短波长激光抛光蓝宝石晶体的机理研究

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1、摘要蓝宝石单晶体是重要的光学元件、半导体衬底材料，广泛应用于工业、国防和科研等领域。但是蓝宝石硬度高、化学稳定性好，难以用机械化学抛光等接触式方法抛光。因此激光抛光是有望代替接触式抛光蓝宝石的抛光方法之·。本文作者在总结其他学者对激光抛光机理以及激光加工蓝宝石技术研究的基础上，从激光与物质的相互作用机制角度出发，理论分析了短波长激光抛光蓝宝石过程激光与蓝宝石相互作用，总结了激光与物质的热作用为主的波长为532nm绿光激光激光抛光蓝宝石过程的材料去除机理和光化学作用为主的波长为355nm紫外光激光抛光蓝宝石过程的材料去除机理。并推导建立了绿光激

2、光激光抛光蓝宝石过程不同激光工艺参数与材料熔化蒸发去除量的关系。通过在扫描电镜(SEM)、偏光显微镜下观测不同激光抛光工艺条件下的蓝宝石表面形貌，实验研究分析波长为532nm的绿光激光和紫外光激光抛光蓝宝石过程材料去除机理，以及激光能量、扫描速度等工艺参数对其影响作用。通过研究，本文得出如下主要结论：1．理论推导得出绿光激光与蓝宝石相互作用以熟作用为主。单脉冲激光蒸发去除材料的最大深度与激光能量成正比、与聚焦光斑以及激光柬入射角的余弦成反比。紫外激光与蓝宝石相互作用以多光子吸收的光化学作用为主。2．在绿光激光与紫外光激光能量分别达到20mJ和

3、O．1mJ时蓝宝石表面材料开始去除，而激光能量分别达到40mJ和O．5mJ蓝宝石表面材料的去除量急剧增大。3．实验研究得出绿光激光抛光蓝宝石过程热作用占主要地位，存在破碎去除和熔化、蒸发去除两种机理。紫外光激光抛光蓝宝石光化学作用所引起的组织细化为主要的去除机理，同时存在微破机理，与符合理论分析结果较一致。4．绿光激光抛光蓝宝石在激光能量为20mJ，40mJ的情况下，材料去除机理以断裂破碎为主，同时存在轻微熔化机理。激光能量为60mJ时，材料去除机理主要为熔化、蒸发。紫外光激光抛光蓝宝石在激光能量为O．5mJ时，材料去除机理以微破碎为主，激光

4、能量为0．9mJ时，材料除了微破碎去除机理外，还出现少量组织细化形貌。当激光能量微2mJ时，材料表面得到了完全组织细化的形貌。耋至三些奎兰至圭兰堡丝兰5．绿光激光抛光蓝宝石在扫描速度为lmm／s时，材料去除机理主要为熔化、蒸发，扫描速度为5mm／s，同时存在断裂与熔化、蒸发的材料去除机理，扫描速度为lOmm／s时，材料去除机理主要为解理断裂及沿晶断裂。紫外光激光抛光蓝宝石在扫描速度为0．2mm／s时，材料去除机理同时存在破碎及组织细化，扫描速度为0．6mm／s、lmm／s时，材料去除机理以微破碎为主。关键词：激光；抛光：蓝宝石；机理ABSTR

5、ACTSapphirecrystalisakeycomponentforopticalglassandsemiconductorsubstrate．Itis1；vildlyusedindomainsofscienceresearchandmilitaryaffairsandSOon．Sapphireisdifficultlypolishedbymechanicalorchemicalwayforitshardnessandchemicalstability．Solaserpolishingisthemostlikelywaytopolishs

6、apphireforitsnoncontac'tremoval．Theauthor,basedonthethermalreactionbctweclllaserandsapphire，establishedasuitablemodeloflaserheatingsapphire跚face．Therelationbetweenparametersandablationdepthisgiven．Basedonthephotochemicalreactionbetweenlaserandsapphire，themechanismofmaterial

7、removalisstudied．Surfacecharacterformedbylaserdrillingandlaserpolishing埘thdifferentparameterssuchaslaserpulseenergyandscanspeedWaSobservedinSEMandopticalmicroscopetoanalyzethemechanismoflaserremovalwiththehelpofthemodelestablishedformerly．Itisconcludedthat"1．In532nm-wavelen

8、gthlaserpolishingofsapphire，thermalreactionmechanismispredominatewhilephotochemica