[發明專利]一種雙激光束序列掃描精密加工藍寶石的方法

有效

• 申請號: 201410204028.7
• 申請日: 2014-05-14
• 公開（公告）號: CN103952767A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 鄭長和;潘洪武
• 申請（專利權）人: 浙江嘉泰激光科技有限公司
• 主分類號: C30B33/04
• 分類號: C30B33/04;C30B33/10;B24B1/04
• 代理公司: 北京中北知識產權代理有限公司 11253
• 代理人: 李雪芳

技術領域

本發明屬于激光加工技術領域，具體涉及一種納秒與皮秒雙激光束序列掃描精密加工藍寶石的方法。

背景技術

人造藍寶石的化學成分為氧化鋁(Al2O3)，是α-Al203單晶體，俗稱剛玉晶體。藍寶石晶體硬度僅次于金剛石，具有優異的光學性能、機械性能、電學性能和化學穩定性。藍寶石化學惰性好、熔點高、抗電磁干擾，可工作于惡劣環境；強度高，藍寶石元件可以做的更薄，促進光學系統的小型化和輕量化，相比塑料、樹脂、玻璃等透明材料有不可比擬的優勢，因此在軍事國防、航空航天及民用等眾多領域有廣泛應用。發展高效率、高精密、低成本的藍寶石加工技術，對推進生命科學、生化分析、醫療檢測、光子通訊和生物傳感等眾多領域的應用有著重要意義。

對于高亮度LED、手機顯示蓋板等應用場合所采用的藍寶石，以往的主流加工方法是使用金剛石劃片機等進行掰片。但是，隨著市場的擴大，對提高生產率、成品合格率提出了更高的要求，加之激光加工的迅速普及，激光加工在藍寶石加工中逐漸成為主流工藝。

現有的藍寶石激光精密加工，一般采用高功率超快激光(皮秒激光、飛秒激光)直接加工，即逐層燒蝕或切割加工的方式，高脈沖能量的激光束聚焦在藍寶石表面，通過材料的熔化、氣化等方式得以去除，從而獲得孔、槽、切割邊等精細結構。實驗研究發現：藍寶石加工質量和效率與激光波長、激光脈寬、重復頻率、掃描速度以及材料表面狀況等有關。特別是藍寶石材料表面粗糙度對吸收率有重要影響，粗糙的表面與鏡面相比，粗糙的表面吸收率大、激光加工效率更高。而日本理化所(RIKEN)、美國倫斯勒理工學院等研究機構的實驗研究發現，對藍寶石、玻璃工件進行適當熱處理，高溫作用將使藍寶石外表面產生斑點，可以大幅提高熱處理區的腐蝕速率，藍寶石相變區和未相變區化學腐蝕速率比可達到10000:1。

然而，現有的超快激光直接刻蝕加工方法具有以下不足：一是加工精度不夠高，加工部位難以達到光學元件表面粗糙度要求，從而導致了其不能作為高精密度光學器件使用；二是效率低，對超快激光束的能量密度要求很高，只有目前市面上的高端皮秒或飛秒激光器才可用于工業加工用途，從而推高了設備成本、限制了藍寶石的產品推廣。

發明內容

針對以上不足，本發明通過將納秒與皮秒脈沖激光束復合，輔以超聲波化學腐蝕和超聲波磨粒拋光處理，實現了藍寶石表面的超精密加工，相比現有領域技術方法，其加工精度更高、加工效率更高、設備和工藝成本更低。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種雙激光束序列掃描精密加工藍寶石的方法，包括如下步驟：

(1)在工作臺上安裝超聲波發生器，并在超聲波發生器的上方固定安裝一具有凹型開口的容器，所述容器內設有夾持裝置，將藍寶石工件通過夾持裝置固定在所述容器內；

所述容器內裝有藍寶石化學腐蝕液，藍寶石化學腐蝕液的液面高度與藍寶石工件的上表面平齊或低0.01mm～0.2mm；

(2)安裝激光加工頭，所述激光加工頭能夠切換輸出納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束；所述納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束的波長均為1064nm；其中，激光加工頭與藍寶石工件的相對方位應使得激光加工頭輸出的納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束垂直入射到藍寶石工件表面，并聚焦在藍寶石工件表面上；

(3)開啟納秒脈沖激光器，控制激光加工頭輸出納秒脈沖激光束，按照待加工軌跡控制納秒脈沖激光束在藍寶石工件表面進行一次掃描運動，使得藍寶石工件表面的激光光斑照射區域溫度升高到比藍寶石工件的熔點低10～50攝氏度；

(4)關閉納秒脈沖激光器，使激光加工頭停止輸出納秒脈沖激光束；

(5)開啟超聲波發生器，使得容器內藍寶石化學腐蝕液的液面發生波動，波動的液面在超聲波驅動下漫過并沖刷藍寶石工件表面，使得步驟(3)中藍寶石工件表面的激光光斑照射區域發生化學腐蝕；

(6)關閉超聲波發生器，等待藍寶石化學腐蝕液的液面平靜下來，即不再漫過或沖刷藍寶石工件表面；

(7)開啟皮秒脈沖激光器，控制激光加工頭輸出皮秒脈沖激光束，按照待加工軌跡控制皮秒脈沖激光束在藍寶石工件表面進行一次掃描運動，使得藍寶石工件表面的激光光斑照射區域發生熔化和蒸發，其表面薄層材料得到快速去除；

(8)關閉皮秒脈沖激光器，使激光加工頭停止輸出皮秒脈沖激光束；

(9)重復步驟(3)-(8)，直至藍寶石工件表面的孔或槽深度滿足加工要求；

(10)將容器內的藍寶石化學腐蝕液更換為磨粒拋光液，更換后的液面超過藍寶石工件表面，將藍寶石工件完全浸沒；