１ 水下激光传输特性：
图１是纯净水对不同波长激光吸收的曲线［９］。横坐标为激光的波长，纵坐标为吸收长度，吸收长度即激光被完全吸收所穿过的溶液长度。
当激光射入水中时，水会吸收一部分激光而造成其能量的衰减，这可以由Ｌａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒ定律计算得到［１０］：
Ｉｘ（λ）＝Ｉ０（λ）ｅｘｐ［－μ（λ）ｘ］
（１）式中，Ｉ０（λ）为传输前的激光初始辐照度，Ｉｘ（λ）为在液体中传输路程为ｘ后的激光辐照度；μ（λ）为光束衰减系数，表示激光传输１ｍ距离后能量衰减的对数值（自然对数），单位是ｍ－１。Δ＝１／μ（λ），Δ为
激光在溶液中的吸收长度，即激光被完全吸收穿过的溶液长度，则Ｂｅｅｒ－Ｌａｍｂｅｒｔ法则还可写为：
（２）由（２）式可以方便地估算出不同水深激光的衰减比例。从图１中可以看出，对不同波长的激光，水的吸收长度Δ不同。对３５５ｎｍ紫外光的吸收长度约为５ｍ，本文中采用的水深为５ｍｍ，此时紫外激光被吸收了约０．１％。相对于其它多数波长水对紫外激光的吸收率较小，因此紫外激光较适合做水下激光加工的光源。
２ 实验研究
２．１ 实验材料和设备
实验中采用的激光加工设备为多功能紫外激光微加工系统。紫外激光加工系统主要由激光器、冷却系统、紫外光学系统、控制系统、ＣＣＤ定位系统和机械系统构成。激光器是美国ＯＰＴＯＷＡＶＥ（光波）公司的ＡＷａｖｅ３５５系列３５５ｎｍ三倍频全固态调Ｑ紫外激光器，可以输出纳秒脉冲或者连续紫外波长，激光光斑为ＴＥＭ００模式，光束质量因子Ｍ２＜１．１。激光平均功率为０Ｗ～１０Ｗ，脉冲宽度为１０ｎｓ～４０ｎｓ，重复频率为１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚ，出口光斑０．８５ｍｍ，经透镜聚焦后的焦点光斑直径约为１０μｍ。使用振镜扫描配合加工平台Ｘ－Ｙ－Ｚ３维运动方式，加工平面尺寸可达４６０ｍｍ×３１０ｍｍ。加工系统示意图如图２
所示。实验中所用材料为含氧化铝质量分数大于０．９６的陶瓷片，厚度为０．５ｍｍ，导热系数为２５Ｗ／（ｍ・Ｋ），绝缘强度为１２ｋＶ／ｍｍ。
２．２ 实验研究内容与方案
实验主要研究在空气中与水中刻蚀加工后氧化铝陶瓷片的表面形貌以及激光主要参量对水下和空气中刻蚀深度和质量的影响规律。刻蚀图形为１ｍｍ×０．５ｍｍ的矩形槽，采用线填充扫描加工，填充扫描线间距固定为５μｍ，激光聚焦平面位于氧化铝陶瓷片表面上。在空气中加工只需将氧化铝陶瓷样品放在加工平台上直接按设定参量进行加工，
如图３ａ所示。而水辅助刻蚀加工需要烧杯及固定装置，加工样品放置如图３ｂ所示。刻蚀结果采用Ｄｅｋｔａｋ１５０探针式台阶仪进行检测，得出刻蚀深度以及粗糙度数据信息。采用维视图像光电成像显微镜和Ｑｕａｎｔａ２００扫描电子显微镜进行刻蚀区域表面微观形貌的观察与分析。
３实验结果：
本文中分别对激光刻蚀参量在水下和空气中刻蚀氧化铝陶瓷的深度影响规律进行了研究（如图４所示）。主要的研究的参量有：水下光程、激光的脉冲能量密度、重复频率和扫描速率。实验中研究水下与空气中加工对比时保证除了水的因素外其它参量完全一致。实验中设定的参量变化范围如下：水下光程为２ｍｍ～１２ｍｍ；激光重复频率为３０ｋＨｚ～１００ｋＨｚ；激光脉冲能量密度为４８．０Ｊ／ｃｍ２～８５．５Ｊ／
ｃｍ２；激光扫描速率为４０ｍｍ／ｓ～１８０ｍｍ／ｓ。得到的数据曲线如图４所示。由图４ａ可知，在激光脉冲能量密度为７８．５Ｊ／ｃｍ２、扫描速率为１００ｍｍ／ｓ和频率为６０ｋＨｚ的条件下，刻蚀深度随着水下光程的增加呈现下降的趋势，这是因为水对激光的吸收作用所致。由第一部分的介绍可知，水下光程越大，激光损耗越大，而且水的散射作用也更加明显，因此刻蚀去除便会降低。当水下光程为５ｍｍ不变时，无论水下和空气中，激光刻蚀深度随着激光脉冲能量密度的增加而增加（见图４ｂ），随着激光重复频率的上升而下降（见图４ｃ），随着扫描速率的增加而下降（见图４ｃ）。
显然，激光脉冲能量密度的增加会使材料的去除率增加，而重复频率增加会使激光的峰值功率下降导致刻蚀深度下降缘故，扫描速率的增加造成材料表面单位面积作
用的激光脉冲数下降，去除效率也会下降。从对比实验结果可知，在相同的激光刻蚀参量条件下，水下刻蚀的深度要比在空气中刻蚀要大，如图４ｂ～图４ｄ中曲线对比所示。
利用显微镜和扫描电镜分别对空气中和水中的刻蚀样品进行微观形貌观察，二者的对比照片如图５和图６所示。图５中分别给出激光脉冲能量密度７８．５Ｊ／ｃｍ２、扫描速率１００ｍｍ／ｓ和频率６０ｋＨｚ条件下，在空气中（见图５ａ）和在水深５ｍｍ（见图５ｂ）时进行激光刻蚀氧化铝陶瓷结果显微照片。从图５ａ中可以明显地发现加工区域出现发黑现象，且有较严重的残渣重凝层。而在图５ｂ中则基本上没有变
色和残渣重凝现象。图６为空气中和水下激光刻蚀样品的扫描电镜照片。在图６ａ中可以明显地发现刻蚀底面较为粗糙，刻蚀痕迹明显，有较多的残渣重凝层。而在图６ｂ中的刻蚀底表面相对平整，无明显刻蚀痕迹和残渣重凝层。对图６中样品分别进行粗糙度的检测发现，空气中直接刻蚀后陶瓷表面平均粗糙度为７．５３μｍ，而水下刻蚀的平均粗糙度为３．２５μｍ。３ 实验分析３．１ 激光刻蚀氧化铝陶瓷机理分析激光加工中材料的去除机制随着激光波长的不同而有所不同。当激光波长较长时，由于光子能量较低，与材料相互作用机理是光热作用，材料吸收激光光子能量后转化为热能而被熔化甚至汽化，通过激光脉冲本身压力和材料汽化蒸发产生的反作用力来达到去除的目的。当激光波长较短时，在一定的条件下可以发生光化学作用。当光化学作用发生时，材料被去除机制是由激光直接破坏材料结合的分子键来实现。对于氧化铝陶瓷来说，其分子键为共价键，键能值约为９．１ｅＶ，属于绝缘体材料，而３５５ｎｍ紫外激光所放出的光子能量可由下式得出：
（３）式中，Ｅ为单光子能量，ｈ为普朗克常数，ｃ为光在真空中的传播速度，λ为激光的波长，ν为激光的频率。将紫外激光波长３５５ｎｍ代入（３）式可知，紫外激光光子能量约为３．５ｅＶ。显然，紫外激光单光子能量小于氧化铝陶瓷的分子键能，不能直接破坏材料结合的分子键，理论上单个光子是不能发生光化学作用的。但ＢＲＡＮＮＯＮ指出［１１］，宽能带的材料可能因为材料掺杂和自身缺陷的存在，在原来无法停留电子的能带中产生新的能带结构。这种新的能带一般出现在靠近常规能带的中间位值。其作用就如同在单晶硅中掺杂硼或磷充当受体，来帮助价电子吸收光子能量，从而激发到存在能带中的“缺陷能带”中做短暂停留，随即再吸收第２个光子的能量，然后跃迁到导带。这种因为吸收两个以上的光子能量才能发生的反应，称为“多光子吸收”。在多光子吸收过程中，材料分子必须同时或连续吸收多个光子才能发生断裂。通常多光子现象是观察不到的，只有当激光脉冲的功率密度足够大时（Ｉ＞１０６Ｗ／ｃｍ２），才可能出现比较明显的多光子吸收现象［１２］。
本文中使用的紫外激光器功率可达１０Ｗ，其光斑直径约为１０μｍ，其平均最大脉冲功率密度可达１．３×１０７Ｗ／ｃｍ２，峰值功率密度还要更高。故当紫外激光
作用于氧化铝陶瓷表面时，满足产生多光子吸收条件，可以发生光化学作用实现材料的去蚀。３．２ 水辅助激光刻蚀与空气中直接刻蚀对比分析通过前面分析可知，紫外激光可以通过“多光子吸收”产生光化学作用实现材料的去除。然而在实际加工过程中，由于高功率密度激光的照射，在空气中直接刻蚀时材料表面的温度迅速升高，材料发生熔化或者气化，此时材料主要实现的是光热作用去除。有研究指出，氧化铝陶瓷材料在２０５０Ｋ～２９８０Ｋ的熔化过程会引起氧化铝陶瓷的晶相变化，形成黑色的变质层，并通过晶相分析可知，黑色变质层以α－Ａｌ２Ｏ３和γ－Ａｌ２Ｏ３混合相为主［１３］。
因此在空气中直接加工氧化铝陶瓷会由于陶瓷相变而产生发黑变质的现象，并且重凝层较为明显，如图５ａ所示。在水下进行刻蚀加工时，由物理学相关知识可知，水的比热远大于陶瓷材料，因此，水下加工时由于水的冷却作用而使陶瓷材料表面的温度很难达到其熔
点，此时材料的去除方式应以光化学作用去除为主。此外，由于陶瓷在较低的温度时难以发生相变，因而发黑变质现象也就可以避免（见图５ｂ）。同时，当激光在水下与材料相互作用时，会产生“空泡”这一物理现象。如果空泡周围存在固体壁面，那么在溃灭
阶段还会形成指向靶面的高速射流。该高速射流所产生的冲击力往往可达到兆帕的数量级
［１４］。由于空泡的产生与破裂，形成对材料基体的强冲击作用，使因激光作用去蚀的材料迅速脱离，因此，提高了激光刻蚀深度，并且由于水的阻碍作用使去蚀后的材料无法重新黏附在基体表面，这样既保证了刻蚀后的陶瓷表面不受残渣重凝的影响，又可以加快材料的去蚀速率。
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