超声气体射流辅助飞秒激光刻蚀石英机理与工艺研究

作     者：何魁魁 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戴玉堂

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 08[工学] 0811[工学-控制科学与工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：飞秒激光 超声气体射流辅助 有限元仿真 动网格技术 石英晶片 

摘      要：以石英为代表的硬脆电介质材料广泛应用于航空航天、消费电子、武器装备等诸多领域。鉴于飞秒激光在加工此类材料过程中存在重凝、微裂纹等缺陷,提出超声气体射流辅助飞秒激光加工技术,通过超声与气体射流的耦合将稳态射流转变为脉动射流,借助气体射流的吹扫作用以及脉动射流的高频冲刷破碎作用带走加工过程中产生的重凝物,减少重凝物在已加工壁面的附着,提高加工效率,改善加工质量。本文的主要研究内容如下:(1)提出一种超声气体射流系统,该系统由夹心式超声换能器与气体射流喷头通过机械固联组成。设计计算了20k Hz、25k Hz、28k Hz三种频率的超声换能器,并利用COMSOL Mutiphysics多物理场仿真软件对三种换能器进行模态分析,设计误差分别为0.62%、7.62%、0.54%,振速比分别可达23.33、64.31、97.10。为了减小超声在喷嘴传播中的能量损失喷嘴内腔设计为直锥形。(2)利用ANSYS Fluent软件结合动网格技术实现超声与气体射流的耦合仿真。首先在无超声条件下对喷嘴尺寸进行优化,其次探究了超声频率和超声振幅对流场结构的影响,结果表明:在超声作用下,低速射流入口条件下出口最大流速可增加5倍左右,随着入口流速的增加出口最大流速增幅逐渐减小,在高速入口条件下出口最大流速增幅也可达2倍左右。超声幅值越大流场脉动性越大,对流场最大速度影响不大;超声频率越大流场最大流速增大并且流场脉动性增强。但在超声作用下射流场的集中性有所减弱。(3)研究有无超声气体射流辅助下飞秒激光刻蚀石英微槽技术,结合湿法刻蚀技术对激光加工后的石英微槽进行后处理。首先研究了单脉冲能量、扫描次数、扫描速度以及离焦量对刻蚀石英微槽的影响,探究了飞秒激光隐形切割技术,裂面区表面粗糙度可达50nm以下;其次研究了超声功率、超声频率以及射流入口压力对刻蚀石英微槽影响,在激光重复频率20k Hz,扫描速度4mm/s,单脉冲能量50μJ,离焦量0μm,单次扫描下石英微槽深宽比从无超声气体射流辅助下的0.81提升至有超声气体射流辅助(气体入口压力0.6MPa,超声频率20k Hz,超声功率300W)的1.23;最后研究了飞秒激光刻蚀结合湿法刻蚀处理石英微槽工艺,研究表明在2%浓度HF刻蚀液作用下可将“V型槽转变为直壁“U槽。