[發明專利]一種基于貝塞爾光束加工微孔結構的方法

在審

• 申請號: 202011175111.8
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112264724A
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 姜瀾;吳夢楠;李曉煒;韓偉娜
• 申請（專利權）人: 北京理工大學重慶創新中心;北京理工大學
• 主分類號: B23K26/382
• 分類號: B23K26/382;B23K26/70
• 代理公司: 重慶智慧之源知識產權代理事務所(普通合伙) 50234
• 代理人: 高彬

本發明提供一種基于貝塞爾光束加工微孔結構的方法，包括采用第一脈沖能量的貝塞爾光束對待加工樣品進行第一次加工形成初始孔；采用第二脈沖能量的貝塞爾光束對初始孔進行第二次加工，去除初始孔內的堵塞，形成通透孔；其中第一脈沖能量與第二脈沖能量指的是入射至初始孔所在加工區域處對應的實際脈沖能量，第二脈沖能量低于第一脈沖能量，且高于初始孔內堵塞區域的燒蝕閾值。通過強脈沖打孔、弱脈沖疏通的方式，同時兼顧了微孔深度和通透性，提升了貝塞爾光束加工更高深徑比通透微孔的能力，對于貝塞爾應用在玻璃等硬質介質材料微孔加工中有著重要意義。

技術領域

本發明涉及超快激光應用技術領域，尤其涉及一種基于貝塞爾光束加工微孔結構的方法。

背景技術

微孔是精密器件、裝置中的重要結構，往往承擔著導通流體、傳遞物質的重要作用。為實現導通流體、傳遞物質的功能，必須要求微孔通透無堵塞。對于直徑尺寸在微米或亞微米的孔，機械加工不適用，通常采用激光加工的方法滿足加工需求，微孔堵塞是激光加工微孔的常見缺陷。因此，開發具有高通透特性的亞波長直徑高深徑比微孔加工技術的需求迫在眉睫。

超快激光在透明介質材料內部達到一定閾值會引發多光子吸收，產生微孔、腔等結構。前一個脈沖燒蝕產生結構內會有更多由缺陷產生的自由電子，進而影響激光在介質材料內的吸收，后續吸收的激光也會進一步改變激光燒蝕產生的結構。

通過將光束空間整形為貝塞爾光束，在透明材料內能夠加工得到微米至亞微米直徑，數十至數百微米長度的微孔。這一直徑的微孔在微結構的物質輸運上有著重要意義，其高深徑比是光刻、電子束加工所無法達到的。但受光束質量、材料缺陷、熱效應熔融等影響，隨著貝塞爾光束在材料內部長度增加，微孔深度增長，貝塞爾光束在加工過程中易產生孔的堵塞、間斷等情況。解決這些堵孔、間斷等缺陷是推廣貝塞爾光束加工微孔產業化、降低產品的廢品率、提高產品可靠性的關鍵。

介質中微孔通透性的改善通常利用化學刻蝕，去除被激光改性過的堵孔區域。如“Fabrication of microchannels in fused silica using femtosecond Bessel beams”中，作者使用40％的KOH耗時200h刻蝕了15mm長的通孔。然而，這種刻蝕的方法不僅耗時，而且對于改性程度較低的堵孔結構無能為力。因此，改善貝塞爾加工孔的通透性仍然是高深徑比微孔加工技術的重要挑戰。

發明內容

本發明提供的一種基于貝塞爾光束加工微孔結構的方法，基于材料內缺陷區域自由電子增加而燒蝕閾值降低的思想，通過控制二次脈沖調節燒蝕范圍的方式，以解決貝塞爾光束在加工過程中易產生孔的堵塞、間斷等問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種基于貝塞爾光束加工微孔結構的方法，包括：

采用第一脈沖能量的貝塞爾光束對待加工樣品進行第一次加工形成初始孔；所述第一脈沖能量不低于所述待加工樣品的第一燒蝕閾值；

采用第二脈沖能量的貝塞爾光束對所述初始孔進行第二次加工，去除所述初始孔內的堵塞，形成通透孔；所述第一脈沖能量與所述第二脈沖能量指的是入射至所述初始孔所在加工區域處對應的實際脈沖能量，所述第二脈沖能量低于所述第一燒蝕閾值，且高于所述初始孔內堵塞區域的第二燒蝕閾值。

進一步的，所述第二脈沖能量低于所述第一燒蝕閾值，且高于所述初始孔內堵塞區域的第二燒蝕閾值，通過如下方式實現：

保持所述待加工樣品位置不變，在進行第二次加工時，降低所述激光器發射時的脈沖能量，使得所述第二脈沖能量低于所述第一燒蝕閾值，且高于所述初始孔內堵塞區域的第二燒蝕閾值。

進一步的，所述第二脈沖能量低于所述第一燒蝕閾值，且高于所述初始孔內堵塞區域的第二燒蝕閾值，通過如下方式實現：