基于天写同步门控与四向正交交叉扫描的316L不锈钢方孔皮秒激光直写技术研究

《Photonics》：Picosecond Laser Direct Writing of Square Micro-Holes on 316L Stainless Steel Using Skywriting-Based Synchronized Gating and Orthogonal Cross-Hatch Scanning

　　

有限长度光栅扫描会导致端点过度烧蚀，而沿固定方向重复扫描会强化定向底面纹理。本研究将基于天写（skywriting）的同步门控与四向正交交叉扫描相结合，利用皮秒激光在316L不锈钢上制备方形微孔。扫描振镜的加速与减速在目标区域外完成，激光输出仅限制在匀速段内。线起始位置的局部高度变化从约8.0 μm降至1.3 μm。在标称加工面积为320 μm × 320 μm、累计全幅扫描次数为140次的条件下，四向扫描所得底面表面算术平均高度Sa为0.325 μm，比单向光栅扫描低52.3%；其Sa和Sq值也低于连续蛇形光栅扫描和连续方形螺旋扫描。将扫描次数从84次增加至532次，加工深度从22.4 μm增加至135.4 μm，在所测范围内呈近似线性关系。然而，底面粗糙度与底面面积收缩率随深度增加而增大。上述结果表明，同步门控与方向交替可改善端点一致性与平均底面均匀性，而深度扩展需在去除深度与底面质量之间进行权衡。

一、研究背景与问题

随着微型模具、微流控器件及功能表面等应用需求的不断增长，特征尺寸在数十至数百微米范围内的不锈钢微孔制备已成为精密微制造领域的重要课题。不锈钢微孔在精密模具中作为微结构复制单元，在微流控器件中承担流体输运或互连功能，并可作为调控表面润湿性与界面行为的局部织构单元。微孔的开口形状、横向尺寸、深度及尺寸一致性直接影响复制保真度、流体输运特性和功能表面性能，因此精确控制微孔几何形状对保证制造精度和功能可靠性至关重要。

激光微钻孔凭借非接触式材料去除、广泛的材料适用性和灵活的运动轨迹控制，被广泛用于难加工金属微孔制备。聚焦的超短脉冲光束在微孔特定区域内运动，通过局部烧蚀和蒸发去除材料，逐层扫描下的重复辐照使微孔深度逐步增加。然而，在高脉冲重叠和重复扫描条件下，热积累、再沉积、周期性凸起和非均匀底面去除会恶化微孔几何形状与表面质量。已有研究广泛考察了脉冲能量、重复频率、扫描速度、填充间距、累计扫描次数和扫描轨迹对材料去除效率、几何精度和表面质量的影响。但常规参数调整无法直接解决光斑运动与激光门控之间的时间失配问题，而沿固定方向重复光栅扫描在逐层烧蚀去除过程中仍可能积累定向重叠误差。

在逐层微孔制备中，每次全幅去除阶段由有限长度扫描线构成。激光开关与光斑运动在每条线起点和终点的协调直接影响加工质量。在这些位置，振镜扫描器必须加速或减速，瞬时速度偏离设定匀速。若激光在低速区间保持输出，单位长度脉冲数和空间脉冲重叠增加，导致局部能量集中、点状过度烧蚀、轮廓扩展和扫描端点深度突变。激光门控与扫描运动之间的时序偏移进一步增加了有效曝光位置的不确定性。在整幅扫描层面，扫描轨迹决定了线重叠误差和局部能量波动在每一去除层内的积累方式，从而影响微孔的几何精度和底面均匀性。固定方向重复平行扫描会沿同一方向积累填充重叠误差和去除不均匀性，形成方向性沟槽和高度起伏。连续蛇形光栅和方形螺旋轨迹虽减少了激光开关次数，但要求光斑反复经过反转区或尖角，相关局部减速同样会增加脉冲密度并导致过度去除。

尽管已有诸多进展，均匀逐层去除涉及两个不同要求：控制单个扫描端点的局部过度烧蚀，以及防止重复全幅扫描中固定方向纹理的积累。抑制端点过度烧蚀可避免局部坑洞形成，但无法缓解重复填充重叠造成的方向性沟槽积累；反之，无门控同步的旋转扫描轨迹仍会留下严重边缘缺陷。因此，对于316L不锈钢上横向尺寸数百微米的方形微孔，在一致加工与测量条件下，系统评估基于天写的同步门控与扫描方向交替相结合的方案在端点形貌、整体形貌和底面质量方面的效果，并建立累计扫描次数与加工深度、底面粗糙度及底面面积收缩率之间的演变关系，具有重要的研究价值。

二、研究内容与主要结论

研究人员搭建了皮秒激光直写系统，采用Power PMAC CK3M可编程多轴运动控制器进行联合控制。通过将扫描器加速和减速置于目标区域之外，仅在匀速段使能有效激光输出，实现了基于天写的同步门控策略。在此基础上采用四向正交交叉扫描策略，即相邻两次全幅扫描之间扫描方向顺时针旋转90°。研究人员将该策略与单向光栅扫描、连续蛇形光栅扫描和连续方形螺旋扫描进行对比，利用共聚焦测量评估端点高度变化、微孔底面粗糙度和整体形貌，并进一步考察累计扫描次数对加工深度、底面面积收缩率和底面质量的影响。

研究得出以下主要结论：直接门控条件下，激光有效输出与扫描器加速或减速重叠，增加了扫描端点单位长度脉冲沉积量，线起点形成约34.1 μm宽、最大局部高度下降约8.0 μm的点状过度烧蚀区域；将激光输出限制在匀速段后，局部高度变化降至约1.3 μm。在相同标称加工面积和累计140次全幅扫描条件下，四向正交交叉扫描重新分配了固定填充方向相关的高度误差，获得更均匀的微孔底面，其S_a为0.325 μm，比单向光栅扫描的0.681 μm低52.3%，也低于连续蛇形光栅扫描的0.713 μm和连续方形螺旋扫描的1.521 μm。在同步门控与四向正交交叉扫描条件下，累计全幅扫描次数从84次增至532次时，加工深度从22.4 μm增至135.4 μm，在所测范围内呈近似线性关系H = 0.244N + 3.73，R² = 0.997；同期S_a从0.286 μm增至3.069 μm，底面面积收缩率从20.3%增至48.2%。此外，采用该策略制备的2 × 3方形微孔阵列，X和Y方向尺寸变异系数分别为0.60%和0.30%，中心间距变异系数为0.45%，验证了该策略的批内重复性。

三、主要关键技术方法

研究人员使用自建的皮秒激光直写系统，激光源为华日皮秒脉冲激光器，波长532 nm，脉冲宽度10 ps，基频重复频率范围400 kHz–2 MHz，实验中设定为400 kHz。光束经三倍扩束后进入SCANLAB hurrySCAN二维振镜扫描器，通过焦距63 mm的F-theta透镜聚焦于试样表面，聚焦光斑直径8.41 μm，瑞利长度100.29 μm。试样为2 mm厚商用镜面抛光316L不锈钢，加工前后均经去离子水超声清洗。扫描器运动、Z轴进给和激光门控由CK3M运动控制器联合执行，同步记录指令位置、实际位置、实际速度和门控状态。全幅扫描速度为100 mm/s，相邻线间距约5.45 μm，每条离散扫描线两端各分配300 μm辅助行程。逐层加工中每个Z位置完成规定次数全幅扫描后，Z轴沿加工深度方向位移2 μm并在新焦平面重复相同扫描序列。形貌表征采用激光扫描共聚焦显微镜（VK-9710，KEYENCE），单线起始区域用100×物镜观察，整体形貌和开口尺寸用20×物镜测量，局部底面形貌、加工深度和面粗糙度用50×物镜表征，每种加工条件下独立制备三个微孔进行重复测量。

四、研究结果

3.1 端点过度烧蚀及其同步门控抑制

直接门控条件下，激光有效输出与扫描器加速重叠，起始区域接受更高累计剂量，形成与稳定线段不连续的孤立深烧蚀区，线起点异常区域横向延伸约34.1 μm，最大局部高度下降约8.0 μm。同步门控条件下，扫描器加速在目标区域外完成，激光仅在匀速段使能，线起点未出现同等规模的孤立深坑，对应高度变化约1.3 μm。将直接门控扩展到逐线全幅扫描时，相邻填充线反复引入异常端点烧蚀，沿微孔边缘和底面形成连续过加工区域。端点能量控制是实现均匀全幅去除的前提条件。

3.2 扫描轨迹对微孔形貌和底面质量的影响

在相同标称加工面积和累计140次全幅扫描条件下，单向光栅扫描的微孔底面保留与填充方向一致的带状纹理，线重叠差异在相同空间位置反复积累。四向正交交叉扫描中相邻全幅扫描方向旋转90°，一个方向产生的沟槽、脊线和局部欠加工区域被后续方向扫描线交叉覆盖，阻止固定填充误差的持续增强。连续方形螺旋扫描虽减少逐线开关次数，但引入大量90°转角，转角处速度矢量突变导致实际速度偏离设定值，局部驻留时间和脉冲重叠增加，对角线方向产生明显痕迹和中心缺陷。连续蛇形光栅扫描中每条线以周期性反转结束，反转区反复经历减速、反向和再加速，产生与填充间距对应的周期性高度波动。底面粗糙度方面，四向正交交叉扫描的S_a为0.325 μm，比单向光栅扫描的0.681 μm低52.3%，连续蛇形光栅和连续方形螺旋分别为0.713 μm和1.521 μm；S_q排序相同，分别为0.460、0.834、1.273和2.849 μm。四向正交交叉扫描的S_z为10.645 μm，高于单向光栅的6.117 μm，但远低于连续蛇形光栅的24.637 μm和连续方形螺旋的40.524 μm，其较高的S_z主要源于底面采样区域内局部凸起。

3.3 累计扫描次数对微孔深度和底面质量的影响

在同步门控、四向正交交叉扫描和固定2 μm焦平面下移步距条件下，加工Z位置数从8增至53，累计全幅扫描次数N从84增至532，总焦平面下移从14 μm增至104 μm。加工深度从N = 84时的22.4 μm增至N = 532时的135.4 μm，在所测范围内H与N近似线性关系，H = 0.244N + 3.73，R² = 0.997。随N增加，底面质量和有效底面尺寸均恶化：S_a从0.286 μm增至3.069 μm，底面面积收缩率从20.3%增至48.2%，最大扫描次数时稳定底面约占开口面积的51.8%。N ≥ 308时，角部锯齿、边缘过渡区和局部底面缺陷逐渐明显。深度相关因素包括400 kHz下微秒级脉冲间隔可能限制激光诱导等离子体和气化材料从加深微孔中的排出，导致光束衰减和颗粒再沉积；演变中的腔体几何可能通过侧壁散射和多次反射重新分配入射能量；逐层焦平面平移改变局部辐照条件；高斯光束阈值限制去除使有效烧蚀宽度小于能量分布宽度，边缘较低有效能量和侧壁几何演变共同导致稳定底面相对开口收缩。

3.4 方形微孔阵列制备一致性

采用同步门控和四向正交交叉扫描制备2 × 3方形微孔阵列，标称微孔尺寸320 μm × 320 μm，标称中心间距500 μm，每个微孔经140次全幅扫描加工。六个微孔平面形貌相似。X和Y方向实测平均尺寸分别为319.87 ± 1.90 μm和331.90 ± 1.01 μm，变异系数分别为0.60%和0.30%；实测中心间距500.55 ± 2.24 μm，变异系数0.45%。X方向平均尺寸相对标称值偏差约?0.04%，Y方向约+3.72%，该方向性差异与X和Y轴振镜的轴相关动态响应和有效扫描长度标定有关。低变异系数表明该策略具有良好批内尺寸重复性和定位一致性。

五、讨论与结论

研究结果表明，将同步门控与四向正交交叉扫描相结合，可提供端点能量控制、改善平均底面均匀性，并在当前参数范围内实现超过100 μm的深度扩展。但进一步增加扫描次数会提高底面粗糙度并减小稳定底面面积。深度扩展不仅受输入扫描次数限制，还受多脉冲去除饱和、表面演变效应和深微孔内烧蚀产物输运的制约。累计扫描次数应在目标深度与底面质量和几何保真度之间权衡选取。

研究结论如下：（1）直接门控条件下，激光有效输出可与扫描器加速或减速重叠，增加扫描端点单位长度脉冲沉积量，线起点形成约34.1 μm宽、最大局部高度下降约8.0 μm的点状过度烧蚀区域；将激光输出限制在匀速段后，局部高度变化降至约1.3 μm，同步门控改善了有效扫描段的一致性。（2）在相同标称加工面积和累计140次全幅扫描条件下，四向正交交叉扫描重新分配了固定填充方向相关的高度误差，获得更均匀的微孔底面，其S_a为0.325 μm，比单向光栅扫描的0.681 μm低52.3%，也低于连续蛇形光栅的0.713 μm和连续方形螺旋的1.521 μm；相同条件下制备的2 × 3阵列X和Y方向尺寸变异系数分别为0.60%和0.30%，中心间距变异系数为0.45%，验证了该策略的批内重复性。（3）在同步门控和四向正交交叉扫描条件下，累计全幅扫描次数从84增至532时，加工深度从22.4 μm增至135.4 μm，所测范围内近似线性关系H = 0.244N + 3.73，R² = 0.997；同期S_a从0.286 μm增至3.069 μm，底面面积收缩率从20.3%增至48.2%。累计扫描次数应在材料去除深度与微孔底面质量和几何保真度之间权衡选取。