通过理论分析和实验研究，探讨了人造宝石刚玉晶体材料微孔激光加工工艺参数中激光脉冲的能量、脉冲宽度、离焦量、脉冲激光的重复频率对微孔直径和孔深的影响，确定了微孔激光加工工艺参数的有效匹配组合方法。
1 引言
随着宝石刚玉晶体的合成生长技术的较快发展，品质优良大体积的人造宝石刚玉晶体材料越来越多。人造宝石刚玉晶体是一种具有良好热、电、电子、光学、超硬脆性能的材料，用其制造的精密微孔元件近年来广泛用于机械电子、生物医疗、航空航天以及光电技术等领域，但其可加工性较差，易产生“裂纹”和“崩豁”缺陷，要用其制作精密微孔元件，微孔加工工艺及确定相应参数的研究是很有意义的。目前在红宝石微孔加工方面领先是瑞士，在蓝宝石精密平面加工方面有较大优势是日本和美国，而我国在宝石刚玉晶体材料还处于初级水平。本文结合宇航用氧气精密控制阀中精密红宝石阀芯研制（主要技术参数见图1）的实际生产试验，探讨微孔加工各参数的调整规律，确定各工艺参数的有效匹配组合方法，提高孔加工质量和精度。
2 加工方法
目前国际上对红宝石晶体元件的孔加工方法，主要是激光和超声波加工。经试验，超声波对宝石刚玉晶体的孔加工，在精度和效率方面不如激光加工，尤其在微孔加工方面，超声波加工技术无法满足生产加工要求。
我们选择激光打孔。激光器为YAG激光器，它是一种固体激光器，其激光棒的基质材料为钇铝石榴石，其特征输出波长为1.06um，可作脉冲输出，也可作连续输出。
YAG激光器主要有以下三种优点：一是输出的光可用普通的光学材料传递。二是宝石刚玉晶体材料对YAG激光吸收率较高。三是出波长短，稳定性好，输出能量较大。输出能量见以下电子跃迁能量公式：
式中c是光速，v是波长，f是频率，h是普朗克常数，h=6.6 x 10*-34焦耳.秒
3 加工参数的特性
激光打孔的过程是激光和加工材料相互作用极其复杂的热、物理、化学过程，材料去除主要与激光作用区内物质的破坏及破坏产生物的运动有关，一般可表示为：
式中下角t，r，a，t分别表示入射、反射、吸收、透射的能量。严格分析激光打孔的成因需要解决激光打孔时产生的蒸气、气化物质沿孔壁流动的动力学问题及加工材料特性，并考虑瞬间加热过程的所有因素。这个讨论十分复杂，且实验数据收集困难，难以进行，目前也没有这方面成功的报道。
我们采用试验估算的方法选择激光打孔工艺参数，并在加工中逐步修正完善。结合生产实践，经过对生产用YAG激光器各工艺参数与孔加工的特征及材料去除量关系的试验研究，获得了包括激光脉冲的能量、脉冲宽度、离焦量、脉冲激光的重复频率以及被加工材料的性质等加工参数具体有效匹配组合。
3.1 激光脉冲能量
激光棒和光学系统参数决定焦平面上的激光光斑直径的大小。其脉冲能量的变化是通过对泵浦氙灯两端输入电压的变化来实现。如图2所示是激光打孔几何原理简图。
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