調控矢量激光場在表面處理中的應用研究

張云芝，王吉明，路元剛,吳 彤，赫崇君，顧曉蓉，劉友文

(南京航空航天大學 理學院 應用物理系，南京 211106)

引 言

光場是一種電磁場，具有橫波特性，光場中每一點屬性都可以用相應的電場矢量即光矢量來描述。隨著現代光學研究的不斷深入，光場的偏振態在研究光子的本質屬性及光與物質的相互作用中起到了越來越重要的作用[1]。近十幾年來，一種新型的激光場，即偏振態具有空間結構的非均勻偏振光受到越來越廣泛的關注，即所謂的矢量光場，其偏振態與傳播面上的空間位置相關，在光束橫截面上，各點的偏振態局域相異或者具有一定的結構形態。研究人員發現，相比于線偏振光和圓偏振光這類均勻光場，偏振軸對稱分布的矢量光在材料加工方面有獨特的優勢[2]，徑向偏振光在金屬切割方面效率遠遠高于圓偏振光，在金屬微打孔上更容易打出精度高、內壁損傷小的高縱深比的微孔[3]。在激光精細加工領域，由于部分加工材料的偏振敏感性，矢量光比一般偏振光具有更優良的加工特性[4-6]，正受到越來越多研究人員關注，如高功率激光器中使用徑向偏振光束可以有效地消除由熱效應引起的雙折射和雙焦點的影響，提高能量吸收效率[7]；采用角向偏振光束可以提高4倍或更高的加工效率[8]。與圓偏振光束相比，這些獨特的偏振特性保證了角向偏振光在鉆削加工中能產生相當深的圓孔[9]；也保證了在中等厚度的鋼板上，徑向偏振光產生表面粗糙度為亞微米級別的切口可達到約1.5倍的切削效率[10]。此外，在加工2mm厚的不銹鋼時，若要達到和圓偏振光束相同的加工效率，徑向偏振光只需要更少的輔助氣體[11]?？偟膩碚f，徑向偏振光切割金屬材料的效率遠遠高于線偏振光，角向偏振光在金屬、硅等材料表面燒蝕的效率也比圓偏振光要高得多?？梢灶A期，具有局域偏振特性的聚焦光場，將會在航空航天特殊材料處理、激光精細加工等領域發揮更重要的作用[12-14]。

作者選擇柱對稱矢量光，利用單因子變量法在鈦合金和單晶硅上進行激光燒蝕實驗，并利用掃描電鏡觀察了孔的表面形貌，歸納并比較了不同偏振態的光對加工材料的影響，同時也驗證了相關報道中的結論[15-17]。

1 矢量光場生成系統

實驗設計參考相關文獻[18-20]，使用的激光器為Nd∶YAG激光器，搭建的矢量光場調控的光路如圖1所示。激光器(1064nm laser)發射經調Q后的脈沖激光，波長λ=1064nm，脈寬約10ns，經孔徑光闌濾除雜散光，再經格蘭-泰勒棱鏡(Glan-Taylor polarizer,G-T P)，變為高質量的線偏振光。RP(radial polarizer)為適用于1064nm波長的徑向偏振片，將線偏振光轉為徑向偏振光。VPP(vortex phase-plate)為固定在3-D微移動平臺上的螺旋相位板，通過旋轉和上下平移相位板可改變入射光投射區域進而改變光場拓撲核，將線偏振光或徑向偏振光轉為不同拓撲核的渦旋光。HWP1和HWP2是兩個λ/2波片(half wave-plate,HWP)，通過改變兩片波片快軸間的夾角改變出射光柱對稱偏振態。若兩波片快軸夾角分別為0°,45°和12°，則徑向偏振光經兩波片后轉化為徑向偏振光、角向偏振光、廣義柱對稱矢量光。長焦距聚焦物鏡的放大倍數為40倍，數值孔徑為0.6，將入射激光聚焦在焦點(f=3mm)處的實驗樣品處。

Fig.1 Diagram of light path for generation of vectorial field

本實驗為對比實驗，主要對比線偏振光、徑向偏振光、角向偏振光及渦旋光在鈦合金和單晶硅上燒蝕打孔的效果。

2 調控矢量激光場在表面處理中的實驗研究

2.1 實驗材料

本實驗中選用兩種靶材。一種為為廣泛運用于太陽能電池、二極管、半導體集成電路等領域的晶硅圓片，單面拋光，直徑為(50.8±0.3)mm，厚度為(400±10)μm，生長方法為直拉單晶，晶向〈100〉，摻雜類型為P型(摻硼)。另一種為靶材為熱壓成型的鈦合金圓片，合金牌號為Ti45Al5Mn，直徑為50mm，厚度為2mm。鈦是航空航天領域的一種重要金屬，鈦合金強度高，耐腐蝕性好，可用于飛機發動機葉片和火箭、導彈關鍵部位的零件。鈦合金在實驗之前，用酒精沖洗，去除吸附在樣品表面的雜質，然后用吹風機吹干備用。

實驗樣品鈦合金的牌號和具體成分如表1所示。

Table 1 Mark and chemical composition of titanium alloy

2.2 矢量光場的調試與燒蝕實驗

本文中研究表面燒蝕打孔效應，孔的尺寸和形貌的好壞則受到激光光束質量、脈沖能量、脈沖次數、脈沖寬度、激光偏振態、激光拓撲荷數等因素的影響，實驗外部條件如輔助氣體等也會對孔的質量產生一定的影響。在精細加工中，上述因素的微小變動都會對孔的質量產生較大的影響，常見的影響有：(1)孔是否圓滑平整、孔周圍材質是否氧化、孔的底部及內壁上有是否有微小裂紋等等;(2)激光加工的效率，關系到是否能夠大批量生產。因此，有必要對上述參量影響到激光表秒加工的過程及規律進行具體研究。

(1)laser+aperture+G-T P+HWP1+HWP2+lens+sample：線偏振光燒蝕打孔實驗。經由格蘭-泰勒棱鏡產生線偏振光，HWP1和HWP2夾角為0°，且其光軸與入射偏振光同向。光線入射聚焦到樣品，在調Q情況下，控制電壓為600V，其它實驗條件不變，脈沖數分別選擇20,30,40，在鈦合金和單晶硅片上進行一組燒蝕實驗，同時用能量計對激光能量進行測量。選擇電壓為600V，是因為此時在此電壓下激光器輸出激光的能量值最高，燒蝕效果最好。此處HWP1和HWP2僅為光損耗部分。

(2)laser+aperture+G-T P+RP+HWP1+HWP2+lens+sample：徑向/角向偏振光/廣義柱對稱矢量光燒蝕實驗。HWP1和HWP2夾角為0°時，輸出激光為徑向偏振光；HWP1和HWP2夾角為45°時，輸出激光為角向偏振光；夾角為12°左右，輸出光為廣義柱對稱矢量光，經過長焦距物鏡聚焦后為平頂光束。在這3種情況下，重復(1)中燒蝕實驗步驟。

(3)laser+aperture+G-T P+VPP+HWP1+HWP2+lens+sample：線偏振渦旋光燒蝕實驗。螺旋相位板的不同位置有不同的拓撲荷數，共有8個，讓激光入射到相應的區域，出射的激光則帶有相應的拓撲荷數。實驗過程中，讓線偏振光依次通過相位板l=1,l=2對鈦合金樣品進行燒蝕打孔，HWP1和HWP2夾角為12°，觀察不同拓撲荷數時對打孔的影響及規律。

3 實驗結果分析

3.1 脈沖次數對激光燒蝕打孔的影響

在探究脈沖次數對激光燒蝕打孔的影響時，實驗參量設置為：激光波長1064nm，脈沖寬度調Q后約為10ns，激光器輸入電壓600V。光束的偏振態分別為線偏振、徑向偏振、角向偏振、廣義柱矢量光。

首先研究硅片表面燒蝕，脈沖次數N分別為20,30,40共12組，掃描電鏡觀察孔的形貌，如圖2所示。從圖中可看出，同偏振態、同脈沖能量的情況下，脈沖次數逐漸增加，孔的深度和半徑都有所增加，孔壁的粗糙度下降、光潔度上升；這是因為多次脈沖連續作用在硅片表面時，熔化的硅還來不及流動分布，就在極短的時間內或被熔化或被汽化地逐層去除。如果是少量脈沖作用，如圖2a、圖2d、圖2g和圖2j所示，硅受到激光高溫作用熔化，熔融物往四周流動，甚至還會有一些蒸汽濺射物粘附在孔壁四周。因此，加工精細孔時須注意使用多脈沖連續加工，多個脈沖的能量組合在一起，使得激光束具有相當的能量密度，可以較為精細、光滑地加工出小孔。若是使用脈沖能量大、脈沖次數少的激光光束，則可能收不到良好的效果。

Fig.2 Ablation on the surface of silicon when pulse numberNis 20(a,d,g,j),30(b,e,h,k),40(c,f,i,l)

a,b,c—linearly polarized light d,e,f—radially polarized light g,h,i—azimuthally polarized light j,k,l—general cylindrical polarized light

在鈦合金表面燒蝕時，實驗參量和硅片組保持一致，但是考慮到鈦合金的加工難度比硅片大，把脈沖次數N改為60,80,100，如圖3中3列所示。在4種光束偏振態中，從第1列到第3列，脈沖次數增加了將近1倍，然而孔的加工效果變化并不明顯。主要原因在于，被激光熔化的鈦合金殘留在孔的底部，來不及汽化，熔融鈦合金使激光的熱傳導受到了阻攔，不能進一步熔化更多的鈦合金；同時有部分蒸汽噴濺物濺射到了孔壁上，影響激光的傳播。對于孔徑來說，激光的能量主要被孔底的熔融物所吸收，小部分被反射的激光能量也被孔壁上的濺射物所吸收，傳導至材料內部，并不能達到孔口，因此孔徑也不能隨脈沖次數的增加而增大。

Fig.3 Ablation in the surface of titanium alloy when pulse numberNis 60(a,d,g,j), 80(b,e,h,k), 100(c,f,i,l)

a,b,c—linearly polarized light d,e,f—radially polarized light g,h,i—azimuthally polarized light j,k,l—general cylindrical polarized light

3.2 光束偏振態對激光打孔的影響

研究矢量光場偏振態對加工的影響。首先研究硅片上燒蝕。選取600V電壓，對線偏振光(見圖4a)、徑向偏振光(見圖4b)、角向偏振光(見圖4c)和廣義柱矢量光(見圖4d)4種情況，以30個脈沖在硅片上燒蝕。從圖4中可以較為明顯地看到每個孔的加工形貌，尤其是圖4b和圖4c，孔的中心有明顯的圓形痕跡，徑向和角向偏振光如圖中箭頭所示，中心部分光強較弱。4個孔的左上部分都存在圓度不高的情況，這是因為激光器的光斑在聚焦時受到了影響，與光束的偏振態無關。探究圓度時可以觀察孔的下半部分。觀察4個孔，發現線偏振光加工的孔與柱矢量光加工的孔相比，線偏振光加工的孔周更為粗糙，孔的圓度更不均勻，孔底也更不平整。而孔的圓度不均勻、孔周燒蝕嚴重是因為線偏振光的光矢量是始終沿固定方向振動，聚焦時非圓形光斑。而柱矢量光的電矢量是呈圓環狀軸對稱分布，因此柱矢量光加工的孔圓度比較好，且徑向矢量光加工的孔圓度要優于角向矢量光加工的孔。這是因為徑向矢量光聚焦時，實心光斑具有超衍射特征；而角向矢量光聚焦為中空光斑。觀察硅片處理情況，圖4d中廣義柱矢量光加工的孔，孔的圓度要低于圖4b、優于圖4c，這可以解釋為廣義柱矢量光分解為徑向和角向矢量光，聚焦時部分分量光場的光斑中空的，導致孔的圓度要弱于圖4b。

Fig.4 Ablation in the surface of Si (600V,N=30) for different polarized light

a—linear polarization b—radial polarization c—azimuthal polarization d—general cylindrical polarization

觀察圖5中鈦合金處理情況。選取了圖3d、圖3e、圖3g、圖3h放大對比，發現在加工鈦合金時，在其它條件相同的情況下，徑向偏振光加工的孔底部更加平滑，這是因為在燒蝕時，徑向偏振光束由于p偏振的緣故，最大吸收功率密度是在孔壁上，因此脈沖次數多的話，最終會形成較為垂直的孔壁和較為平滑的孔底。

Fig.5 Ablation in the surface of titanium alloy for radially and azimuthally polarized light (600V)

a—radially polarized lightN=60 b—radially polarized lightN=80 c—azimuthally polarized lightN=60 d—azimuthally polarized lightN=80

3.3 拓撲荷數對激光燒蝕的影響

為了探究拓撲荷數對激光燒蝕的影響，選取線偏振光經螺旋相位板后產生的渦旋光場進行研究。圖6a、圖6b,圖6c、圖6d以及圖6e、圖6f分別為拓撲荷數l為1、2和無渦旋的線偏振光以80個脈沖在鈦合金上燒蝕?？梢钥闯?，圖6e和圖6f的孔底很粗糙，有許多呈白色小孔狀的燒蝕坑和微小裂紋，孔的周圍有很多小碎屑；與此形成鮮明對比的是，在圖6c和圖6d中除去被氧化的一些缺陷，可以觀察到更光滑的孔底，孔周圍更光滑;而在圖6a和圖6b中，觀察局部放大圖，呈現出一個介于圖圖6c、圖6d和圖6e、圖6f的中間趨勢?；诒緦嶒炈玫臄祿?，可以得出：在其它條件相同的情況下，拓撲荷數越高，加工出的孔底部越光滑、孔周圍的碎片越少。

Fig.6 Ablation on the surface of titanium alloy when different topology when pulse numberN=80 and (b,d,f) is the enlarged image of (a,c,e)

a,b—l=1 c,d—l=2 e,f—l=0

4 結 論

研究了脈沖矢量激光場調控系統，對鈦合金和硅片上表面燒蝕進行了實驗研究。結果表明，激光脈沖次數對孔的影響主要集中在孔深和孔徑。脈沖次數增加，孔的深度也會增加，孔的直徑也會變大，孔的周圍變得更加光滑、沉積物少。在工業加工精細孔時，要注意使用多脈沖連續加工，多個脈沖的能量組合在一起，使得激光束具有相當的能量密度，可以較為精細、光滑地加工出小孔。光束偏振態對孔的影響主要集中在孔的圓度、光潔度。線偏振光加工的孔與柱矢量光加工的孔相比，線偏振光加工的孔周更為粗糙，孔的圓度更不均勻，孔底也更不平整。而柱矢量光之間相互比較，發現徑向矢量光加工的孔圓度要優于角向矢量光加工的孔，孔底也更加平滑。需要指出，由于實驗條件限制，本研究是基于數值孔徑為0.6的透鏡的納秒脈沖激光聚焦，矢量聚焦光場的獨特優點并未完全體現，大數值孔徑下超短飛秒脈沖矢量激光的表面處理及加工將更具有優越性，也是值得重點研究的內容。