[發(fā)明專利]一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質量微孔的方法

無效

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• 申請日: 2014-04-15
• 公開（公告）號: CN103878496A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發(fā)明（設計）人: 姜瀾;房巨強;曹強
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B23K26/382
• 分類號: B23K26/382;B23K26/0622
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及激光應用領域，尤其涉及一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質量微孔的方法。?

背景技術

激光加工大深徑比微孔在微光學元件、微電子器件、微生物學以及微化學領域中都有著廣泛的應用。玻璃、陶瓷和聚合物等寬禁帶材料擁有價格低廉，透明度高和易于塑形等優(yōu)點，尤其是PMMA材料，在可見光范圍內具有高的光穿透性，還有低的燒蝕效率和玻璃化轉變溫度，非常適合應用于微光學等領域的微孔加工。?

相較于連續(xù)激光，脈沖激光可以調控脈沖持續(xù)時間和重復頻率，在微孔加工中更加具有優(yōu)勢。在文獻S.Lazare,J.Lopez,and?F.Weisbuch:Appl.Phys.A69,S1(1999)中，作者通過降低光束發(fā)散度和改善光束均勻性的方法，使用納秒激光加工出了大深徑比的微孔，但當深徑比增加的時候，這種加工的精度很差，因而不適合應用于大深徑比、高精度加工領域，例如：染料噴射器、噴絲頭和噴油嘴等。相比于納秒激光，飛秒激光可以在很短的時間內將能量沉積到材料中，其熱影響區(qū)顯著降低，不會發(fā)生熔融和凝固現象，從而可以獲得相對于納秒激光更高的加工精度。在文獻Y.Zhang,R.M.Lowe,E.Harvey,P.Hannaford,A.Endo:Appl.Surf.Sci.186,345(2002)中，作者使用800nm波長的飛秒激光單脈沖在聚合物上加工出了深徑比大于10的微孔，其直徑為20-40μm，深度為300-400μm。但是使用傳統紅外波段飛秒激光（多數為單脈沖）加工方式，在給定的能量條件下，很難突破衍射極限，加工出直徑更小的孔；而且在大能量條件下，孔深也不會持續(xù)隨著激光能量的增加而增長，孔徑的擴大還會造成深徑比降低，并伴隨著孔壁粗糙度升高，孔尾端分叉等現象。?

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是為了克服飛秒激光加工微孔時效率低、深徑比小、質量差?的不足，提供一種采用可見光雙脈沖技術來整體改善飛秒激光加工微孔的方法。該方法通過調節(jié)超快激光雙脈沖的子脈沖延時、波長、能量等參數，有效調控局部瞬時電子動態(tài)，從而改變其對應材料特性和相應的激光與材料相互作用過程，提高激光加工微孔的效率、深徑比和質量。?

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現：?

本發(fā)明的一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質量微孔的方法，所述方法包括以下步驟：?

步驟1）采用飛秒激光系統產生近紅外飛秒激光單脈沖，利用飛秒激光光學參量放大器將近紅外飛秒激光單脈沖的波長調節(jié)為可見光，然后利用邁克爾遜干涉儀結構的光路把激光單脈沖調制為激光雙脈沖，再利用連續(xù)衰減片調整激光雙脈沖的總能量不小于待加工樣品的加工閾值；?

步驟2）使步驟1）中所得到的可見光雙脈沖穿過光學快門，并通過物鏡后垂直聚焦于待加工樣品的上表面；?

步驟3）利用光學快門控制可見光雙脈沖的曝光時間，進而調整照射到待加工樣品表面的激光脈沖個數，直至加工微孔的深度達到飽和。?

所述待加工樣品為寬禁帶透明材料，包括玻璃、晶體、陶瓷和聚合物。?

進一步的，步驟1）中，可見光波長調節(jié)范圍為480-780nm。?

進一步的，步驟1）中，雙脈沖兩個子脈沖之間的延時時間為100-300fs。?

進一步的，步驟2）中，借助縱向CCD和縱向白光光源實現待加工樣品的上表面成像并用以檢測激光聚焦。?

進一步的，步驟3）中，借助橫向CCD和橫向白光光源實時監(jiān)測微孔的加工形貌。?

進一步的，步驟3）中，可以使用氮氣吹走加工過程中產生的碎屑。?

有益效果：?

本發(fā)明通過將激光波長調節(jié)至可見光波段，并通過時域整形生成雙脈沖序列，實現高效率微孔加工，與傳統的飛秒激光制造方法相比，能夠有效提高微孔加工的深徑比和質量。?

附圖說明

圖1為本發(fā)明飛秒激光可見光雙脈沖加工方法的光路圖；?

其中，1-飛秒激光器；2-飛秒激光光學參量放大器；3-連續(xù)衰減片；4-分光棱鏡；5-合光棱鏡；6-第一反射鏡；7-第二反射鏡；8-第三反射鏡；9-第四反射鏡；10-機械平移臺；11-光纖光譜儀；12-自相關儀；13-光學快門；14-光學快門控制系統；15-二向色鏡；16-物鏡；17-待加工樣品；18-6維精密移動平臺；19-移動平臺控制系統；20-縱向白光光源；21-縱向CCD；22-橫向白光光源23-橫向CCD；24-氮氣裝置。?

圖2為傳統紅外波段飛秒激光單脈沖加工方法與本發(fā)明加工方法加工微孔的形貌對比圖。?