[發明專利]一種高效的硬脆材料的三維微加工方法

有效

• 申請號: 202110300280.8
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113042896B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 孫洪波;盧軼明;劉學青;陳岐岱
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G02B26/10
• 分類號: G02B26/10;B23K26/36;B23K26/402;B23K26/082;B23K26/064
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純

本發明公開了一種基于硬脆材料表面的高效的三維可設計結構的制備方法，屬于激光微納加工技術領域，本發明的方法先通過激光對晶體材料預去除體積的輪廓進行改性掃描，在后續的腐蝕過程中，預去除的體積會隨之脫落，留下的部分即為設計的結構。由于本發明使用的激光功率近似于閾值功率，大大的減小了激光加工時對材料的破壞程度，減小了制備完器件的粗糙度。本發明采用的飛秒激光殼層掃描策略，不同于傳統的飛秒激光體掃描，該策略將掃描時間減低了一百倍，增加了加工效率。該方法明顯降低了激光掃描時應力的積累，減小了裂紋產生的概率。掃描后的樣品經過簡單的濕法刻蝕，殼層內部的區域會從樣品上脫落，得到表面光滑、三維可設計的微光學元件。

技術領域

本發明屬于激光微納加工技術領域，具體涉及濕法刻蝕輔助的飛秒激光直寫技術實現介質材料表面三維微納結構的制備，利用緊聚焦飛秒激光對硬質材料預去除部分的輪廓進行改性，隨后經過濕法刻蝕處理，以實現硬脆材料表面真三維結構的高效穩定加工。

背景技術

隨著光電子技術的快速蓬勃發展,以及當今光電一體化、協同化的發展趨勢,對光學系統及其光學器件提出了微型化,陣列化與集成化的應用要求。目前光學元件大多為宏觀尺寸，不再滿足未來光電子芯片高集成度的應用需求。微光學元件具有質量小、重量輕、易于集成等特點，已然成為制造微光電芯片的至關重要的單元。

目前現有的主流加工方法大多只能實現材料表面的二維浮雕型器件，三維可設計微納器件的制備一直是一個難點。飛秒激光雙光子聚合技術被認為是一種針對聚合物材料的有前景的三維微納器件的加工技術。但在實際應用中，聚合物材料的機械性能低、易被酸堿腐蝕，不適于苛刻環境的應用。玻璃、晶體等硬質透明材料具有高硬度、耐高溫、耐酸堿腐蝕、寬光譜高透過率等特點，是制備微納光學器件的理想材料。然而，飛秒激光傳統體掃描技術為待去除體積全區域的逐點掃描技術，加工效率低，掃描時間過長，不利于工業化生產。同時全區域掃描會造成大量的應力積累，導致不必要的裂紋產生。所以，上述所提到的方法都不適用于硬質材料三維微光學器件的制備。基于上述問題，研究一種硬質材料三維微光學元件的高效制備方法已經迫在眉睫。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明要解決的技術問題是：提供一種基于硬脆材料表面的高效的三維可設計結構的制備方法，即飛秒激光矢量減材法。在激光減材加工中，以激光對晶體材料的待去除體積的外部輪廓區域(即殼層)進行改性掃描，來替代對整個待去除體積進行完整體掃描的傳統掃描方式；在后續的腐蝕過程中，待去除體積會隨之整體脫落，整塊材料上留下的部分即為目標結構。由于本發明使用的激光功率近似于閾值功率，大大的減小了激光加工時對材料的破壞程度，進而明顯的減小了制備完器件的粗糙度。本發明采用的飛秒激光殼層掃描策略，不同于傳統的飛秒激光體掃描，該策略將掃描時間減低了一百倍，大大的增加了加工效率。同時該方法明顯降低了激光掃描時應力的積累，進而減小了裂紋產生的概率。掃描后的樣品經過簡單的濕法刻蝕，殼層內部的區域會從樣品上脫落，得到表面光滑、三維可設計的微光學元件。

本發明通過如下技術方案實現：

一種高效的硬脆材料的三維微加工方法，具體步驟如下：

步驟一：待加工樣品制備；

首先將待加工樣片放置于丙酮中超聲清洗1h后取出，依次經過乙醇和去離子水沖洗并吹干，樣品制備完成；

步驟二：飛秒激光內部三維改性；

首先，將樣品固定在三維加工平臺上，平臺由三維手動平臺、二維振鏡電控平臺(X,Y軸)和一維壓電位移平臺(z軸)組成；隨后，利用樣品表面劃線掃描的方法確認光斑位置，將飛秒激光聚焦在樣品上表面處，然后將預先設計好的加工文件讀入加工程序，加工文件由matlab軟件編寫，采用逐點、逐層掃描的方法進行直寫加工；掃描的方式為自下而上的殼層掃描，以確保已掃描的部分不會影響后續掃描時激光的光場；

步驟三：樣品刻蝕；