Experiments of high frequency laser cutting of chemical vapor deposition diamond with large cutting depth

高频激光对化学气相沉积金刚石的大切深实验 Experiments of high frequency laser cutting of chemical vapor deposition diamond with large cutting depth 1 corresp first-author E-mail： wji@nimte.ac.cn E-mail： wji@nimte.ac.cn 王　吉（1989-），男，浙江宁波人，硕士，高级工程师，2012年、2014年于哈尔滨工业大学分别获得学士、硕士学位，主要从事高功率激光器及激光精细加工的研究。E-mail： wji@nimte.ac.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24421187&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24421192&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24421189&type= 22.01332855 32.00401306 王　吉 （1989-），男，浙江宁波人，硕士，高级工程师，2012年、2014年于哈尔滨工业大学分别获得学士、硕士学位，主要从事高功率激光器及激光精细加工的研究。E-mail： wji@nimte.ac.cn wji@nimte.ac.cn 1 2 章　鹏（1993-），男，安徽霍山人，工程师，2016年于安徽省皖西学院获得学士学位，现为宁波大艾激光科技有限公司生产部主管，主要从事激光加工及相关设备的研发工作。E-mail： shiyinist@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24421196&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24421202&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24421199&type= 22.01332855 32.00400543 章　鹏 （1993-），男，安徽霍山人，工程师，2016年于安徽省皖西学院获得学士学位，现为宁波大艾激光科技有限公司生产部主管，主要从事激光加工及相关设备的研发工作。E-mail： shiyinist@163.com shiyinist@163.com 1 1 1 中国科学院 宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 315201 中国科学院 宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 315201 Ningbo Insitute of Materials Technology and Engineering， Chinese Academy of Sciences， Ningbo 315201， China Ningbo Insitute of Materials Technology and Engineering， Chinese Academy of Sciences， Ningbo 315201， China 宁波大艾激光科技有限公司，浙江 宁波 315201 宁波大艾激光科技有限公司，浙江 宁波 315201 Ningbo Da'ai Laser Technology Co.， Ltd， Ningbo 315201， China Ningbo Da'ai Laser Technology Co.， Ltd， Ningbo 315201， China 为了提高化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）金刚石的切深，采用新型的声光调制高重复频率激光器，研究了激光功率、焦点位置、激光重复频率、切割线速度以及激光横膜模式对CVD金刚石切缝宽度、切深以及表面粗糙度的影响。研究结果表明：切深和切缝上表面宽随着激光功率的增大而增大；焦点位置随切深的变化下移，可获得最大切深；重复频率的增大伴随着切深的减小和切缝上表面宽的增大；表面粗糙度随着切割线速度的增大先缓慢减小后显著增大；切缝上表面宽随着模式数的增多而增大。综合切深、缝宽和效率，最后在输出基横模下激光功率为12 W，重复频率为6 kHz，切割线速度为1 500 mm/min，焦点位置始终位于切割凹面，获得了效率最快、质量最好的结果，即单向切深最大可达7.2 mm，切面表面的粗糙度为0.804 µm，切缝上表面宽度为350 µm，满足在低切面表面粗糙度下获得CVD金刚石大切深的要求。 To improve the cutting depth of chemical vapor deposition （CVD） diamond， the effects of laser power， focus position， repetitive frequency， scanning speed， and transverse mode on the width of cutting seam， cutting depth， and roughness of CVD diamond was used to achieve a novel high repetition rate laser with acousto-optic modulation. The results show that the cutting depth and width of upper kerf increased with the increase in laser power； the maximum cutting depth was obtained when the focus was moved down along with cutting depth； the cutting depth decreased and the width of upper kerf increased with an increase in repetition frequency； with the increase in cutting speed， the surface roughness decreased slowly and increased significantly subsequently； the width of upper kerf increased with the increase in the number of laser modes. The best result is obtained with a unidirectional cutting depth of 7.2 mm， surface roughness of 0.804 μm， and kerf’s width of 350 μm， while the laser power is 12 W， repetition frequency is 6 kHz， cutting speed is 1 500 mm/min， and the focus position is located on the concave surface. Hence， a large cutting depth of CVD diamond with low surface roughness is achieved. 激光切割 化学气相沉积金刚石 高频激光 缝宽 切深 表面粗糙度 laser cutting chemical vapor deposition diamond high repetition rate laser width of cutting seam cutting depth surface roughness 1 引　言 1 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）金刚石具有高硬度、高耐磨性、高导热率等特性，在硬质刀具、高功率光电散热、光学窗口以及人造钻石等领域有着很好的应用 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。目前，切割金刚石的主要方式有水刀切割、电火花切割和激光切割。激光切割的过程为脉冲激光与金刚石表面的二级作用，光子以双光子或多光子的方式与金刚石晶格作用，首先高功率激光束使材料聚焦处表面发生石墨化，之后石墨化的表面在下一束脉冲激光的作用下石墨化表面升华 ［ 4 4 - 5 5 4-5 ］ 。从原理上可以看出，激光切割具有较其他方式独特的优势，即无接触式加工、效率高、切缝小、热影响区域小等优点 ［ 6 6 - 7 7 6-7 ］ ，是最理想的金刚石加工方法之一。 当然，国内外科研人员对激光切割CVD金刚石或金刚石膜以及工艺规律已经进行了大量研究 ［ 8 8 - 11 11 8-11 ］ 。2003年宁夏机械研究院采用百微秒的45 W多模激光获得1 mm后的切割深度 ［ 12 12 ］ ，2019年温州大学采用200 ps的激光进行切割工艺研究 ［ 13 13 ］ ，2020年德国不来梅大学研究皮秒激光对CVD金刚石的大深度切割实验 ［ 14 14 ］ 。在这些研究中，前期流行采用灯泵浦方式的长脉冲激光作为切割光源，后期流行采用超短脉冲激光作为切割光源。前者的特点是输出激光重复频率低、脉冲宽度宽，一般的重复频率在10~100 Hz之间，脉冲宽度在100 µs左右；后者的特点是输出激光重复频率极高、脉冲宽度超短，一般的重复频率在几十kHz以上，脉冲宽度小于1 ns。目前的研究集中在薄膜或较浅深度CVD金刚石的切割工艺上，尚未涉及大于10 mm的超大深度切割工艺。 国内人造金刚石的生产技术已日益成熟，如宁波晶钻科技公司已能够批量生产截面尺寸大于10 mm×10 mm的大单晶金刚石。为了方便对此类大单晶金刚石的二次制备且考虑金刚石的造价不菲，首先需将大单晶金刚石进行低损切割，而激光切割便是首选。 本文采用由声光调制方式获得的高重复频率窄脉宽激光对CVD金刚石进行大切深的切割工艺研究，其平均功率大于超短脉冲激光，同时峰值功率较长脉冲激光又能提高2~3个数量级。通过实验系统地探究了5种工艺参数对CVD金刚石切缝宽度、切深以及表面粗糙度的影响规律，分别为激光能量、重复频率、焦点位置、切割线速度以及激光横模模式，并分析不同参数对结果变化的影响原因，从而得到最优的切割工艺参数。 2 实验装置 1 实验中，研究目标CVD金刚石块的切割截面为10 mm×10 mm，要求切缝细长且深，需要激光器具有更高的峰值功率，且增加激光与物质的作用频率。切割设备为宁波大艾激光科技有限公司自主研制的DLC-P20，设备采用声光调制型高重频纳秒激光器，实验装置示意图如 图1 图1 所示。其中，激光器输出光束经过扩束准直系统后再聚焦，CVD金刚石固定在平移台上，随平移台沿着箭头方向来回移动，实现多次往复逐层的大深度激光切割。 3 实验结果对比与分析 1 实验通过改变激光能量、重复频率、焦点位置、切割线速度以及激光横膜模式，研究这些参数对CVD金刚石切深、切缝宽度以及表面粗糙度的影响，得出最佳的工艺参数。实验结果由KEYNENCE公司型号为VK-X210的共聚焦显微镜以及Dino-LiTe公司型号为Am7915MZY数字显微镜表征。 3.1　激光功率对工艺结果的影响 2 输出单模激光，设重复频率为6 kHz，切割线速度为1 500 mm/min，焦点位置随着切割深度的增加而变化，通过改变泵浦能量来改变输出激光的平均功率，平均功率由COHERENT公司型号为PM30的激光功率探头和型号为FieldMaxII-TOP的激光功率表头测量，实验结果如 图2 图2 所示。 如 图2 图2 所示，提高激光功率能有效增大切割深度，同时伴随着切缝宽度的增大及效率的提升，因为激光功率的增大使材料表面的热熔损伤加强，单次脉冲的切割能力加大。在最大输出功率为12 W时，切割深度为7.2 mm，切缝上表面宽为350 μm，宽深比为20.5∶1。 3.2　焦点位置对切割深度的影响 2 采用激光功率为12 W，重频频率为6 kHz，切割速度为1 500 mm/min，改变焦点位置进行切割，探究焦点位置对切割深度的影响。方案一：焦点位置始终位于金刚石上表面；方案二：焦点始终位于距离金刚石上表面下方3.6 mm（根据实验一的切深来设置）处；方案三：焦点位置随着切割深度的增加而逐渐下移，保持焦点始终位于切割凹槽底部。3种方案的切割效果如 图3 图3 所示。 方案一，采用能量密度最低的发散光进行切割，切割效率和深度最差；方案二，采用一半会聚一半发散的形式，较方案一效果更好，由于切口呈半闭口式，不利于压缩气体辅助吹气将切割形成的粉末和残渣带出，从而易沉积在底部的凹槽内，影响后续激光对材料的作用；方案三，采用会聚光焦点切割，焦点始终保持在切割底面，具有最高的能量密度，且开口式切缝有利于压缩气体辅助带出切割形成的粉末和残渣，因此能获得最大的切割深度及最高的效率。3种方案的切割时间均为16 min，实验结果见 表1 表1 。 Method Deep of Cutting/ <math id="M1"><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">m</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24421238&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24421235&type= 5.07999992 2.37066650 Width of upper surface of cutting seam/µm Width of bottom surface of cutting seam/µm Scheme I 4.3 300 230 Scheme II 5.8 328 158 Scheme III 7.2 350 83 对比 表1 表1 可知，方案三最优。当切深为7.2 mm时，金刚石上表面的光斑直径为0.21 mm，是焦点处的4倍，能量密度为焦点处的1/16，约为5.78 J/cm 2 （对应单脉冲能量2.0 mJ），接近CVD单晶金刚石的热损伤阈值 ［ 5 5 ， 15 15 ］ 。随着深度的增加，上表面能量密度小于热损伤阈值，达到切割极限。 3.3　激光重复频率对工艺结果的影响 2 采用1 500 mm/min的线切割速度，焦点位置随着切割深度的增加而变化，改变重复频率为1~20 kHz，在不同重复频率下进行切割实验，材料切割上表面的缝宽测量结果如 图4 图4 所示，采用Dino-LiTe公司的Am7915MZY显微镜进行测量。图 4（a） 4（a） ~ 4（e） 4（e） 分别为重频在1，6，10，15，20 kHz时的测量结果。 激光重复频率的增大意味着相同时间内有更多的激光脉冲作用于材料表面，并且随着重频的增加输出模式更靠近连续光 ［ 16 16 - 17 17 16-17 ］ ，对过烧或熔损现象的抑制能力降低，如 图5 图5 所示，切缝上表面宽度随着重频的增大而增大，而切缝越大对材料的利用率越低，不可取。切割深度曲线呈山峰状，当重频为6 kHz时切深最大，降低或增大重频则切深均减小。这是由于增大重频导致激光单脉冲能量和峰值功率密度下降，降低了每一个脉冲的加工量及能力，使得在更小光斑时便达到CVD单晶金刚石的烧蚀阈值，即切深变浅；随着单脉冲能量和峰值功率密度的增长，当其等于材料等离子体点燃阈值时，切割能力最强；此后，随着重频继续降低（小于6 kHz），单脉冲能量和功率密度不断增长，在1 kHz时，激光峰值功率密度达到7.93 GW/cm 2 ，强激光诱导粉尘材料产生等离子体，等离子体产生屏蔽作用，激光能量传输效率被减弱，导致切深反而减小。综上所述，6 kHz为最佳工作重频。 3.4　切割线速度对切面表面粗糙度的影响 2 焦点位置随着切割深度的增加而变化，改变切割线速度获得的实验结果如 图6 图6 所示。 步长公式为： <math display="block" id="M2"><mi>d</mi><mrow><mrow><mo>=</mo><mi>ϑ</mi></mrow><mo>/</mo><mrow><mi>f</mi></mrow></mrow></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24421282&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24421279&type= 11.34533310 4.14866638 ， 其中： <math id="M3"><mi>ϑ</mi><mi mathvariant="normal">为</mi><mi mathvariant="normal">切</mi><mi mathvariant="normal">割</mi><mi mathvariant="normal">线</mi><mi mathvariant="normal">速</mi><mi mathvariant="normal">度</mi><mo>,</mo><mi>f</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24421291&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24421287&type= 27.17799950 3.97933316 为激光重复频率。减慢切割线速度从而缩短激光脉冲步长间距，提高切割激光孔的重叠连续性，使得切割断面更光滑。由 图6 图6 可知，当切割线速度在300~1 000 mm/min时，表面粗糙度控制在0.65 µm之内，变化趋势平稳且略有减小，这是由于过于密集的光斑重叠率形成对于同一处的多次激光作用，较强的热效应带来过烧现象，表面粗糙度改变；当切割线速度超过800 mm/min时，表面粗糙度开始明显更大。综合考虑效率因素，过低的切割速度不利于实际应用，故最佳切割线速度为1 500 mm/min，此时表面粗糙度达0.804 µm。 3.5　激光横模模式对工艺结果的影响 2 调制激光器的输出模态为多横模和基横模。保持功率相等，两种模式下分别进行切割实验，结果如 图7 图7 所示。基模下切缝小，因为横模阶数越高，光强分布越复杂且光束发散角随着横模序数的增大而增大，获得的聚焦光斑也成倍增长。因此基模下切缝上表面和下表面宽度更小，切割精细程度也越高。 综上所述，能获得超大切割深度的最优工艺参数为：基横模下，重复频率6 kHz，输出功率12 W，切割线速度1 500 mm/min，焦点位置随着切割深度的增加而逐渐下移，保持焦点始终位于切割凹面。此时能达到单面7.2 mm的切割深度，切面表面粗糙度为0.804 µm，切缝上表面宽度为350 µm。将金刚石材料进行180°翻转即能实现超过10 mm的切深。 4 结　论 1 本文系统地探究了激光功率、焦点位置、重复频率、切割线速度以及激光横模模式对CVD金刚石切缝上表面宽度、切深以及切面表面粗糙度的影响。研究表明：切深和切缝上表面宽度随着激光功率的增大而增大；焦点位置随切面深度的变化而变化，始终保持在切割凹面上，此时获得的切深最大；切缝上表面宽随着重复频率的增大而增大，而切深表现为先缓慢增大后逐渐下降，在6 kHz时切深最大；表面粗糙度随着切割线速度的增大先缓慢减小，当切割线速度超过800 mm/min后，表面粗糙度明显增大；切缝上表面宽随着模式数的增多而增大。综合切深、缝宽和效率，在输出基横模下，激光功率为12 W，重复频率为6 kHz，采用1 500 mm/min的切割线速度，焦点位置始终位于切割凹面，获得了效率最快、质量最好的加工结果，单向切深可达7.2 mm，切面表面粗糙度为0.804 µm，切缝上表面宽度为350 µm。 参考文献 卢文壮 ， 杨斌 ， 冯伟 ， 等 . 应用CVD金刚石涂层工具研磨单晶蓝宝石 ［J］. 光学 精密工程 ， 2016 ， 24 （ 3 ）： 540 - 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