[發(fā)明專利]一種基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410586823.7
• 申請日: 2014-10-28
• 公開（公告）號(hào): CN104475982A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姜瀾;房巨強(qiáng);曹強(qiáng);王青松;余彥武
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K26/382
• 分類號(hào): B23K26/382;B23K26/60;C03C1/04;C03C4/02;C03B33/09
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法。

背景技術(shù)

在微納制造領(lǐng)域，飛秒激光擁有非常高的能量密度和超短的脈沖寬度，可以完全電離幾乎所有材料，非常適合加工透明的玻璃材料。然而受到光子吸收效率的限制，飛秒激光加工效率很低，并不適合應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。共振吸收可以有效地提高光子的吸收效率，當(dāng)激光光子能量hν等于被加工材料的電子躍遷能級(jí)差時(shí)，會(huì)發(fā)生共振吸收效應(yīng)，此時(shí)材料對激光的吸收效率會(huì)有數(shù)倍提高。在文獻(xiàn)H.P.Liu,S.H.Yin,J.Y.Zhang,L.Wang,B.Jiang,and?N.Q.Lou:Phys.Rev.A?74,053418(2006)中，作者實(shí)現(xiàn)了超快激光光電子能譜中的共振增強(qiáng)多光子電離，氨分子同時(shí)吸收兩個(gè)265nm的光子從下態(tài)共振躍遷到中間態(tài)后，再吸收一個(gè)401nm的光子產(chǎn)生電離。但是，對于玻璃這種寬禁帶材料，在激光波長的調(diào)諧范圍內(nèi)，并不存在可以調(diào)控的中間能級(jí)，實(shí)現(xiàn)對光子的共振吸收。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決飛秒激光工藝在對玻璃材料進(jìn)行加工時(shí)，存在加工效率低的問題，而提供一種基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明的一種基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法，所述方法包括以下步驟：

1)將過渡金屬離子或稀土離子摻入待加工玻璃中，離子摻雜的濃度達(dá)到使待加工玻璃的吸收光譜發(fā)生改變并形成吸收峰，得到顏色玻璃；

2)測量第1)步得到的顏色玻璃的吸收光譜，將該吸收光譜中吸收峰的波長作為共振吸收波長；

3)采用飛秒激光工藝對所述顏色玻璃的表面或內(nèi)部進(jìn)行加工，其中采用的飛秒激光的波長等于共振吸收波長。

所述加工方法中，第1)步的離子摻入方法優(yōu)選為高溫熔融法。

所述加工方法中，第2)步的中測量顏色玻璃的吸收光譜方法采用紫外-可見-近紅外光譜儀在室溫下測量。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明通過向玻璃中摻入過渡金屬離子或稀土離子，選擇性地在能帶結(jié)構(gòu)中添加中間能級(jí)，從而改變材料的光學(xué)吸收特性和對應(yīng)的顏色，使其對特定能量光子產(chǎn)生共振吸收。與傳統(tǒng)的飛秒激光加工方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)對材料的高效率和波長選擇性加工。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述的摻雜玻璃和未摻雜玻璃的吸收光譜，以及吸收峰對應(yīng)的電子躍遷能級(jí)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。

所有實(shí)例中采用的飛秒激光器為美國光譜物理(spectrum?physics)公司生產(chǎn)，激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復(fù)頻率1kHZ，單脈沖最大能量3mJ，光強(qiáng)分布為高斯型，線偏振。所有實(shí)例中采用的光學(xué)參量放大器為立陶宛LightConvertion公司生產(chǎn)的TOPAS-C，可以使波長800nm激光脈沖在波長290-2600nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；

實(shí)施例1：

以采用本發(fā)明的基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法，向玻璃中摻入Co²⁺離子并在材料表面打孔為例，

具體加工步驟如下：

(1)將過渡金屬離子Co²⁺摻入玻璃中。在本實(shí)施例中使用高溫熔融法將金屬離子以氧化物CoO的形式摻入玻璃基質(zhì)中，摻雜濃度為3.0mass％。玻璃基質(zhì)的成分為70SiO₂-20Na₂O-10CaO(mass％)，屬于硅酸鹽玻璃；

(2)使用紫外-可見-近紅外光譜儀在室溫下測量Co²⁺摻雜玻璃的吸收光譜，如圖1所示。Co²⁺摻雜玻璃在波長600nm存在吸收峰，此為共振吸收波長，對應(yīng)的Co²⁺的電子躍遷能級(jí)為⁴A₂至⁴T₁；

(3)使用光學(xué)參量放大器調(diào)節(jié)，使飛秒激光輸出波長為600nm。

(4)將材料固定在移動(dòng)平臺(tái)上，聚焦上述激光于材料的表面進(jìn)行加工。入射激光脈沖個(gè)數(shù)為50時(shí)，材料的燒蝕閾值為1.47J/cm²；當(dāng)脈沖能量密度為3.78J/cm²時(shí)，燒蝕深度為0.79μm。

實(shí)施例2：

以采用傳統(tǒng)的飛秒激光加工的方法，在未摻雜玻璃表面打孔為例，具體加工步驟如下：