基于高斯脉冲的激光刻蚀CVD金刚石研究 
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Gaussian Pulsed Laser Etching of CVD Diamonds
南京航空航天大学机电学院, 江苏 南京 210016
图 & 表
图 1. 纳秒激光加工CVD金刚石的装置示意图
Fig. 1. Schematic of device for nanosecond laser processing of CVD diamonds
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图 2. 一个脉冲后的仿真温度云图。 (a)水平方向;(b)垂直方向
Fig. 2. Simulation temperature cloud after single pulse. (a) Horizontal direction; (b) vertical direction
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图 3. 激光功率值对刻蚀表面凹坑形貌的影响。 (a) 3W; (b) 4W;(c) 5W;(d) 7W
Fig. 3. Effect of laser power on etching surface pit morphology. (a) 3W; (b) 4W; (c) 5W; (d) 7W
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图 4. 拉曼光谱图
Fig. 4. Raman spectra
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图 5. 刻蚀凹坑的形貌。 (a)光学形貌;(b)轮廓线的高斯拟合
Fig. 5. Morphology of etching pit. (a) Optical morphology; (b) Gaussian fitting of profile
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图 6. 激光线刻蚀时扫描速度对脉冲光斑重叠的影响。(a)较小扫描速度;(b)较大扫描速度
Fig. 6. Effect of scanning speed on pulse spot overlapping during laser line etching. (a) Relatively small scanning speed; (b) relatively large scanning speed
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图 7. 激光线刻蚀能量密度模型
Fig. 7. Laser line etching energy density model
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图 8. 不同激光扫描速度下的线刻蚀宽度和侧面刻蚀深度。 (a) 50mm/s;(b) 20mm/s;(c) 0.2mm/s
Fig. 8. Line etching widths and side etching depths under different laser scanning speeds. (a) 50mm·s-1; (b) 20mm·s-1; (c) 0.2mm·s-1
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图 9. 激光功率对线刻蚀宽度的影响。 (a) 3W;(b) 7W;(c) 15W
Fig. 9. Effect of laser power on line etching width. (a) 3W; (b) 7W; (c) 15W
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图 10. 激光功率对侧表面线刻蚀扫入深度的影响。 (a) 3W;(b) 7W;(c) 15W
Fig. 10. Effect of laser power on side surface line etching depth. (a) 3W; (b) 7W; (c) 15W
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图 11. CVD金刚石表面激光面刻蚀SEM图。 (a)表面; (b)侧表面
Fig. 11. SEM image of laser etched CVD diamond surface. (a) Surface; (b) side surface
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表 1脉冲掺镱光纤激光器的主要参数
Table1. Main parameters of pulsed Ytterbium-doped fiber laser
| Parameter | Pulse duration/ns | Repetition rate/kHz | Beam qualityfactor | Wavelength/nm | Averagepower /W | Focus radius/μm |
|---|
| Value | 100 | 20--200 | 1.5 | 1064 | 2--20 | 20 |
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表 2激光点刻蚀试验参数
Table2. Experimental parameters of laser point etching
| No. | Number of pulses | Power /W |
|---|
| 1 | 25 | 3, 4, 5, 7 | | 2 | 20, 50, 100, 200 | 3 |
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表 3激光线刻蚀试验参数
Table3. Experimental parameters of laser line etching
| No. | Scanning speed /(mm·s-1) | Power /W |
|---|
| 3 | 0.2, 20.0, 50.0 | 4 | | 4 | 20 | 3, 7, 15 |
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表 4不同激光功率下的刻蚀轮廓的高斯拟合结果
Table4. Gaussian fitting results of etching profiles under different laser powers
| Power /W | Depth /μm | Width /μm | R-square |
|---|
| 3 | -5.19 | 10.38 | 0.97 | | 4 | -9.97 | 18.34 | 0.99 | | 5 | -16.11 | 32.08 | 0.98 | | 7 | -19.29 | 38.04 | 0.97 |
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表 5不同单脉冲数下的刻蚀轮廓的高斯拟合结果
Table5. Gaussian fitting results of etching profiles under different numbers of pulses
| Number of pulses | Depth /μm | Width /μm | R-square |
|---|
| 25 | -5.19 | 10.38 | 0.97 | | 50 | -8.11 | 15.14 | 0.99 | | 100 | -10.34 | 22.46 | 0.97 | | 200 | -15.40 | 31.02 | 0.99 |
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陈妮, 闫博, 李振军, 李亮, 何宁. 基于高斯脉冲的激光刻蚀CVD金刚石研究[J]. 中国激光, 2020, 47(12): 1202007. Chen Ni, Yan Bo, Li Zhenjun, Li Liang, He Ning. Gaussian Pulsed Laser Etching of CVD Diamonds[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(12): 1202007.
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