高頻激光對化學氣相沉積金剛石的大切深實驗

王吉章鵬張天潤曹小文張文武

高頻激光對化學氣相沉積金剛石的大切深實驗

王吉1*，章鵬1，2，張天潤1，曹小文1，張文武1

（1.中國科學院 寧波材料技術與工程研究所，浙江 寧波 315201；2.寧波大艾激光科技有限公司，浙江 寧波 315201）

為了提高化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）金剛石的切深，采用新型的聲光調制高重復頻率激光器，研究了激光功率、焦點位置、激光重復頻率、切割線速度以及激光橫膜模式對CVD金剛石切縫寬度、切深以及表面粗糙度的影響。研究結果表明：切深和切縫上表面寬隨著激光功率的增大而增大；焦點位置隨切深的變化下移，可獲得最大切深；重復頻率的增大伴隨著切深的減小和切縫上表面寬的增大；表面粗糙度隨著切割線速度的增大先緩慢減小后顯著增大；切縫上表面寬隨著模式數的增多而增大。綜合切深、縫寬和效率，最后在輸出基橫模下激光功率為12 W，重復頻率為6 kHz，切割線速度為1 500 mm/min，焦點位置始終位于切割凹面，獲得了效率最快、質量最好的結果，即單向切深最大可達7.2 mm，切面表面的粗糙度為0.804 μm，切縫上表面寬度為350 μm，滿足在低切面表面粗糙度下獲得CVD金剛石大切深的要求。

激光切割；化學氣相沉積金剛石；高頻激光；縫寬；切深；表面粗糙度

1 引　言

化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）金剛石具有高硬度、高耐磨性、高導熱率等特性，在硬質刀具、高功率光電散熱、光學窗口以及人造鉆石等領域有著很好的應用［1-3］。目前，切割金剛石的主要方式有水刀切割、電火花切割和激光切割。激光切割的過程為脈沖激光與金剛石表面的二級作用，光子以雙光子或多光子的方式與金剛石晶格作用，首先高功率激光束使材料聚焦處表面發生石墨化，之后石墨化的表面在下一束脈沖激光的作用下石墨化表面升華［4-5］。從原理上可以看出，激光切割具有較其他方式獨特的優勢，即無接觸式加工、效率高、切縫小、熱影響區域小等優點［6-7］，是最理想的金剛石加工方法之一。

當然，國內外科研人員對激光切割CVD金剛石或金剛石膜以及工藝規律已經進行了大量研究［8-11］。2003年寧夏機械研究院采用百微秒的45 W多模激光獲得1 mm后的切割深度［12］，2019年溫州大學采用200 ps的激光進行切割工藝研究［13］，2020年德國不來梅大學研究皮秒激光對CVD金剛石的大深度切割實驗［14］。在這些研究中，前期流行采用燈泵浦方式的長脈沖激光作為切割光源，后期流行采用超短脈沖激光作為切割光源。前者的特點是輸出激光重復頻率低、脈沖寬度寬，一般的重復頻率在10～100 Hz之間，脈沖寬度在100 μs左右；后者的特點是輸出激光重復頻率極高、脈沖寬度超短，一般的重復頻率在幾十kHz以上，脈沖寬度小于1 ns。目前的研究集中在薄膜或較淺深度CVD金剛石的切割工藝上，尚未涉及大于10 mm的超大深度切割工藝。

國內人造金剛石的生產技術已日益成熟，如寧波晶鉆科技公司已能夠批量生產截面尺寸大于10 mm×10 mm的大單晶金剛石。為了方便對此類大單晶金剛石的二次制備且考慮金剛石的造價不菲，首先需將大單晶金剛石進行低損切割，而激光切割便是首選。

本文采用由聲光調制方式獲得的高重復頻率窄脈寬激光對CVD金剛石進行大切深的切割工藝研究，其平均功率大于超短脈沖激光，同時峰值功率較長脈沖激光又能提高2～3個數量級。通過實驗系統地探究了5種工藝參數對CVD金剛石切縫寬度、切深以及表面粗糙度的影響規律，分別為激光能量、重復頻率、焦點位置、切割線速度以及激光橫模模式，并分析不同參數對結果變化的影響原因，從而得到最優的切割工藝參數。

2 實驗裝置

實驗中，研究目標CVD金剛石塊的切割截面為10 mm×10 mm，要求切縫細長且深，需要激光器具有更高的峰值功率，且增加激光與物質的作用頻率。切割設備為寧波大艾激光科技有限公司自主研制的DLC-P20，設備采用聲光調制型高重頻納秒激光器，實驗裝置示意圖如圖1所示。其中，激光器輸出光束經過擴束準直系統后再聚焦，CVD金剛石固定在平移臺上，隨平移臺沿著箭頭方向來回移動，實現多次往復逐層的大深度激光切割。

圖1　激光對金剛石的大切深切割實驗裝置示意圖

3 實驗結果對比與分析

實驗通過改變激光能量、重復頻率、焦點位置、切割線速度以及激光橫膜模式，研究這些參數對CVD金剛石切深、切縫寬度以及表面粗糙度的影響，得出最佳的工藝參數。實驗結果由KEYNENCE公司型號為VK-X210的共聚焦顯微鏡以及Dino-LiTe公司型號為Am7915MZY數字顯微鏡表征。

3.1　激光功率對工藝結果的影響

輸出單模激光，設重復頻率為6 kHz，切割線速度為1 500 mm/min，焦點位置隨著切割深度的增加而變化，通過改變泵浦能量來改變輸出激光的平均功率，平均功率由COHERENT公司型號為PM30的激光功率探頭和型號為FieldMaxII-TOP的激光功率表頭測量，實驗結果如圖2所示。

如圖2所示，提高激光功率能有效增大切割深度，同時伴隨著切縫寬度的增大及效率的提升，因為激光功率的增大使材料表面的熱熔損傷加強，單次脈沖的切割能力加大。在最大輸出功率為12 W時，切割深度為7.2 mm，切縫上表面寬為350 μm，寬深比為20.5∶1。

圖2　激光功率與切割深度、切縫寬度的關系

3.2　焦點位置對切割深度的影響

采用激光功率為12 W，重頻頻率為6 kHz，切割速度為1 500 mm/min，改變焦點位置進行切割，探究焦點位置對切割深度的影響。方案一：焦點位置始終位于金剛石上表面；方案二：焦點始終位于距離金剛石上表面下方3.6 mm（根據實驗一的切深來設置）處；方案三：焦點位置隨著切割深度的增加而逐漸下移，保持焦點始終位于切割凹槽底部。3種方案的切割效果如圖3所示。

圖3　不同焦點設置方式的切割效果

方案一，采用能量密度最低的發散光進行切割，切割效率和深度最差；方案二，采用一半會聚一半發散的形式，較方案一效果更好，由于切口呈半閉口式，不利于壓縮氣體輔助吹氣將切割形成的粉末和殘渣帶出，從而易沉積在底部的凹槽內，影響后續激光對材料的作用；方案三，采用會聚光焦點切割，焦點始終保持在切割底面，具有最高的能量密度，且開口式切縫有利于壓縮氣體輔助帶出切割形成的粉末和殘渣，因此能獲得最大的切割深度及最高的效率。3種方案的切割時間均為16 min，實驗結果見表1。

對比表1可知，方案三最優。當切深為7.2 mm時，金剛石上表面的光斑直徑為0.21 mm，是焦點處的4倍，能量密度為焦點處的1/16，約為5.78 J/cm2（對應單脈沖能量2.0 mJ），接近CVD單晶金剛石的熱損傷閾值［5，15］。隨著深度的增加，上表面能量密度小于熱損傷閾值，達到切割極限。

表1焦點置于不同位置的實驗結果

Tab.1　Experiment results for focal point at different positions

3.3　激光重復頻率對工藝結果的影響

采用1 500 mm/min的線切割速度，焦點位置隨著切割深度的增加而變化，改變重復頻率為1～20 kHz，在不同重復頻率下進行切割實驗，材料切割上表面的縫寬測量結果如圖4所示，采用Dino-LiTe公司的Am7915MZY顯微鏡進行測量。圖4（a）～4（e）分別為重頻在1，6，10，15，20 kHz時的測量結果。

圖4　不同激光重頻下切縫上表面縫寬的測量結果

激光重復頻率的增大意味著相同時間內有更多的激光脈沖作用于材料表面，并且隨著重頻的增加輸出模式更靠近連續光［16-17］，對過燒或熔損現象的抑制能力降低，如圖5所示，切縫上表面寬度隨著重頻的增大而增大，而切縫越大對材料的利用率越低，不可取。切割深度曲線呈山峰狀，當重頻為6 kHz時切深最大，降低或增大重頻則切深均減小。這是由于增大重頻導致激光單脈沖能量和峰值功率密度下降，降低了每一個脈沖的加工量及能力，使得在更小光斑時便達到CVD單晶金剛石的燒蝕閾值，即切深變淺；隨著單脈沖能量和峰值功率密度的增長，當其等于材料等離子體點燃閾值時，切割能力最強；此后，隨著重頻繼續降低（小于6 kHz），單脈沖能量和功率密度不斷增長，在1 kHz時，激光峰值功率密度達到7.93 GW/cm2，強激光誘導粉塵材料產生等離子體，等離子體產生屏蔽作用，激光能量傳輸效率被減弱，導致切深反而減小。綜上所述，6 kHz為最佳工作重頻。

圖5　激光重復頻率對切割深度和切縫上表面寬度的影響

3.4　切割線速度對切面表面粗糙度的影響

焦點位置隨著切割深度的增加而變化，改變切割線速度獲得的實驗結果如圖6所示。

步長公式為：

其中：為激光重復頻率。減慢切割線速度從而縮短激光脈沖步長間距，提高切割激光孔的重疊連續性，使得切割斷面更光滑。由圖6可知，當切割線速度在300～1 000 mm/min時，表面粗糙度控制在0.65 μm之內，變化趨勢平穩且略有減小，這是由于過于密集的光斑重疊率形成對于同一處的多次激光作用，較強的熱效應帶來過燒現象，表面粗糙度改變；當切割線速度超過800 mm/min時，表面粗糙度開始明顯更大。綜合考慮效率因素，過低的切割速度不利于實際應用，故最佳切割線速度為1 500 mm/min，此時表面粗糙度達0.804 μm。

3.5　激光橫模模式對工藝結果的影響

調制激光器的輸出模態為多橫模和基橫模。保持功率相等，兩種模式下分別進行切割實驗，結果如圖7所示。基模下切縫小，因為橫模階數越高，光強分布越復雜且光束發散角隨著橫模序數的增大而增大，獲得的聚焦光斑也成倍增長。因此基模下切縫上表面和下表面寬度更小，切割精細程度也越高。

圖7　多橫模和基橫模下切縫上表面寬的測量結果

綜上所述，能獲得超大切割深度的最優工藝參數為：基橫模下，重復頻率6 kHz，輸出功率12 W，切割線速度1 500 mm/min，焦點位置隨著切割深度的增加而逐漸下移，保持焦點始終位于切割凹面。此時能達到單面7.2 mm的切割深度，切面表面粗糙度為0.804 μm，切縫上表面寬度為350 μm。將金剛石材料進行180°翻轉即能實現超過10 mm的切深。

4 結　論

本文系統地探究了激光功率、焦點位置、重復頻率、切割線速度以及激光橫模模式對CVD金剛石切縫上表面寬度、切深以及切面表面粗糙度的影響。研究表明：切深和切縫上表面寬度隨著激光功率的增大而增大；焦點位置隨切面深度的變化而變化，始終保持在切割凹面上，此時獲得的切深最大；切縫上表面寬隨著重復頻率的增大而增大，而切深表現為先緩慢增大后逐漸下降，在6 kHz時切深最大；表面粗糙度隨著切割線速度的增大先緩慢減小，當切割線速度超過800 mm/min后，表面粗糙度明顯增大；切縫上表面寬隨著模式數的增多而增大。綜合切深、縫寬和效率，在輸出基橫模下，激光功率為12 W，重復頻率為6 kHz，采用1 500 mm/min的切割線速度，焦點位置始終位于切割凹面，獲得了效率最快、質量最好的加工結果，單向切深可達7.2 mm，切面表面粗糙度為0.804 μm，切縫上表面寬度為350 μm。

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

WANG Ji1*，ZHANG Peng1，2，ZHANG Tianrun1，CAO Xiaowen1，ZHANG Wenwu1

（1，，315201，；2，，315201，），：

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.

laser cutting； chemical vapor deposition diamond； high repetition rate laser； width of cutting seam； cutting depth； surface roughness

TN249

A

10.37188/OPE.20223001.0089

1004-924X（2022）01-0089-07

2021-04-15；

2021-06-28.

國家自然科學基金青年基金資助項目（No.51805525）；浙江省重點研發項目（No.2020C01036）；寧波市2025科技重大專項（No.2019B10074）；寧波市自然科學基金資助項目（No.2021J215）

王吉（1989），男，浙江寧波人，碩士，高級工程師，2012年、2014年于哈爾濱工業大學分別獲得學士、碩士學位，主要從事高功率激光器及激光精細加工的研究。E-mail：wji@nimte.ac.cn

章鵬（1993），男，安徽霍山人，工程師，2016年于安徽省皖西學院獲得學士學位，現為寧波大艾激光科技有限公司生產部主管，主要從事激光加工及相關設備的研發工作。E-mail：shiyinist@163.com