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氧化铝陶瓷具有稳定的物理、化学性能及优异的电学性能，已逐渐发展为大功率LED照明、5G通讯、大功率电力半导体器件及航空航天等领域电子器件电路基板的主要材料。随着工业激光器技术的成熟及应用普及，激光打孔技术已成为氧化铝陶瓷电路基板微孔加工的首要选择。然而，氧化铝陶瓷对大多数波段激光吸收差，微孔加工伴随的热效应易导致微观缺陷，因而涂敷激光吸收剂及高压气体辅助成为传统毫秒激光打孔不可或缺的技术手段，而这些辅助技术限制了氧化铝陶瓷的激光打孔速度。本论文采用新型复合激光进行氧化铝陶瓷打孔，研究了氧化铝陶瓷复合激光打孔的理论与工艺，实现了无激光吸收剂、高压气体辅助下的氧化铝陶瓷激光打孔，并探索了氧化铝陶瓷的高速打孔。获得了以下主要研究结果。
(1)建立了氧化铝陶瓷复合激光打孔理论模型，复合激光由纳秒激光与毫秒激光组成。理论分析了氧化铝陶瓷激光吸收率的影响机制，仿真表明，采用纳秒-毫秒两步复合激光进行打孔，利用1mm厚氧化铝陶瓷对1064nm激光吸收率低于0.05的特性，通过纳秒激光烧蚀小孔内壁的多重反射可增强毫秒激光的吸收约4倍，因而打孔无需涂敷传统的激光吸收剂；另一方面，理论分析了氧化铝陶瓷激光打孔材料移除效率的影响机制，计算表明，采用纳秒/毫秒同步复合激光进行打孔，峰值功率密度为2.68×109W/cm2的纳秒脉冲产生的加热效果、反冲压力及等离子体冲击波等，在增强氧化铝陶瓷吸收的同时，产生的熔融氧化铝排除速度高于200mm/ms，因而可在无激光吸收剂、高压气体辅助下实现氧化铝材料的激光打孔。
(2)搭建了氧化铝陶瓷复合激光打孔实验系统，复合激光由空间复合的纳秒激光与毫秒激光组成，打孔过程无激光吸收剂与高压气体辅助。其中，纳秒激光由端面泵浦固体激光器产生，峰值功率高达235kW；毫秒激光由调制的连续光纤激光器产生，脉冲能量高达4J。纳秒-毫秒复合激光打孔实验结果表明，脉冲数150、峰值功率密度为2.68×109W/cm2的纳秒脉冲序列烧蚀的深21.5μm小孔，可使得毫秒激光的吸收达到饱和，打孔所需的毫秒激光单脉冲能量密度可降至57J/cm2，这比传统的毫秒激光打孔参数低两个数量级；另一方面，纳秒/毫秒复合激光打孔实验结果表明，1.5ms、0.4J的毫秒激光复合17ns、4mJ的纳秒激光进行打孔，使用总能量1.692J可形成上、下表面直径、深度为222μm、184μm、1mm的微孔，材料移除效率高达1.9×107μm3/J，在我们了解范围内，这一数值高于现有报道的氧化铝陶瓷打孔材料移除效率。
(3)优化了氧化铝陶瓷复合激光打孔参数，分析了复合激光打孔的空间匹配关系。从微孔直径、裂纹、飞溅物沉积、重铸层和能谱组成等方面系统的对比分析了微孔的微观特征，结果表明，纳秒/毫秒复合激光打孔方式因吸收增强、溅射提高，微孔直径增大、重铸层厚度降低、脱氧暗化程度减弱，但由于纳秒激光引入的高的温度梯度，孔裂纹增大。因而，优化纳秒/毫秒复合激光参数，通过复合直径均约50μm的毫秒、纳秒激光进行打孔，证实该方式可进一步减小微孔的孔径、裂纹，因而纳秒/毫秒复合激光表现出最高的加工效率、质量。另一方面，研究发现离轴入射的纳秒激光形成椭圆光斑，但对复合激光打孔的圆度没有影响，并通过实验与理论分析证实了纳秒/毫秒复合激光打孔质量可与纳秒激光的光斑形状无关，打孔存在的自匀化效应优化了打孔的圆度。
(4)探索了氧化铝陶瓷的复合激光高速打孔。首先，基于参数优化的纳秒/毫秒复合激光打孔实验系统进行了高速打孔实验，在无吸收剂、高压气体辅助下，0.5ms、0.15J的毫秒激光复合17ns、4mJ的纳秒激光可实现10孔/秒的打孔速度。低的设备成本、简单的打孔流程、较高的打孔速度体现出该纳秒/毫秒复合激光打孔系统高的性价比，因而更适用于工业应用；此外，还研究了基于Nd：YAG放大器结构的复合激光高速打孔，结果表明，纳秒脉冲的单脉冲能量可提高至50mJ，总能量1.62J的复合脉冲可在1ms时间加工直径约160μm的微孔，整体打孔速度高达70孔/秒。该复合激光打孔系统进一步证实了复合激光打孔的有效性，并体现出复合激光在氧化铝陶瓷打孔应用中的极大潜力。
综上所述，本论文提出了氧化铝陶瓷复合激光打孔新方法，解决了氧化铝陶瓷打孔对激光吸收剂、高压气体辅助的依赖性，分析了氧化铝陶瓷复合激光打孔的机理与工艺研究，并探索了氧化铝陶瓷的高速激光打孔。该研究可为氧化铝陶瓷高速打孔应用提供参考，在工业激光加工领域有较大的应用潜力。
(1)建立了氧化铝陶瓷复合激光打孔理论模型，复合激光由纳秒激光与毫秒激光组成。理论分析了氧化铝陶瓷激光吸收率的影响机制，仿真表明，采用纳秒-毫秒两步复合激光进行打孔，利用1mm厚氧化铝陶瓷对1064nm激光吸收率低于0.05的特性，通过纳秒激光烧蚀小孔内壁的多重反射可增强毫秒激光的吸收约4倍，因而打孔无需涂敷传统的激光吸收剂；另一方面，理论分析了氧化铝陶瓷激光打孔材料移除效率的影响机制，计算表明，采用纳秒/毫秒同步复合激光进行打孔，峰值功率密度为2.68×109W/cm2的纳秒脉冲产生的加热效果、反冲压力及等离子体冲击波等，在增强氧化铝陶瓷吸收的同时，产生的熔融氧化铝排除速度高于200mm/ms，因而可在无激光吸收剂、高压气体辅助下实现氧化铝材料的激光打孔。
(2)搭建了氧化铝陶瓷复合激光打孔实验系统，复合激光由空间复合的纳秒激光与毫秒激光组成，打孔过程无激光吸收剂与高压气体辅助。其中，纳秒激光由端面泵浦固体激光器产生，峰值功率高达235kW；毫秒激光由调制的连续光纤激光器产生，脉冲能量高达4J。纳秒-毫秒复合激光打孔实验结果表明，脉冲数150、峰值功率密度为2.68×109W/cm2的纳秒脉冲序列烧蚀的深21.5μm小孔，可使得毫秒激光的吸收达到饱和，打孔所需的毫秒激光单脉冲能量密度可降至57J/cm2，这比传统的毫秒激光打孔参数低两个数量级；另一方面，纳秒/毫秒复合激光打孔实验结果表明，1.5ms、0.4J的毫秒激光复合17ns、4mJ的纳秒激光进行打孔，使用总能量1.692J可形成上、下表面直径、深度为222μm、184μm、1mm的微孔，材料移除效率高达1.9×107μm3/J，在我们了解范围内，这一数值高于现有报道的氧化铝陶瓷打孔材料移除效率。
(3)优化了氧化铝陶瓷复合激光打孔参数，分析了复合激光打孔的空间匹配关系。从微孔直径、裂纹、飞溅物沉积、重铸层和能谱组成等方面系统的对比分析了微孔的微观特征，结果表明，纳秒/毫秒复合激光打孔方式因吸收增强、溅射提高，微孔直径增大、重铸层厚度降低、脱氧暗化程度减弱，但由于纳秒激光引入的高的温度梯度，孔裂纹增大。因而，优化纳秒/毫秒复合激光参数，通过复合直径均约50μm的毫秒、纳秒激光进行打孔，证实该方式可进一步减小微孔的孔径、裂纹，因而纳秒/毫秒复合激光表现出最高的加工效率、质量。另一方面，研究发现离轴入射的纳秒激光形成椭圆光斑，但对复合激光打孔的圆度没有影响，并通过实验与理论分析证实了纳秒/毫秒复合激光打孔质量可与纳秒激光的光斑形状无关，打孔存在的自匀化效应优化了打孔的圆度。
(4)探索了氧化铝陶瓷的复合激光高速打孔。首先，基于参数优化的纳秒/毫秒复合激光打孔实验系统进行了高速打孔实验，在无吸收剂、高压气体辅助下，0.5ms、0.15J的毫秒激光复合17ns、4mJ的纳秒激光可实现10孔/秒的打孔速度。低的设备成本、简单的打孔流程、较高的打孔速度体现出该纳秒/毫秒复合激光打孔系统高的性价比，因而更适用于工业应用；此外，还研究了基于Nd：YAG放大器结构的复合激光高速打孔，结果表明，纳秒脉冲的单脉冲能量可提高至50mJ，总能量1.62J的复合脉冲可在1ms时间加工直径约160μm的微孔，整体打孔速度高达70孔/秒。该复合激光打孔系统进一步证实了复合激光打孔的有效性，并体现出复合激光在氧化铝陶瓷打孔应用中的极大潜力。
综上所述，本论文提出了氧化铝陶瓷复合激光打孔新方法，解决了氧化铝陶瓷打孔对激光吸收剂、高压气体辅助的依赖性，分析了氧化铝陶瓷复合激光打孔的机理与工艺研究，并探索了氧化铝陶瓷的高速激光打孔。该研究可为氧化铝陶瓷高速打孔应用提供参考，在工业激光加工领域有较大的应用潜力。