激光诱导微射流辅助烧蚀技术实现高质量微细加工

激光诱导微射流辅助烧蚀技术实现高质量微细加工

南方科技大学与哈尔滨工业大学联合研究团队在《极端制造》期刊上发表最新研究成果，提出了一种激光诱导微射流辅助烧蚀（LIMJAA）技术，该技术能够显著提升超快激光烧蚀性能，实现高质量微细结构加工。

研究背景与意义

随着微细加工需求的不断增加，传统精密加工技术面临新的挑战。超快激光烧蚀加工虽然具有非接触、材料选择性小、热效应弱等优势，但在实际应用中仍存在重铸层、烧蚀碎屑再沉积等问题。液体辅助激光烧蚀虽能减轻热效应，但激光在液体中诱导的空化气泡和液体湍流会影响激光束传输稳定性。

为解决这些问题，研究团队提出了LIMJAA技术，通过控制液体厚度，利用高频激光诱导空化泡的非对称溃灭产生连续定向高速微射流，及时排除烧蚀区域的空化气泡、悬浮碎屑，减少热效应，同时保持较高的材料去除率。

LIMJAA技术原理

LIMJAA技术的核心是通过精确控制液体辅助激光加工中的液膜厚度，研究定向微射流的形成机制及其对脉冲激光烧蚀特性的影响。研究发现，当激光焦点位于液体界面附近时，空化气泡的非对称溃灭会产生定向微射流。随着脉冲激光的持续作用，这些脉冲微射流会累积并加速形成连续的稳定液体射流。

实验表明，当激光聚焦深度达到特定值时，微射流的初始速度达到峰值。较高的微射流初速度有利于形成稳定的连续射流，这一发现为实际LIMJAA工艺中液体层厚度的选择提供了重要参考。

材料去除机制与效果

LIMJAA技术通过激光诱导高速微射流的定向冲击，将气泡、碎屑和熔融材料从烧蚀区排出，避免了悬浮气泡和碎屑的屏蔽和散射影响，形成了更完整干净的加工表面。与传统液体辅助激光加工相比，LIMJAA技术不仅消除了烧蚀碎屑在表面的再沉积和重铸，还提高了烧蚀深度和材料去除率。

实验结果表明，在单晶SiC表面通过激光单次扫描可以加工出宽度为19 μm、深度98 μm、深宽比达5.2的高质量微沟槽。这种特殊的材料去除机制使得LIMJAA技术在微电子器件的微通道散热系统和玻璃微流道模具等领域展现出良好的应用前景。

应用前景

研究团队在多种材料表面验证了LIMJAA技术的适用性，包括硬脆性材料、热敏感材料和应力敏感材料等。实验结果显示，LIMJAA技术能够稳定加工出高质量的微结构，如微通道阵列和微孔阵列，且在超薄晶圆等材料的微钻孔加工中表现出优异的材料去除率和表面质量。

结论与展望

LIMJAA技术在微细加工领域展现出巨大潜力，特别是在难加工材料的微结构加工中具有显著优势。然而，准确控制激光加工中的局部液体厚度仍是工业应用中进一步提高加工效率和稳定性的关键挑战。未来，该技术有望在微电子、微流控模具和微通道散热片加工等领域得到广泛应用。

本文原文来自《极端制造》期刊