我中心博士研究生Ali Naderi Bakhtiyari、吴永玲教授和郑宏宇教授在Journal of Materials Research and Technology期刊上发表了题为“Laser machining sapphire via Si-sapphire interface absorption and process optimization using an integrated approach of the Taguchi method with grey relational analysis”的论文。

激光加工蓝宝石由于激光束能量吸收低而面临挑战。本文阐述了在硅-蓝宝石界面上通过增强激光吸收来加工蓝宝石的方法，并讨论了一种可能的材料去除机制。我们采用与蓝宝石衬底背面接触的硅（Si）板作为吸收材料，以提高激光吸收并从背面去除材料的影响。在界面处聚焦波长为1030 nm,脉冲宽度为2 ns的近红外激光，导致Si烧蚀，产生具有巨大反冲压力的等离子体羽。采用田口L27正交设计和方差分析(ANOVA)研究了工艺参数对加工深度和表面粗糙度的影响。研究发现，在其它参数中重复率对加工性能特性的影响最为显著。因此，将田口法与灰色关联度分析(GRA)相结合进行了多目标优化。在最佳工艺条件下进行加工试验，获得了59.1 mm的最大加工深度和R_a=0.145 mm的最小表面粗糙度。获得了重复频率为1000 kHz、激光能量密度为1.2 J/cm²、间距为0.01 mm、扫描速度为1000 mm/s、单次扫描的最佳工艺参数。集成的田口法和GRA方法为优化激光加工过程提供了一种替代方案。

图1. 硅-蓝宝石界面吸收激光加工蓝宝石的实验装置

图2. 采用Taguchi法和GRA对单目标和多目标优化过程