[發(fā)明專利]一種硬脆材料高深寬比結(jié)構(gòu)的加工方法及其在制備光學(xué)微納結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用

有效

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• 申請(qǐng)日: 2020-12-09
• 公開（公告）號(hào): CN112548355B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫洪波;劉學(xué)青;鄭家鑫;陳岐岱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K26/362
• 分類號(hào): B23K26/362;B23K26/70
• 代理公司: 長(zhǎng)春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 劉世純

本發(fā)明公開了一種硬脆材料高深寬比結(jié)構(gòu)的加工方法及其在制備光學(xué)微納結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用，屬于激光微納加工技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明的方法先對(duì)待加工的硬脆材料表面引入一層犧牲層，再利用飛秒激光對(duì)其進(jìn)行從內(nèi)部到表面的激光改性掃描，并結(jié)合刻蝕工藝使得激光改性后的區(qū)域以及犧牲層一同被去除，從而實(shí)現(xiàn)材料表面具有高深寬比微納結(jié)構(gòu)的制備。本發(fā)明通過在材料表面引入犧牲層，將由于表面和內(nèi)部損傷競(jìng)爭(zhēng)問題產(chǎn)生的未損傷區(qū)分配到合適厚度的犧牲層中，并利用刻蝕工藝去除犧牲層，從而有效避免了在待加工材料中產(chǎn)生未損傷區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，刻蝕液能夠針對(duì)激光改性區(qū)進(jìn)行充分刻蝕，從而解決了由于表面和內(nèi)部損傷競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生未損傷區(qū)阻礙刻蝕的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光微納加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及具有犧牲層的刻蝕輔助飛秒激光改性技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬脆材料高深寬比微納結(jié)構(gòu)的制備，利用飛秒激光在具有犧牲層的材料上，從內(nèi)部到表面進(jìn)行激光改性處理，結(jié)合刻蝕工藝使得犧牲層以及激光改性后的材料得以去除，從而實(shí)現(xiàn)硬脆材料表面高深寬比微納結(jié)構(gòu)的制備。

背景技術(shù)

藍(lán)寶石、石英玻璃等硬脆材料具有光學(xué)透過率高、高硬度、耐高溫、低熱膨脹系數(shù)以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，在航空航天、微光學(xué)、光電器件等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。但由于其較脆易碎的特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)工藝加工起來較為困難。飛秒激光具有高能量和高精度的特性，具有制造用于微光學(xué)，微流體，傳感器，微機(jī)械等方面的三維微米/納米結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大能力，是實(shí)現(xiàn)硬脆材料加工的理想技術(shù)。通過逐點(diǎn)直接寫入技術(shù)，多層掃描工藝對(duì)于通過高能激光燒蝕制造三維微米/納米結(jié)構(gòu)是必需的。然而在激光從材料表面向內(nèi)部燒蝕的多層掃描過程中，先前的掃描會(huì)產(chǎn)生碎片和裂紋，由于光的散射和陰影而導(dǎo)致隨后的燒蝕受到阻礙。此外，由于對(duì)材料的嚴(yán)重破壞，高能激光燒蝕也會(huì)降低制造精度。

飛秒激光改性技術(shù)及其后續(xù)的蝕刻技術(shù)由于飛秒激光改性材料所需的能量較低，并且從材料內(nèi)部向表面的掃描方向，大大消除了加工過程表面碎屑產(chǎn)生的影響，因而被認(rèn)為是一種能夠以高精度加工硬脆材料的有效方法。然而，由于內(nèi)部損傷閾值大于表面損傷閾值，因此當(dāng)從材料的內(nèi)部到表面進(jìn)行激光掃描時(shí)，表面材料將受到優(yōu)先破壞，這將在表面上再次產(chǎn)生碎片和裂紋。因此，在材料的表面和內(nèi)部損壞區(qū)域之間將形成未損壞的區(qū)域，這將阻礙隨后對(duì)改性材料的蝕刻，特別是對(duì)于原始材料的蝕刻速率極低的蝕刻劑。因此，飛秒激光在硬脆材料中實(shí)現(xiàn)高長(zhǎng)寬比的微納結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于解決表面和內(nèi)部損傷競(jìng)爭(zhēng)的問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種硬脆材料高深寬比結(jié)構(gòu)的加工方法。先對(duì)待加工的硬脆材料表面引入一層犧牲層，再利用飛秒激光對(duì)其進(jìn)行從內(nèi)部到表面的激光改性掃描，并結(jié)合刻蝕工藝使得激光改性后的區(qū)域以及犧牲層一同被去除，從而實(shí)現(xiàn)材料表面具有高深寬比微納結(jié)構(gòu)的制備。本發(fā)明通過在材料表面引入犧牲層，將由于表面和內(nèi)部損傷競(jìng)爭(zhēng)問題產(chǎn)生的未損傷區(qū)分配到合適厚度的犧牲層中，并利用刻蝕工藝去除犧牲層，從而有效避免了在待加工材料中產(chǎn)生未損傷區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，刻蝕液能夠針對(duì)激光改性區(qū)進(jìn)行充分刻蝕，從而解決了飛秒激光在硬脆材料中加工高深寬比的微納結(jié)構(gòu)時(shí)，由于表面和內(nèi)部損傷競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生未損傷區(qū)阻礙刻蝕的問題。

本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種硬脆材料高深寬比結(jié)構(gòu)的加工方法，具體步驟如下：

步驟一：待加工樣品制備；

首先將待加工樣品表面蒸鍍一層薄膜作為犧牲層，隨后利用丙酮、酒精以及去離子水的順序清潔樣品，最后用洗耳球吹干，待加工樣品制備完成；

步驟二：飛秒激光改性掃描待加工樣品；

首先，將樣品固定在三維加工平臺(tái)上，平臺(tái)由三維手動(dòng)平臺(tái)和三維電控平臺(tái)組成；飛秒激光放大器經(jīng)三倍頻后出射的飛秒激光，進(jìn)入三維壓電加工系統(tǒng)后，聚焦到待加工樣品上表面；隨后，利用樣品表面劃線掃描的方法確認(rèn)光斑位置以及聚焦焦點(diǎn)位置，然后進(jìn)行從內(nèi)部往表面的改性處理；

步驟三：樣品刻蝕；