一種透明介質(zhì)微結(jié)構(gòu)均勻改性加工的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種透明介質(zhì)微結(jié)構(gòu)均勻改性加工的方法，該方法利用第一激光對透明介質(zhì)進行加工，以使加工后的透明介質(zhì)形成若干個改性區(qū)域；將經(jīng)過改性之后的透明介質(zhì)浸入至腐蝕溶液中，以使所述改性區(qū)域被腐蝕，驗證其加工均勻性并形成若干個中空的微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供了一種透明介質(zhì)微結(jié)構(gòu)均勻改性加工的方法，第一激光包含產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光，且兩者之間具有預設(shè)的時間間隔，在對透明介質(zhì)進行加工時，先到達透明介質(zhì)的光束能夠使得透明介質(zhì)在該光束的聚集處產(chǎn)生高溫晶格，后到達透明介質(zhì)的光束緊接著對該高溫晶格進行加工，使得經(jīng)過上述方法加工之后的透明介質(zhì)均勻性好，從而能夠達到理想的設(shè)計效果。
【專利說明】
一種透明介質(zhì)微結(jié)構(gòu)均勻改性加工的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光學技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種透明介質(zhì)微結(jié)構(gòu)均勻改性加工的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]飛秒激光與傳統(tǒng)的長脈沖激光比較而言，其脈沖持續(xù)時間極短，峰值功率極高，熱效應小可實現(xiàn)冷加工，廣泛的應用于透明介質(zhì)的加工中。其激光脈沖經(jīng)物鏡聚焦在微小區(qū)域內(nèi)可以獲得極高的功率密度，與透明介質(zhì)作用時表現(xiàn)出強烈的非線性現(xiàn)象，通過雪崩電離和光致電離過程可以在極短的時間內(nèi)將能量沉積在材料聚焦的區(qū)域，產(chǎn)生局部等離子體膨脹，導致材料的有效折射率改變，實現(xiàn)材料的改性或是去除。飛秒激光與材料的作用機理大致為:激光與材料作用完之后，材料中的電子通過多光子電離隧道電離等方式從價帶躍迀到導帶，隨后電子通過吸收光子的能量使其自身加熱，隨后其將能量傳遞給晶格，晶格最后將能量傳遞給周圍介質(zhì)。
[0003]傳統(tǒng)的飛秒激光刻蝕方法加工微結(jié)構(gòu)經(jīng)常會出現(xiàn)加工區(qū)域的不均勻，而導致最終難以得到理想的微結(jié)構(gòu)，這對于激光加工技術(shù)在微制造加工領(lǐng)域的普遍應用帶來了諸多不便之處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的問題時，如何提供一種加工均勻性較好的透明介質(zhì)微結(jié)構(gòu)加工方法。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種透明介質(zhì)微結(jié)構(gòu)均勻改性加工的方法，包括:
[0006]利用第一激光對透明介質(zhì)進行加工，以使加工后的透明介質(zhì)形成若干個改性區(qū)域，所述第一激光為包含產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光，且兩者之間具有預設(shè)的時間間隔，將經(jīng)過改性之后的透明介質(zhì)浸入至腐蝕溶液中，以使所述改性區(qū)域被腐蝕，驗證其加工均勻性并形成若干個中空的微結(jié)構(gòu)；
[0007]其中，形成每一個改性區(qū)域的步驟包括:
[0008]將第一激光聚焦至透明介質(zhì)的該微結(jié)構(gòu)預設(shè)的起始位置;所述預設(shè)的起始位置為位于透明介質(zhì)的內(nèi)部，且與透明介質(zhì)朝向所述第一激光的外表面具有預設(shè)厚度的位置；
[0009]移動所述透明介質(zhì)并同時調(diào)整所述第一激光中兩路光束的光路，使得第一激光對所述透明介質(zhì)從所述預設(shè)的起始位置開始進行改性，其中，第一激光中先到達透明介質(zhì)的一路脈沖使改性區(qū)域產(chǎn)生高溫晶格，后到達透明介質(zhì)的一路脈沖對已產(chǎn)生的高溫晶格再加工，第一激光對所述透明介質(zhì)的改性直至該微結(jié)構(gòu)預設(shè)的終止位置為止，以使位于起始位置以及終止位置之間的材料被改性，形成改性區(qū)域。
[0010]優(yōu)選地，所述產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光之間預設(shè)的時間間隔為0-305皮秒。
[0011]優(yōu)選地，所述產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光之間預設(shè)的時間間隔為300 ±5皮秒。
[0012]優(yōu)選地，所述產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光均為飛秒;或，
[0013]產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光均為皮秒脈沖;或，
[0014]廣生尚溫晶格的激光和對尚溫晶格再加工的激光中的一路為飛秒脈沖，另一路為皮秒脈沖。
[0015]優(yōu)選地，所述產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光的波長任意，但激光脈寬小于1ps。
[0016]優(yōu)選地，所述產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光的能量比為0.5-2。
[0017]優(yōu)選地，所述腐蝕溶液為氫氟酸溶液。
[0018]優(yōu)選地，所述氫氟酸溶液的濃度為1%-15%。
[0019]優(yōu)選地，所述第一激光由同一光束經(jīng)過分光并經(jīng)過脈沖調(diào)整而形成的第一激光，或由兩束光束組合形成的第一激光。
[0020]本發(fā)明提供的透明介質(zhì)的微結(jié)構(gòu)均勻改性的加工方法中，第一激光包含產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光，且兩者之間具有預設(shè)的時間間隔，在對透明介質(zhì)進行加工時，先到達透明介質(zhì)的光束能夠使得透明介質(zhì)在該光束的聚集處產(chǎn)生高溫晶格，后到達透明介質(zhì)的光束緊接著對該高溫晶格進行加工，使得經(jīng)過上述方法加工之后的透明介質(zhì)均勻性好、腐蝕速率快，從而能夠達到理想的設(shè)計效果。
【附圖說明】
[0021]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些示例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0022]圖1是本發(fā)明提供的透明介質(zhì)微結(jié)構(gòu)均勻改性加工的方法流程圖；
[0023]圖2是圖1中加工每一個微結(jié)構(gòu)的方法流程圖；
[0024]圖3是本發(fā)明提供的透明介質(zhì)示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0026]第一方面，本發(fā)明提供了一種透明介質(zhì)微結(jié)構(gòu)均勻改性加工的方法，如圖1所示，包括:
[0027]S101、利用第一激光對透明介質(zhì)進行加工，以使加工后的透明介質(zhì)形成若干個改性區(qū)域，第一激光為包含產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光，且兩激光之間具有預設(shè)的時間間隔；
[0028]S102、將經(jīng)過改性之后的透明介質(zhì)浸入至腐蝕溶液中，以使改性區(qū)域被腐蝕，驗證其加工均勻性并形成若干個中空的微結(jié)構(gòu)；
[0029]其中，形成每一個改性區(qū)域的步驟如圖2所示，包括:
[0030]SlOla、將第一激光聚焦至透明介質(zhì)的該微結(jié)構(gòu)預設(shè)的起始位置;所述預設(shè)的起始位置為位于透明介質(zhì)的內(nèi)部，且與透明介質(zhì)朝向所述第一激光的外表面具有預設(shè)厚度的位置；
[0031]SlOlb、移動所述透明介質(zhì)并同時調(diào)整所述第一激光中兩路光束的光路，使得第一激光對所述透明介質(zhì)從所述預設(shè)的起始位置開始進行改性，其中，第一激光中先到達透明介質(zhì)的一路脈沖使改性區(qū)域產(chǎn)生高溫晶格，后到達透明介質(zhì)的一路脈沖對已產(chǎn)生的高溫晶格進行再加工，第一激光對所述透明介質(zhì)的改性直至該微結(jié)構(gòu)預設(shè)的終止位置為止，以使位于起始位置以及終止位置之間的材料被改性，形成改性區(qū)域。
[0032]本發(fā)明提供的透明介質(zhì)的微結(jié)構(gòu)均勻改性的加工方法中，第一激光包含兩路具有預設(shè)時間間隔的脈沖，在對透明介質(zhì)進行加工時，先到達透明介質(zhì)的光束能夠使得透明介質(zhì)在該光束的聚集處產(chǎn)生高溫晶格，后到達透明介質(zhì)的光束緊接著對該高溫晶格進行加工，使得經(jīng)過上述方法加工之后的透明介質(zhì)均勻性好、腐蝕速率快，從而能夠達到理想的設(shè)計效果。
[0033]為方便理解，下面結(jié)合附圖對步驟SlOla以及步驟SlOlb的加工過程進行具體說明。
[0034]如圖3所示，透明介質(zhì)可以放置于工作臺上(圖3中未示出)，在對第一微結(jié)構(gòu)進行加工時，首先將第一激光聚焦至透明介質(zhì)的第一微結(jié)構(gòu)預設(shè)的起始位置，也即圖3中示出的a位置。這里的a位置位于透明介質(zhì)的內(nèi)部，且與透明介質(zhì)朝向第一激光的外表面也即圖3示出的外表面具有預設(shè)厚度，具體的厚度可以根據(jù)實際情況而定，本發(fā)明在此不作具體限定。
[0035]在激光聚焦指揮，移動工作臺從而移動透明介質(zhì)，與此同時調(diào)整第一激光中兩路光束的光路，例如可以通過一系列的光學器件分別調(diào)整兩路光束的光路，從而使得第一激光對透明介質(zhì)從a位置開始進行改性，其中，第一激光中先到達透明介質(zhì)的一路脈沖使改性區(qū)域產(chǎn)生高溫晶格，后到達透明介質(zhì)的一路脈沖對已產(chǎn)生高溫晶格進行再加工，第一激光對所述透明介質(zhì)的改性直至該微結(jié)構(gòu)預設(shè)的終止位置改性也即圖3中示出的b位置為止，以使位于a位置以及b位置之間的材料被改性，形成第一微結(jié)構(gòu)的改性區(qū)域。其他微結(jié)構(gòu)的改性區(qū)域的形成步驟與上述步驟相同，在此不再贅述。
[0036]在具體實施時，第一激光中包含的產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光之間預設(shè)的時間間隔可以為0-305皮秒。通過實驗研究表明，當時間間隔的范圍為0-305皮秒，相比于現(xiàn)有的單脈沖加工方法，本發(fā)明提供的方法腐蝕成功率較高，形成的微結(jié)構(gòu)均勾性也大大提尚。
[0037]然而，當脈沖波形延遲較小，例如為I皮秒時，改性區(qū)域與濃度為I%_15 %的腐蝕溶液刻蝕反應的刻蝕速率相比于傳統(tǒng)的單脈沖激光加工微結(jié)構(gòu)速率較慢。因此，優(yōu)選地，產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光之間預設(shè)的時間間隔可以為300±5皮秒。實驗表明，當時間間隔的范圍為300±5皮秒時，當脈沖波形延遲調(diào)整為300皮秒時，不僅刻蝕成功率比傳統(tǒng)單脈沖加工有了很大提高，且改性區(qū)域與濃度為1%-15%的腐蝕溶液刻蝕反應的速率有很大提高，從而能夠在保證加工均勻性的同時提供加工的效率。
[0038]在具體實施時，第一激光中的兩路激光可以有多種實施方式，例如產(chǎn)生高溫晶格的激光和對尚溫晶格再加工的激光均為飛秒;或，廣生尚溫晶格的激光和對尚溫晶格再加工的激光均為皮秒脈沖;或，產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光中的一路為飛秒脈沖，另一路為皮秒脈沖。產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光的波長任意，但激光脈寬小于10皮秒;產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光的能量比為
0.5-2。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，這里的脈沖周期、脈沖波長以及脈沖的能量僅為本發(fā)明列舉的幾個具體實施例，在實際應用中上述參數(shù)均可以根據(jù)實際情況進行適應性設(shè)置與修改，本發(fā)明在此不作具體限定。
[0039]在具體實施時，這里的腐蝕溶液為氫氟酸溶液。優(yōu)選地，氫氟酸溶液的濃度為I% -15%。當然，這里的腐蝕溶液也可以為其他能夠腐蝕透明樣品的溶液，本發(fā)明在此不作具體限定。
[0040]在具體實施時，這里的第一激光可以由同一光束經(jīng)過分光并經(jīng)過脈沖調(diào)整而形成的第一激光，還可以由兩束光束組合形成的第一激光，本發(fā)明在此不作具體限定。
[0041]需要說明的是，上述實施例中的舉例說明只是為了便于更好地理解本發(fā)明實施例提供的方法，并不能構(gòu)成對本發(fā)明的具體限定。且上述的各個優(yōu)選實施方式之間不會相互影響，各個優(yōu)選實施方式之間的任意組合所得到的方案均應該落入本發(fā)明的保護范圍。
[0042]為進一步體現(xiàn)本發(fā)明提供的透明介質(zhì)加工方法的優(yōu)越性，在相同參數(shù)條件下，本發(fā)明還采用傳統(tǒng)的單脈沖激光生成裝置對透明介質(zhì)進行加工，用于與本發(fā)明提供的加工方法進行比較。經(jīng)過實驗可知，利用傳統(tǒng)方法在透明介質(zhì)中形成的微結(jié)構(gòu)在后續(xù)的腐蝕過程中，并不是每次都可以順利的進行腐蝕，在實驗中對5條利用傳統(tǒng)方法加工的微結(jié)構(gòu)進行腐蝕，其中只有兩條或三條可以腐蝕成功，其他的氫氟酸并未能進入，難以達到理想的效果。而本發(fā)明提供的裝置隨著脈沖時間間隔的增加，腐蝕成功的概率明顯的得到了改善，將透明介質(zhì)內(nèi)部的微通道的腐蝕成功率從48%提高到了 98%之多，使得材料加工的結(jié)果更加的均勻，能夠得到更好的加工質(zhì)量和加工效率。
[0043]應該注意的是上述實施例對本發(fā)明進行說明而不是對本發(fā)明進行限制，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下可設(shè)計出替換實施例。在權(quán)利要求中，不應將位于括號之間的任何參考符號構(gòu)造成對權(quán)利要求的限制。單詞“包含”不排除存在未列在權(quán)利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞“一”或“一個”不排除存在多個這樣的元件。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序?？蓪⑦@些單詞解釋為名稱。
[0044]以上實施例僅用于說明本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和范圍當中。
【主權(quán)項】
1.一種透明介質(zhì)微結(jié)構(gòu)均勻改性加工的方法，其特征在于，包括: 利用第一激光對透明介質(zhì)進行加工，以使加工后的透明介質(zhì)形成若干個改性區(qū)域，所述第一激光包含產(chǎn)生高溫晶格的激光和對高溫晶格再加工的激光，且兩者之間具有預設(shè)的時間間隔； 將經(jīng)過改性之后的透明介質(zhì)浸入至腐蝕溶液中，以使所述改性區(qū)域被腐蝕，驗證其加工均勻性并形成若干個中空的微結(jié)構(gòu)； 其中，形成每一個改性區(qū)域的步驟包括: 將第一激光聚焦至透明介質(zhì)的該微結(jié)構(gòu)預設(shè)的起始位置;所述預設(shè)的起始位置為位于透明介質(zhì)的內(nèi)部，且與透明介質(zhì)朝向所述第一激光的外表面具有預設(shè)厚度的位置； 移動所述透明介質(zhì)并同時調(diào)整所述第一激光中兩路光束的光路，使得第一激光對所述透明介質(zhì)從所述預設(shè)的起始位置開始進行改性，其中，第一激光中先到達透明介質(zhì)的一路脈沖使改性區(qū)域產(chǎn)生高溫晶格，后到達透明介質(zhì)的一路脈沖對已產(chǎn)生的高溫晶格改性進行再加工，第一激光對所述透明介質(zhì)的加工改性直至該微結(jié)構(gòu)預設(shè)的終止位置為止，以使位于起始位置以及終止位置之間的材料被改性，形成改性區(qū)域。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生高溫晶格激光和對高溫晶格再加工的激光之間預設(shè)的時間間隔為0-305皮秒。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生高溫晶格激光和對高溫晶格再加工的激光之間預設(shè)的時間間隔為300 ± 5皮秒。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述廣生尚溫晶格激光和對尚溫晶格再加工的激光均為飛秒;或， 產(chǎn)生高溫晶格激光和對高溫晶格再加工的激光均為皮秒脈沖;或， 廣生尚溫晶格激光和對尚溫晶格再加工的激光中的一路為飛秒脈沖，另一路為皮秒脈沖。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生高溫晶格激光和對高溫晶格再加工的激光的波長任意，但激光脈寬小于10皮秒。6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生高溫晶格激光和對高溫晶格再加工的激光的能量比為0.5-2。7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述腐蝕溶液為氫氟酸溶液。8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述氫氟酸溶液的濃度為I%-15 %。9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一激光為由同一光束經(jīng)過分光并經(jīng)過脈沖調(diào)整而形成的第一激光，或由兩束光束組合形成的第一激光。
【文檔編號】B23K26/362GK106041313SQ201610457799
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】孫小燕, 褚東凱, 胡友旺, 段吉安, 王聰
【申請人】中南大學