[發(fā)明專(zhuān)利]激光直寫(xiě)玻璃表面制備光學(xué)微結(jié)構(gòu)的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310741935.0
• 申請(qǐng)日: 2013-12-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103803485A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳繼民;黃超;方浩博
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B81C1/00
• 分類(lèi)號(hào): B81C1/00;B23K26/14;B23K26/362
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用綠光激光器直寫(xiě)玻璃表面制備微結(jié)構(gòu)的方法。

背景技術(shù)

玻璃在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)用非常廣泛，特別是在光學(xué)成像領(lǐng)域，光學(xué)玻璃扮演者重要角色，針對(duì)一些特殊要求，有時(shí)候需要在光學(xué)玻璃表面制備光學(xué)微結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)衍射、干涉等光學(xué)特性。由于玻璃的硬脆特性，長(zhǎng)期以來(lái)，在玻璃表面直寫(xiě)加工微結(jié)構(gòu)，一直是一個(gè)難題。目前在玻璃表面加工微結(jié)構(gòu)的辦法是采用掩模光刻法以及干法、濕法背面刻蝕法。在直寫(xiě)加工方面，多是采用飛秒激光，利用其冷加工效應(yīng)，對(duì)玻璃材料進(jìn)行去除。掩模光刻法中需要用到化學(xué)試劑進(jìn)行腐蝕，制備流程復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)。而飛秒激光設(shè)備昂貴，維護(hù)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)以上內(nèi)容，有必要提出一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)微裂紋的玻璃表面微結(jié)構(gòu)制備方法。

本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)利用激光在玻璃表面直寫(xiě)制備二元微結(jié)構(gòu)，而不需要掩模。

本發(fā)明采用的激光直寫(xiě)制備裝置包括計(jì)算機(jī)、激光器、計(jì)算機(jī)與激光器連接的數(shù)據(jù)線、數(shù)控電位移平臺(tái)，材料為光學(xué)玻璃。

激光直寫(xiě)玻璃表面制備光學(xué)微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括以下步驟：

將激光聚焦到玻璃表面，開(kāi)啟壓縮氣罐閥門(mén)，通過(guò)內(nèi)徑為4mm～7mm的通氣管平行于玻璃表面吹輔助氣體，輔助氣體壓強(qiáng)為0.3MPa～0.4MPa，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為200mm/min～500mm/min，對(duì)于BK7玻璃激光能量密度設(shè)定為3.1J/cm²～7.5J/cm²，對(duì)于普通玻璃能量密度設(shè)定為2.1J/cm²～6.4J/cm²；開(kāi)光加工；完成后利用超聲波清洗2～5分鐘；激光器是低重頻0.5KHz～5KHz、長(zhǎng)脈寬20～120μs的激光器；激光器是532nm半導(dǎo)體泵浦激光器以及1064nm固體激光器。

所述的定位激光是指綠激光工作在低功率狀態(tài)下，可以起到定位作用。

所述的輔助氣體是壓縮空氣、壓縮氮?dú)狻嚎s氬氣等無(wú)毒氣體。

所述的輔助氣體壓強(qiáng)是指壓縮氣罐出口處壓強(qiáng)，當(dāng)其數(shù)值大于大氣壓強(qiáng)時(shí)輔助氣體將被吹出，數(shù)值越大，吹出的輔助氣體流速越快。本發(fā)明中，輔助氣體壓強(qiáng)為0.3～0.4MPa。所述的通氣管內(nèi)徑為4mm～7mm。

所述的激光器是波長(zhǎng)為532nm的半導(dǎo)體泵浦綠光激光器或者1064nm固體激光器。所述的激光器屬于低重頻0.5KHz～5KHz、長(zhǎng)脈寬20～120μs激光器。

所述的玻璃是除強(qiáng)化玻璃外的其他玻璃材料。如普通那該玻璃、BK7光學(xué)玻璃、石英玻璃等。

本發(fā)明的工作原理是：利用定位激光將激光聚焦于玻璃表面，也可以精確測(cè)量玻璃厚度數(shù)值，通過(guò)坐標(biāo)運(yùn)算，直接調(diào)整平臺(tái)使玻璃表面位于激光焦距處。玻璃表面附近材料對(duì)激光的吸收率遠(yuǎn)高于玻璃內(nèi)部材料，在激光作用下，激光聚焦區(qū)域的玻璃材料溫度驟增，達(dá)到軟化點(diǎn)甚至汽化點(diǎn)。達(dá)到軟化點(diǎn)的材料會(huì)在氣化材料以及光壓沖擊下向刻槽兩側(cè)濺射。為了提高刻蝕效率，加快切削材料濺射速度，同時(shí)保護(hù)刻蝕過(guò)程中材料不受污染，在平行于玻璃表面方向吹保護(hù)氣體，可以是氮?dú)饣蛘邏嚎s空氣。從而形成一個(gè)空氣流速較快的低壓區(qū)域，有效加速軟化點(diǎn)以上材料和氣化材料的飛離。平行吹氣是為了減小氣體的冷卻效應(yīng)，如果氣體直接向玻璃表面吹會(huì)因?yàn)椴ＡЮ鋮s較快而產(chǎn)生不可控制的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)。

同時(shí)激光能量密度和加工速度需要嚴(yán)格控制在合理范圍內(nèi)，從而避免裂紋產(chǎn)生。對(duì)于普通鈉鈣玻璃材料，刻蝕速度為400mm/min、輔助氣體壓強(qiáng)為0.3～0.4MPa時(shí)，激光能量密度范圍2.1J/cm²～6.4J/cm²對(duì)應(yīng)微結(jié)構(gòu)深度范圍1.20μm～3.10μm，寬度范圍10.0μm～14.0μm，當(dāng)激光能量密度大于6.4J/cm²時(shí)，微結(jié)構(gòu)周?chē)鷮⒊霈F(xiàn)微裂紋，當(dāng)激光能量密度小于2.1J/cm²時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效刻蝕。對(duì)于BK7光學(xué)玻璃，刻蝕速度為400mm/min、保護(hù)氣體壓強(qiáng)為0.3～0.4MPa時(shí)，激光能量范圍3.1J/cm²～7.5J/cm²對(duì)應(yīng)微結(jié)構(gòu)深度范圍0.96～2.50μm，寬度范圍9.1μm～13.6μm，當(dāng)激光能量密度高于7.5J/cm²將出現(xiàn)微裂紋，當(dāng)能量密度低于3.1J/cm²時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效刻蝕。

本發(fā)明可以利用激光在玻璃表面加工光學(xué)微結(jié)構(gòu)，而不需要掩膜、光刻膠、化學(xué)腐蝕等流程。加工得到的微結(jié)構(gòu)粗糙度小，無(wú)微裂紋。