摘要　利用调犙Ｎｄ∶ＹＡＧ 激光器输出的１０６４ｎｍ 纳秒脉冲激光聚焦在石英上，分别采用激光热加工法和激光诱导等离子体法加工微通道。热加工的通道长度可控，通道周围产生热裂纹；诱导等离子体加工的微通道内壁光滑，通道深度可达４ｍｍ。研究了激光热加工微通道时的温度场和热应力分布，分析了激光诱导等离子体加工微通道的过程。研究表明，激光热加工时温度场的存在导致热应力的产生，热应力超过石英断裂阈值使石英发生炸裂，导致微通道的形成及热裂纹的产生；激光诱导等离子体法由于等离子体屏蔽效应产生的高温等离子体烧蚀石英形成微通道，避免了热裂纹的产生。
关键词　激光技术；微通道；热应力；热裂纹

１　引　　言
    微通道是微机电系统（ＭＥＭＳ）中的重要微结构之一。通道质量的好坏影响其在微机电系统中的应用价值，因此微通道制作技术成为关键的因素。传统的微通道制作方法复杂、昂贵，随着高功率激光的诞生，用激光在透明光学材料中加工微通道得以实现。激光加工微通道有激光热加工法和激光诱导等离子体加工法。石英具有透光性好、化学性质稳定等优点，是一种很好的微通道材料。激光在石英上加工微通道已有研究［１～３］，其中激光热加工法加工速度快、通道长度可以控制，但是热裂纹多、内壁粗糙、通道不直；激光诱导等离子体加工的石英微通道内壁光滑、无热裂纹，但通道深度只能达到４ｍｍ。研究激光加工石英微通道的损伤机理，改善微通道的加工质量，有利于加工更有应用价值的微通道。
    激光与材料相互作用时，材料吸收激光能量导致温度升高、熔融、气化、等离子体形成等效应，使材料出现变形、气泡、裂纹、通道等损伤形态［４～６］。而这些都起因于激光对材料的加热效应，激光辐照光学材料引起的热应力效应受到关注，并有多方面的研究［７，８］。如何有效控制热应力的产生是激光加工中的难点。
    对于１０６４ｎｍ 的红外激光，在较弱的光强下，石英几乎完全透射，吸收系数较弱（约０．０１ｃｍ－１），但在高功率密度激光辐照下，由于缺陷以及非线性吸收效应等，吸收系数增大，石英将迅速吸收光能而升温。温度场的存在将引起热应力的产生，产生的热应力超过石英的极限应力时，会产生裂纹甚至炸裂。本文利用调犙Ｎｄ∶ＹＡＧ 激光器输出的１０６４ｎｍ 纳秒脉冲加工石英微通道，对微通道的形成与特点进行了分析。

２　实　　验
２．１　实验装置
    实验装置主要包含激光加工系统和观测测量系统两部分。采用如图１所示的激光加工系统，其中激光器是声光调犙的Ｎｄ∶ＹＡＧ 激光器，实验中输出波长为１０６４ｎｍ 的基频光，激光重复频率（可调）设置为２０００Ｈｚ，脉宽（可调）设置为１４０ｎｓ，激光脉冲是基模高斯脉冲，脉冲能量约１．７ｍＪ。该实验在空气环境下进行，激光器由计算机控制。激光束经过准直扫描后，再经一焦距为１００ｍｍ的聚焦透镜（焦点处光斑尺寸约为４００μｍ２，即１／ｅ２ 强度处半径约为１２μｍ）会聚入射到石英样品表面进行加工，熔融石英样品是上海石创光学玻璃仪器有限公司生产的六面抛光的熔融石英立方体。用于观测测量的是ＢＭ１３荧光显微镜。
２．２　实验结果
    利用激光热加工和诱导等离子体加工方法加工石英微通道。激光热加工将激光聚焦于石英底面，由于背面比正面更容易损伤［１，９］，在焦点区域形成损伤，由下往上移动焦点，将形成一条微通道。图２即为热加工出的微通道显微图，由图可知，通道周围有许多热裂纹。为了消除热加工产生的热裂纹，采用另一种加工方法，首先按热加工法在背面加工一损伤点，然后将激光正面聚焦于该损伤点，诱导石英产生等离子体，等离子体吸收激光能量，将烧蚀周围的石英继续形成等离子体，移动焦点，等离子体将烧蚀出微通道。如图３所示，微通道内壁光滑，通道周围没有产生热裂纹。

3　结　　论
    通过激光热加工法和激光诱导等离子体法加工石英微通道，热加工法加工出来的微通道长度可以控制，通道周围产生热裂纹，而激光诱导等离子体加工出的微通道内壁光滑，通道深度可达４ｍｍ。计算得到了激光热加工微通道的温度场和热应力分布，巨大的温度梯度导致了热应力的产生，热应力超过石英发生断裂的极限应力，聚焦处发生炸裂，炸裂后的石英更易吸收后续激光能量。激光直接辐照热加工，极短的时间内石英吸收激光能量产生极大热应力发生炸裂，导致微通道形成和热裂纹的产生。激光诱导等离子体加工微通道由于等离子体屏蔽效应使激光没有直接作用于石英，而是靠高温等离子体烧蚀石英形成微通道，等离子体通过后，内壁熔化的石英固化，消除了热裂纹的产生。