１ 水下激光傳輸特性：
圖１是純凈水對(duì)不同波長(zhǎng)激光吸收的曲線［９］。橫坐標(biāo)為激光的波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為吸收長(zhǎng)度，吸收長(zhǎng)度即激光被完全吸收所穿過(guò)的溶液長(zhǎng)度。
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當(dāng)激光射入水中時(shí)，水會(huì)吸收一部分激光而造成其能量的衰減，這可以由Ｌａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒ定律計(jì)算得到［１０］：
Ｉｘ（λ）＝Ｉ０（λ）ｅｘｐ［－μ（λ）ｘ］
（１）式中，Ｉ０（λ）為傳輸前的激光初始輻照度，Ｉｘ（λ）為在液體中傳輸路程為ｘ后的激光輻照度；μ（λ）為光束衰減系數(shù)，表示激光傳輸１ｍ距離后能量衰減的對(duì)數(shù)值（自然對(duì)數(shù)），單位是ｍ－１。Δ＝１／μ（λ），Δ為
激光在溶液中的吸收長(zhǎng)度，即激光被完全吸收穿過(guò)的溶液長(zhǎng)度，則Ｂｅｅｒ－Ｌａｍｂｅｒｔ法則還可寫為：
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（２）由（２）式可以方便地估算出不同水深激光的衰減比例。從圖１中可以看出，對(duì)不同波長(zhǎng)的激光，水的吸收長(zhǎng)度Δ不同。對(duì)３５５ｎｍ紫外光的吸收長(zhǎng)度約為５ｍ，本文中采用的水深為５ｍｍ，此時(shí)紫外激光被吸收了約０．１％。相對(duì)于其它多數(shù)波長(zhǎng)水對(duì)紫外激光的吸收率較小，因此紫外激光較適合做水下激光加工的光源。
２ 實(shí)驗(yàn)研究
２．１ 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備
實(shí)驗(yàn)中采用的激光加工設(shè)備為多功能紫外激光微加工系統(tǒng)。紫外激光加工系統(tǒng)主要由激光器、冷卻系統(tǒng)、紫外光學(xué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、ＣＣＤ定位系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成。激光器是美國(guó)ＯＰＴＯＷＡＶＥ（光波）公司的ＡＷａｖｅ３５５系列３５５ｎｍ三倍頻全固態(tài)調(diào)Ｑ紫外激光器，可以輸出納秒脈沖或者連續(xù)紫外波長(zhǎng)，激光光斑為ＴＥＭ００模式，光束質(zhì)量因子Ｍ２＜１．１。激光平均功率為０Ｗ～１０Ｗ，脈沖寬度為１０ｎｓ～４０ｎｓ，重復(fù)頻率為１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚ，出口光斑０．８５ｍｍ，經(jīng)透鏡聚焦后的焦點(diǎn)光斑直徑約為１０μｍ。使用振鏡掃描配合加工平臺(tái)Ｘ－Ｙ－Ｚ３維運(yùn)動(dòng)方式，加工平面尺寸可達(dá)４６０ｍｍ×３１０ｍｍ。加工系統(tǒng)示意圖如圖２
所示。實(shí)驗(yàn)中所用材料為含氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于０．９６的陶瓷片，厚度為０．５ｍｍ，導(dǎo)熱系數(shù)為２５Ｗ／（ｍ?Ｋ），絕緣強(qiáng)度為１２ｋＶ／ｍｍ。
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２．２ 實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容與方案
實(shí)驗(yàn)主要研究在空氣中與水中刻蝕加工后氧化鋁陶瓷片的表面形貌以及激光主要參量對(duì)水下和空氣中刻蝕深度和質(zhì)量的影響規(guī)律?？涛g圖形為１ｍｍ×０．５ｍｍ的矩形槽，采用線填充掃描加工，填充掃描線間距固定為５μｍ，激光聚焦平面位于氧化鋁陶瓷片表面上。在空氣中加工只需將氧化鋁陶瓷樣品放在加工平臺(tái)上直接按設(shè)定參量進(jìn)行加工，
如圖３ａ所示。而水輔助刻蝕加工需要燒杯及固定裝置，加工樣品放置如圖３ｂ所示?？涛g結(jié)果采用Ｄｅｋｔａｋ１５０探針式臺(tái)階儀進(jìn)行檢測(cè)，得出刻蝕深度以及粗糙度數(shù)據(jù)信息。采用維視圖像光電成像顯微鏡和Ｑｕａｎｔａ２００掃描電子顯微鏡進(jìn)行刻蝕區(qū)域表面微觀形貌的觀察與分析。
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????３實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
本文中分別對(duì)激光刻蝕參量在水下和空氣中刻蝕氧化鋁陶瓷的深度影響規(guī)律進(jìn)行了研究（如圖４所示）。主要的研究的參量有：水下光程、激光的脈沖能量密度、重復(fù)頻率和掃描速率。實(shí)驗(yàn)中研究水下與空氣中加工對(duì)比時(shí)保證除了水的因素外其它參量完全一致。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的參量變化范圍如下：水下光程為２ｍｍ～１２ｍｍ；激光重復(fù)頻率為３０ｋＨｚ～１００ｋＨｚ；激光脈沖能量密度為４８．０Ｊ／ｃｍ２～８５．５Ｊ／
ｃｍ２；激光掃描速率為４０ｍｍ／ｓ～１８０ｍｍ／ｓ。得到的數(shù)據(jù)曲線如圖４所示。由圖４ａ可知，在激光脈沖能量密度為７８．５Ｊ／ｃｍ２、掃描速率為１００ｍｍ／ｓ和頻率為６０ｋＨｚ的條件下，刻蝕深度隨著水下光程的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樗畬?duì)激光的吸收作用所致。由第一部分的介紹可知，水下光程越大，激光損耗越大，而且水的散射作用也更加明顯，因此刻蝕去除便會(huì)降低。當(dāng)水下光程為５ｍｍ不變時(shí)，無(wú)論水下和空氣中，激光刻蝕深度隨著激光脈沖能量密度的增加而增加（見(jiàn)圖４ｂ），隨著激光重復(fù)頻率的上升而下降（見(jiàn)圖４ｃ），隨著掃描速率的增加而下降（見(jiàn)圖４ｃ）。
顯然，激光脈沖能量密度的增加會(huì)使材料的去除率增加，而重復(fù)頻率增加會(huì)使激光的峰值功率下降導(dǎo)致刻蝕深度下降緣故，掃描速率的增加造成材料表面單位面積作
用的激光脈沖數(shù)下降，去除效率也會(huì)下降。從對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在相同的激光刻蝕參量條件下，水下刻蝕的深度要比在空氣中刻蝕要大，如圖４ｂ～圖４ｄ中曲線對(duì)比所示。
利用顯微鏡和掃描電鏡分別對(duì)空氣中和水中的刻蝕樣品進(jìn)行微觀形貌觀察，二者的對(duì)比照片如圖５和圖６所示。圖５中分別給出激光脈沖能量密度７８．５Ｊ／ｃｍ２、掃描速率１００ｍｍ／ｓ和頻率６０ｋＨｚ條件下，在空氣中（見(jiàn)圖５ａ）和在水深５ｍｍ（見(jiàn)圖５ｂ）時(shí)進(jìn)行激光刻蝕氧化鋁陶瓷結(jié)果顯微照片。從圖５ａ中可以明顯地發(fā)現(xiàn)加工區(qū)域出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，且有較嚴(yán)重的殘?jiān)啬龑?。而在圖５ｂ中則基本上沒(méi)有變
色和殘?jiān)啬F(xiàn)象。圖６為空氣中和水下激光刻蝕樣品的掃描電鏡照片。在圖６ａ中可以明顯地發(fā)現(xiàn)刻蝕底面較為粗糙，刻蝕痕跡明顯，有較多的殘?jiān)啬龑?。而在圖６ｂ中的刻蝕底表面相對(duì)平整，無(wú)明顯刻蝕痕跡和殘?jiān)啬龑?。?duì)圖６中樣品分別進(jìn)行粗糙度的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，空氣中直接刻蝕后陶瓷表面平均粗糙度為７．５３μｍ，而水下刻蝕的平均粗糙度為３．２５μｍ。３ 實(shí)驗(yàn)分析３．１ 激光刻蝕氧化鋁陶瓷機(jī)理分析激光加工中材料的去除機(jī)制隨著激光波長(zhǎng)的不同而有所不同。當(dāng)激光波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，由于光子能量較低，與材料相互作用機(jī)理是光熱作用，材料吸收激光光子能量后轉(zhuǎn)化為熱能而被熔化甚至汽化，通過(guò)激光脈沖本身壓力和材料汽化蒸發(fā)產(chǎn)生的反作用力來(lái)達(dá)到去除的目的。當(dāng)激光波長(zhǎng)較短時(shí)，在一定的條件下可以發(fā)生光化學(xué)作用。當(dāng)光化學(xué)作用發(fā)生時(shí)，材料被去除機(jī)制是由激光直接破壞材料結(jié)合的分子鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于氧化鋁陶瓷來(lái)說(shuō)，其分子鍵為共價(jià)鍵，鍵能值約為９．１ｅＶ，屬于絕緣體材料，而３５５ｎｍ紫外激光所放出的光子能量可由下式得出：
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（３）式中，Ｅ為單光子能量，ｈ為普朗克常數(shù)，ｃ為光在真空中的傳播速度，λ為激光的波長(zhǎng)，ν為激光的頻率。將紫外激光波長(zhǎng)３５５ｎｍ代入（３）式可知，紫外激光光子能量約為３．５ｅＶ。顯然，紫外激光單光子能量小于氧化鋁陶瓷的分子鍵能，不能直接破壞材料結(jié)合的分子鍵，理論上單個(gè)光子是不能發(fā)生光化學(xué)作用的。但ＢＲＡＮＮＯＮ指出［１１］，寬能帶的材料可能因?yàn)椴牧蠐诫s和自身缺陷的存在，在原來(lái)無(wú)法停留電子的能帶中產(chǎn)生新的能帶結(jié)構(gòu)。這種新的能帶一般出現(xiàn)在靠近常規(guī)能帶的中間位值。其作用就如同在單晶硅中摻雜硼或磷充當(dāng)受體，來(lái)幫助價(jià)電子吸收光子能量，從而激發(fā)到存在能帶中的“缺陷能帶”中做短暫停留，隨即再吸收第２個(gè)光子的能量，然后躍遷到導(dǎo)帶。這種因?yàn)槲諆蓚€(gè)以上的光子能量才能發(fā)生的反應(yīng)，稱為“多光子吸收”。在多光子吸收過(guò)程中，材料分子必須同時(shí)或連續(xù)吸收多個(gè)光子才能發(fā)生斷裂。通常多光子現(xiàn)象是觀察不到的，只有當(dāng)激光脈沖的功率密度足夠大時(shí)（Ｉ＞１０６Ｗ／ｃｍ２），才可能出現(xiàn)比較明顯的多光子吸收現(xiàn)象［１２］。
本文中使用的紫外激光器功率可達(dá)１０Ｗ，其光斑直徑約為１０μｍ，其平均最大脈沖功率密度可達(dá)１．３×１０７Ｗ／ｃｍ２，峰值功率密度還要更高。故當(dāng)紫外激光
作用于氧化鋁陶瓷表面時(shí)，滿足產(chǎn)生多光子吸收條件，可以發(fā)生光化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)材料的去蝕。３．２ 水輔助激光刻蝕與空氣中直接刻蝕對(duì)比分析通過(guò)前面分析可知，紫外激光可以通過(guò)“多光子吸收”產(chǎn)生光化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)材料的去除。然而在實(shí)際加工過(guò)程中，由于高功率密度激光的照射，在空氣中直接刻蝕時(shí)材料表面的溫度迅速升高，材料發(fā)生熔化或者氣化，此時(shí)材料主要實(shí)現(xiàn)的是光熱作用去除。有研究指出，氧化鋁陶瓷材料在２０５０Ｋ～２９８０Ｋ的熔化過(guò)程會(huì)引起氧化鋁陶瓷的晶相變化，形成黑色的變質(zhì)層，并通過(guò)晶相分析可知，黑色變質(zhì)層以α－Ａｌ２Ｏ３和γ－Ａｌ２Ｏ３混合相為主［１３］。
因此在空氣中直接加工氧化鋁陶瓷會(huì)由于陶瓷相變而產(chǎn)生發(fā)黑變質(zhì)的現(xiàn)象，并且重凝層較為明顯，如圖５ａ所示。在水下進(jìn)行刻蝕加工時(shí)，由物理學(xué)相關(guān)知識(shí)可知，水的比熱遠(yuǎn)大于陶瓷材料，因此，水下加工時(shí)由于水的冷卻作用而使陶瓷材料表面的溫度很難達(dá)到其熔
點(diǎn)，此時(shí)材料的去除方式應(yīng)以光化學(xué)作用去除為主。此外，由于陶瓷在較低的溫度時(shí)難以發(fā)生相變，因而發(fā)黑變質(zhì)現(xiàn)象也就可以避免（見(jiàn)圖５ｂ）。同時(shí)，當(dāng)激光在水下與材料相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“空泡”這一物理現(xiàn)象。如果空泡周圍存在固體壁面，那么在潰滅
階段還會(huì)形成指向靶面的高速射流。該高速射流所產(chǎn)生的沖擊力往往可達(dá)到兆帕的數(shù)量級(jí)
［１４］。由于空泡的產(chǎn)生與破裂，形成對(duì)材料基體的強(qiáng)沖擊作用，使因激光作用去蝕的材料迅速脫離，因此，提高了激光刻蝕深度，并且由于水的阻礙作用使去蝕后的材料無(wú)法重新黏附在基體表面，這樣既保證了刻蝕后的陶瓷表面不受殘?jiān)啬挠绊?，又可以加快材料的去蝕速率。
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