冲形状表面烧蚀率最低，但钻孔质量好，可达到最大的钻孔深度。这种脉冲形状适用于要求最大钻孔深度和良好钻孔质量的应用。最后，增大的脉冲形状应作为一种折中方案来实施，因为它能提供更好的深孔质量，而且烧蚀率明显高于扁平脉冲，但却牺牲了达到最大孔深的能力。

在这项研究中，我们提出了不同的激光参数，如每次脉冲串的脉冲数和脉冲串内的能量分配，并表明这些参数会导致不同的钻孔结果；对这些参数的精确控制使我们能够获得已知深度和质量的孔。总之，这项研究为共同了解使用GHz脉冲串的激光加工做出了重要贡献，并证明了其在电介质材料的工业精密微加工方面的巨大潜力。

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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