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　　1 引 言

　　藍寶石具有高耐磨性、高硬度和優良的熱傳導性、電絕緣性、化學性能穩定等優異的物理、化學特點，被廣泛地應用于高端智能手機、平板電腦、平板電視等電子顯示行業領域。由于藍寶石是硬脆性材料，傳統的機械加工存在易產生裂紋、碎片、分層、崩邊、邊緣破裂和刀具易磨損等缺陷，又由于藍寶石化學穩定性較好，使得傳統的化學加工方法對其難以加工。然而激光切割技術是一種高速度、高質量的切割方法，對藍寶石晶片進行切割，不僅具有加工速度快、切口質量好并且可以對任意圖形進行切割。通常用于藍寶石切割的激光器主要有超短脈沖激光、Nd：YAG激光、紫外激光；皮秒、飛秒超短脈沖激光加工藍寶石熱影響區較小，但光子能量損失大，材料去除率低，且在加工區域周圍形成無規則的納米晶體形態和裂紋以及在作用區域表面形成波紋，并且加工設備成本較高；由于藍寶石對1070 nm Nd∶YAG紅外激光的吸收率很低，要加工藍寶石就需要提高激光能量密度，故很難加工且存在熱效應明顯、重凝嚴重等現象；目前紫外激光( λ =355 nm)切割藍寶石基片時，由于激光功率較低且焦深較短，藍寶石去除率較低，只能通過多次切割的同時焦點位置不斷改變才能實現藍寶石的切割，這樣使得采用紫外激光器切割藍寶石的切割效率較低。光纖激光的穩定性和光束質量較好并且能量密度較大，對硬脆性材料和較厚板材切割相對于Nd∶YAG激光切割都有明顯的優勢，采用光纖激光結合保護氣體對藍寶石晶片進行切割，并對切割過程中工藝參數的影響規律進行分析。

　　2 實驗裝置和材料

　　實驗裝置如圖1所示，激光經過光纖傳導到準直鏡后通過聚焦鏡， 最終在焦平面獲得直徑為20μm的激光光斑；自動控制系統控制移動平臺能在X，Y方向移動。實驗采用光纖激光器的脈寬為0.13~0.2 ms、波長為1070 nm、光斑直徑為20μm、重復頻率為0~5 kHz、能量密度變化范圍為0~2.4 × 10^5J/cm2、切割速度變化范圍為0~100 mm/s。加工采用N2作為輔助氣體，噴嘴直徑為2 mm。

　　實驗樣件為光學級C-面(0001)藍寶石基片，直徑2 inches(1 inch=2.54 cm)、厚度0.31 mm。具體藍寶石基片的熱學性能參數見表1。

　　實驗前對樣件依次進行丙酮超聲波清洗和去離子水清洗和無塵環境下烘干環節處理；實驗后同樣需要嚴格的清洗：先用KOH溶液超聲清洗5 min，然后依次用丙酮溶液、 無水乙醇、去離子水超聲清洗5 min，最后在無塵環境下烘干。激光切割樣件邊緣都是通過基恩士(VK-8700)三維(3D)彩色激光共聚焦顯微鏡進行觀察。

　　3 結果與討論

　　3.1 激光能量密度對藍寶石加工質量的影響

　　圖2表示的是激光能量密度對激光切割藍寶石崩邊尺寸的影響，激光重復頻率為1 kHz，切割速度為10 mm/s，輔助氣體為N2，氣壓為1 MPa，脈寬為0.13 ms，激光能量密度從5.6~11.3 ×10^3J/cm2變化。

　　從圖2可以看出，隨著激光能量密度的增加，藍寶石的正面崩邊尺寸和背面崩邊尺寸都有所增加，但是正面崩邊尺寸的變化較小，基本都在5 μm以下。圖3表示的是激光能量密度對藍寶石正面影響效果圖，從圖3可以看出正面加工形貌多存在鋸齒狀，主要是由于激光頻率較低造成光斑分離現象所致，改變鋸齒狀現象的途徑可通過改變激光切割速度和重復頻率對其進行調整，并且在激光能量密度增加到一定大小時，正面崩邊尺寸達到飽和。這是因為當激光脈沖能量密度達到去除閾值后，鋸齒形狀逐漸趨近于光斑輪廓；能量密度繼續增加，在脈沖的作用時間內，材料的熱擴散以及等離子體的形成使得材料表面的去除量增加，形成的鋸齒有擴大趨勢。