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(xué) 理學(xué)院 應(yīng)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(yīng)的電場矢量即光矢量來描述。隨著現(xiàn)代光學(xué)研究的不斷深入，光場的偏振態(tài)在研究光子的本質(zhì)屬性及光與物質(zhì)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(tài)具有空間結(jié)構(gòu)的非均勻偏振光受到越來越廣泛的關(guān)注，即所謂的矢量光場，其偏振態(tài)與傳播面上的空間位置相關(guān)，在光束橫截面上，各點的偏振態(tài)局域相異或者具有一定的結(jié)構(gòu)形態(tài)。研究人員發(fā)現(xiàn)，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(yōu)勢[2]，徑向偏振光在金屬切割方面效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于圓偏振光，在金屬微打孔上更容易打出精度高、內(nèi)壁損傷小的高縱深比的微孔[3]。在激光精細(xì)加工領(lǐng)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(yōu)良的加工特性[4-6]，正受到越來越多研究人員關(guān)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(yīng)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(chǎn)生相當(dāng)深的圓孔[9]；也保證了在中等厚度的鋼板上，徑向偏振光產(chǎn)生表面粗糙度為亞微米級別的切口可達(dá)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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yù)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(xì)加工等領(lǐng)域發(fā)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(tài)的光對加工材料的影響，同時也驗證了相關(guān)報道中的結(jié)論[15-17]。

1 矢量光場生成系統(tǒng)

實驗設(shè)計參考相關(guān)文獻(xiàn)[18-20]，使用的激光器為Nd∶YAG激光器，搭建的矢量光場調(diào)控的光路如圖1所示。激光器(1064nm laser)發(fā)射經(jīng)調(diào)Q后的脈沖激光，波長λ=1064nm，脈寬約10ns，經(jīng)孔徑光闌濾除雜散光，再經(jīng)格蘭-泰勒棱鏡(Glan-Taylor polarizer,G-T P)，變?yōu)楦哔|(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)和上下平移相位板可改變?nèi)肷涔馔渡鋮^(qū)域進而改變光場拓?fù)浜?，將線偏振光或徑向偏振光轉(zhuǎn)為不同拓?fù)浜说臏u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(tài)。若兩波片快軸夾角分別為0°,45°和12°，則徑向偏振光經(jīng)兩波片后轉(zhuǎn)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(shù)為40倍，數(shù)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(diào)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(dǎo)體集成電路等領(lǐng)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(lǐng)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(fā)動機葉片和火箭、導(dǎo)彈關(guān)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(zhì)，然后用吹風(fēng)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(diào)試與燒蝕實驗

本文中研究表面燒蝕打孔效應(yīng)，孔的尺寸和形貌的好壞則受到激光光束質(zhì)量、脈沖能量、脈沖次數(shù)、脈沖寬度、激光偏振態(tài)、激光拓?fù)浜蓴?shù)等因素的影響，實驗外部條件如輔助氣體等也會對孔的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。在精細(xì)加工中，上述因素的微小變動都會對孔的質(zhì)量產(chǎn)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(zhì)是否氧化、孔的底部及內(nèi)壁上有是否有微小裂紋等等;(2)激光加工的效率，關(guān)系到是否能夠大批量生產(chǎn)。因此，有必要對上述參量影響到激光表秒加工的過程及規(guī)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(jīng)由格蘭-泰勒棱鏡產(chǎn)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(diào)Q情況下，控制電壓為600V，其它實驗條件不變，脈沖數(shù)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(jīng)過長焦距物鏡聚焦后為平頂光束。在這3種情況下，重復(fù)(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?fù)浜蓴?shù)，共有8個，讓激光入射到相應(yīng)的區(qū)域，出射的激光則帶有相應(yīng)的拓?fù)浜蓴?shù)。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?fù)浜蓴?shù)時對打孔的影響及規(guī)律。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 脈沖次數(shù)對激光燒蝕打孔的影響

在探究脈沖次數(shù)對激光燒蝕打孔的影響時，實驗參量設(shè)置為：激光波長1064nm，脈沖寬度調(diào)Q后約為10ns，激光器輸入電壓600V。光束的偏振態(tài)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(shù)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(tài)、同脈沖能量的情況下，脈沖次數(shù)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(xù)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(nèi)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(xì)孔時須注意使用多脈沖連續(xù)加工，多個脈沖的能量組合在一起，使得激光束具有相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?，可以較為精細(xì)、光滑地加工出小孔。若是使用脈沖能量大、脈沖次數(shù)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(shù)N改為60,80,100，如圖3中3列所示。在4種光束偏振態(tài)中，從第1列到第3列，脈沖次數(shù)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(dǎo)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(dǎo)至材料內(nèi)部，并不能達(dá)到孔口，因此孔徑也不能隨脈沖次數(shù)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(tài)對激光打孔的影響

研究矢量光場偏振態(tài)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(tài)無關(guān)。探究圓度時可以觀察孔的下半部分。觀察4個孔，發(fā)現(xiàn)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(yán)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(huán)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(yōu)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(yōu)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(dǎo)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(fā)現(xiàn)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(shù)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?fù)浜蓴?shù)對激光燒蝕的影響

為了探究拓?fù)浜蓴?shù)對激光燒蝕的影響，選取線偏振光經(jīng)螺旋相位板后產(chǎn)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?fù)浜蓴?shù)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(xiàn)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?shù)據(jù)，可以得出：在其它條件相同的情況下，拓?fù)浜蓴?shù)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(jié) 論

研究了脈沖矢量激光場調(diào)控系統(tǒng)，對鈦合金和硅片上表面燒蝕進行了實驗研究。結(jié)果表明，激光脈沖次數(shù)對孔的影響主要集中在孔深和孔徑。脈沖次數(shù)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(yè)加工精細(xì)孔時，要注意使用多脈沖連續(xù)加工，多個脈沖的能量組合在一起，使得激光束具有相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?，可以較為精細(xì)、光滑地加工出小孔。光束偏振態(tài)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(fā)現(xiàn)徑向矢量光加工的孔圓度要優(yōu)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(shù)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(yōu)點并未完全體現(xiàn)，大數(shù)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(yōu)越性，也是值得重點研究的內(nèi)容。