[發明專利]一種高效制備高深徑比微孔陣列的方法

在審

• 申請號: 201610040690.2
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN105458529A
• 公開（公告）日: 2016-04-06
• 發明（設計）人: 姜瀾;謝乾;李曉煒
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B23K26/382
• 分類號: B23K26/382;B23K26/06;B23K26/064
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種加工高深徑比微孔陣列的方法，特別涉及一種利用飛秒激光貝塞爾光束高效加工高深徑比微孔陣列的方法，屬于飛秒激光應用技術領域。

背景技術

微孔制造在航空航天領域、光電學領域、微流體器件等相關領域都有著極其重要的應用，隨著激光技術的不斷進步和發展，微孔制造方面的研究具有十分重要的現實意義。激光微孔制造的優勢在于具有較好的柔性和較高的自動化程度，另外，與傳統機械加工技術相比，激光微孔制造技術為無接觸技術，加工工具也不會因加工材料質地較硬而發生斷裂破壞。飛秒激光是一種新型的脈沖激光，其脈沖持續時間可低至飛秒量級。與傳統的長脈沖激光相比(如納米激光和皮秒激光)，飛秒激光在微細加工方面具有其獨特的優勢：(1)加工尺度小，可實現亞微米甚至納米級加工；(2)飛秒激光加工時不會出現長脈沖激光時常出現的等離子體屏蔽效應，顯著提高了加工效率；(3)飛秒激光加工可顯著減少重鑄層，微裂紋和熱影響區。

飛秒激光器產生以來，利用其在各種材料上進行了大量的微孔加工實驗研究，其中，微孔尺寸和微孔的質量是微孔制造過程中最重要的兩個指標，包括微孔的直徑、深度和側壁錐度等問題。在已知的飛秒激光微孔加工方法中，大部分是利用高斯型強度分布的飛秒激光，經過高倍顯微物鏡聚焦后加工透明材料，但若不采用特殊加工手段，微孔的深徑比較難突破100:1。飛秒激光微孔制造是推動制造業進步和發展的關鍵性技術之一，極小尺寸和極高質量的微孔是飛秒激光微孔制造發展的目標。

另外，高深徑比微孔陣列相比于單個的微孔在生物醫學、航天航空、光電學等方面應用更為突出。目前存在的問題則是，加工大面積(比如1cm×1cm)的高深徑比微孔陣列，所需的加工時間過長并且陣列中微孔的質量未能保證，加工效率極低。因此，目前迫切需要一種能夠高效加工高深徑比微孔陣列的方法并且能夠保證陣列中各微孔質量的均一性。

發明內容

本發明的目的是為了解決高質量、高深徑比的微孔陣列加工效率較低，無法在較短的時間內快速加工大面積的高深徑比微孔陣列的難題，提出一種利用飛秒激光貝塞爾光束高效加工高深徑比微孔陣列的方法，本發明通過對飛秒激光空間光整形，調控激光輻照區域瞬態的電子密度，并結合飛秒激光“飛行時間打孔法”(JournalofLaserApplications,4(2),15-24,1992)，實現大面積高深徑比微孔陣列的高效加工。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種利用飛秒激光貝塞爾光束高效加工高深徑比微孔陣列的方法，具體步驟如下：

步驟一：利用軸棱錐原理，將平行入射的飛秒激光高斯光束整形為飛秒激光貝塞爾光束；

步驟二：將步驟一中空間光整形得到的貝塞爾光束通過望遠系統縮小尺寸成微貝塞爾光束，使其具有足夠高的能量進行樣品的加工；

步驟三：將加工樣品置于六維移動的平移臺上，控制平移臺帶動樣品運動，將步驟二中得到的微貝塞爾光束聚焦在被加工樣品表面；

步驟四：利用“飛行時間打孔法”，在飛秒激光貝塞爾光束單脈沖條件下，快速加工大面積高深徑比微孔陣列。通過控制飛秒激光重復頻率和平移臺的移動速度(掃描速度)來控制微孔加工速度和相鄰微孔間的間距。

作為優選，所述步驟一使用錐透鏡將平行入射的高斯光束整形為焦深較長的貝塞爾光束。

作為優選，所述望遠系統由一個平凸透鏡和一個聚焦物鏡組成。

作為優選，所述加工樣品材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/PET/PC/熔融石英等透明材料。

一種利用飛秒激光貝塞爾光束高效加工高深徑比微孔陣列的裝置，包括飛秒激光系統、半波片、偏振分光棱鏡、連續衰減片、機械快門、光闌、錐透鏡、平凸透鏡、二向色鏡、聚焦顯微物鏡和六維精密位移平臺；

連接關系：飛秒激光系統、半波片、偏振分光棱鏡、連續衰減片、機械快門、光闌、錐透鏡、平凸透鏡依次平行、同軸放置，二向色鏡的中心位于經過平凸透鏡的光軸上，成45°放置，光軸經二向色鏡反射依次通過聚焦顯微物鏡、加工樣品和六維精密位移平臺的中心；