[發(fā)明專(zhuān)利]一種毫米厚度石英玻璃的高質(zhì)量切割方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210853959.4
• 申請(qǐng)日: 2022-07-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115178892A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡友旺;王亞龍;孫小燕;龍超;鄭皓寧
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B23K26/38
• 分類(lèi)號(hào): B23K26/38;B23K26/60;B23K26/70;B23K26/0622
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

1.一種毫米厚度石英玻璃的高質(zhì)量切割方法，通過(guò)控制激光通量和聚焦條件，主要為飛秒激光進(jìn)給方式、激光功率、掃描速度以及單次進(jìn)給量，應(yīng)用優(yōu)選的工藝參數(shù)的飛秒激光對(duì)石英玻璃進(jìn)行改性加工，再結(jié)合超聲波輔助HF化學(xué)溶液對(duì)改性后樣品進(jìn)行選擇性刻蝕的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米厚度石英玻璃的高質(zhì)量切割。

2.一種毫米厚度石英玻璃的高質(zhì)量切割方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：搭建飛秒激光加工系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)主要由飛秒激光器、上位機(jī)、光闌、反射鏡、光門(mén)、物鏡、三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以及CCD相機(jī)組成。飛秒激光從激光器出來(lái)依次經(jīng)過(guò)光闌、三個(gè)反射鏡、光門(mén)，最后經(jīng)過(guò)物鏡垂直聚焦到樣品上。飛秒激光器、光門(mén)以及三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)均與上位機(jī)建立通訊，并可在上位機(jī)中進(jìn)行控制和調(diào)整參數(shù)。該系統(tǒng)搭建完成后進(jìn)行光路準(zhǔn)直。

步驟2：石英玻璃樣品預(yù)處理。將石英玻璃分別放在純水、無(wú)水乙醇中用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗足夠時(shí)間，然后用氮?dú)獯蹈?。再將干凈的樣品放置于步驟1中加工系統(tǒng)的載物臺(tái)上完成樣品裝夾。

步驟3：石英玻璃及飛秒激光焦點(diǎn)定位。在給予充足照明的條件下，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)的視野和焦距，可以清晰地觀察采集到石英玻璃的圖像；通過(guò)上位機(jī)調(diào)大飛秒激光器的發(fā)出激光的能量，激光光束經(jīng)過(guò)物鏡聚焦后形成空氣電離點(diǎn)，CCD相機(jī)能采集到空氣電離點(diǎn)的光斑圖像，光斑中心即為飛秒激光焦點(diǎn)。根據(jù)相機(jī)采集到的圖像觀察和確定樣品和激光焦點(diǎn)的位置，控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶著樣品移動(dòng)至合適位置，并設(shè)定為激光加工起始點(diǎn)。

步驟4：設(shè)置加工參數(shù)，將加工路徑程序化。通過(guò)控制三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶著石英玻璃與飛秒激光作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，調(diào)整進(jìn)給方式、飛秒激光功率、掃描速度以及單次進(jìn)給量，獲得飛秒激光對(duì)石英玻璃改性加工的最佳參數(shù)：采用自下而上的進(jìn)給方式、激光功率為20mW、掃描速度為400μm/s、單次進(jìn)給量為10μm。結(jié)合加工參數(shù)，把石英玻璃的切割路徑轉(zhuǎn)化為三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的組合運(yùn)動(dòng)，并將其程序化集成到上位機(jī)的控制軟件中。執(zhí)行程序完成飛秒激光對(duì)石英玻璃的改性加工。

步驟5：超聲波輔助化學(xué)刻蝕。把步驟4中飛秒激光改性后的石英玻璃放置于裝有一定濃度的HF溶液的容器中，將該容器放置于超聲波清洗機(jī)里，設(shè)定合適的參數(shù)后開(kāi)啟，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后完成石英玻璃的切割。

步驟6：切割后石英玻璃后處理。將切割斷開(kāi)的石英玻璃樣品分別放在純水、無(wú)水乙醇中用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗足夠時(shí)間，然后用氮?dú)獯蹈伞＿x用專(zhuān)門(mén)設(shè)備對(duì)清洗干凈的樣品的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，用以表征切割質(zhì)量。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種毫米厚度石英玻璃的高質(zhì)量切割方法，其特征在于，具體實(shí)施該方法，包括如下步驟：

步驟1：搭建飛秒激光加工系統(tǒng)。飛秒激光器選用高重頻飛秒激光器，激光波長(zhǎng)為1030nm，重復(fù)頻率1kHz～1MHz可調(diào)，脈寬為235fs，本發(fā)明設(shè)定飛秒激光器重復(fù)頻率10kHz，激光光束最大的輸出功率為2.06W。光路布置通過(guò)光闌、三個(gè)反光鏡、光門(mén)實(shí)現(xiàn)，可以充分利用實(shí)驗(yàn)空間，并調(diào)整光闌和反光鏡對(duì)飛秒激光進(jìn)行準(zhǔn)直，光門(mén)可控制光路的通斷。飛秒激光光束經(jīng)過(guò)10X(NA＝0.25)物鏡可聚焦在樣品上，而樣品裝夾在三維直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的載物臺(tái)上，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度可達(dá)到0.1μm，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)承載樣品與飛秒激光焦點(diǎn)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)加工。CCD相機(jī)起到輔助定位以及觀察的作用。其中高重頻飛秒激光器、光門(mén)、三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以及CCD相機(jī)均與上位機(jī)建立通訊，可在上位機(jī)中對(duì)幾種核心設(shè)備進(jìn)行操作和控制。

步驟2：石英玻璃預(yù)處理。采用的石英玻璃為熔融石英玻璃，SiO₂含量為99.99％，上下表面為邊長(zhǎng)尺寸10mm的正方形，厚度≤1000μm的石英玻璃基板樣品。將熔融石英玻璃分別放在純水、無(wú)水乙醇中用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗5min，然后用濃度99.9％的氮?dú)鈱⑶逑春蟮臉悠反蹈?，再將干凈的樣品裝夾在步驟1中加工系統(tǒng)的載物臺(tái)上，主要采用粘合劑進(jìn)行粘接。

步驟3：石英玻璃及飛秒激光焦點(diǎn)定位。這里使用鹵素?zé)籼峁┏渥阏彰?，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)的視野和焦距，可以清晰地觀察采集到熔融石英玻璃的圖像；通過(guò)上位機(jī)中的軟件將飛秒激光器的發(fā)出激光的能量調(diào)至較大，激光光束經(jīng)過(guò)物鏡聚焦后形成空氣電離點(diǎn)，CCD相機(jī)能采集到空氣電離點(diǎn)的光斑圖像，光斑中心即為飛秒激光焦點(diǎn)。即可根據(jù)相機(jī)采集到的圖像觀察和確定熔融石英玻璃和激光焦點(diǎn)的位置，控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶著熔融石英玻璃移動(dòng)，使得飛秒激光焦點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)至距離下樣品下表面10μm的位置，并設(shè)定為激光加工起始點(diǎn)。

步驟4：設(shè)置加工參數(shù)，將加工路徑程序化。通過(guò)控制三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶著石英玻璃與飛秒激光作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并在上位機(jī)中調(diào)整飛秒激光進(jìn)給方式、飛秒激光功率、掃描速度以及單次進(jìn)給量，獲得飛秒激光對(duì)石英玻璃改性加工的最佳參數(shù)：采用自下而上的進(jìn)給方式、激光功率為20mW、掃描速度為400μm/s、單次進(jìn)給量為10μm。結(jié)合加工參數(shù)，把對(duì)熔融石英玻璃的切割路徑轉(zhuǎn)化為三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的組合運(yùn)動(dòng)，并應(yīng)用C++高級(jí)編程語(yǔ)言將其程序化集成到上位機(jī)的控制軟件中。執(zhí)行程序即可完成飛秒激光對(duì)石英玻璃的改性加工。

步驟5：超聲波輔助化學(xué)刻蝕。把步驟4中飛秒激光改性后的石英玻璃放置于裝有5％濃度的HF溶液的容器中，將該容器放置于超聲波清洗機(jī)里，設(shè)定超聲波功率為80W，超聲波頻率40kHz，經(jīng)過(guò)10min時(shí)間的超聲波輔助化學(xué)刻蝕后，即可完成石英玻璃的切割。

步驟6：切割后石英玻璃后處理。將切割斷開(kāi)的熔融石英玻璃樣品分別放在純水、無(wú)水乙醇中用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗5min，然后用氮?dú)獯蹈伞?duì)于切割完成后的熔融石英玻璃，使用超景深顯微鏡對(duì)其邊緣崩邊尺寸和斷面陡直度進(jìn)行測(cè)量；而測(cè)量樣品斷面的粗糙度，使用光學(xué)表面輪廓儀進(jìn)行表征。