铝硅酸盐玻璃的激光微加工技术研究
发布时间：2021-07-20 19:22
近年来,超快激光微加工快速的发展,可广泛应用于微电子、显微外科和工业加工等领域。超快激光可烧蚀和微加工几乎所有类型材料,只要使用一组最佳的加工参数,便可以在微米精度上控制进行切割、铣削、蚀刻和纹理表面。相比普通激光,超快激光对于透明材料微加工更有优势,其超短的脉冲避免了加工材料表面褶皱的形成,超高的能量密度使得材料对激光的线性吸收转换为非线性吸收,避免了材料加工区域热响应区的形成。同时紫外激光也因波长短、加工区域周围热效应小、成本低等特点在微加工具有独特的优势,能有效提高加工精密度,广泛应用在工业激光微加工领域中。体内选择性激光刻蚀技术（ISLE）将激光改性与化学刻蚀相结合,近些年得到了广泛的关注。本论文采用体内选择性激光刻蚀技术的方法,利用超快激光和紫外激光在康宁玻璃（铝硅酸盐玻璃）进行微加工研究并探究其在工业上应用。本论文的主要内容包括:1.介绍了超快激光对透明材料微加工的研究现状,激光对透明材料微加工的两种方法及其对应刻蚀机理。2.飞秒激光选择性刻蚀制备微通道的研究。飞秒激光的激光功率和刻蚀速率是激光微加工制备微通道的重要参数,通过最佳的加工参数可使所产生的热效应可以忽略不计。实...
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
熔石英玻璃的破坏阈值随光子能量变化图[7]
?对于几个飞秒的超短脉冲激光，光电离可以提供所有的导带电子。1.1.2激光选择性刻蚀法机理选择性刻蚀将超快激光聚焦辐射可以引起透明电介质的化学和物理性质的高度局部化永久改变，利用选择性刻蚀法能够制造光子[9,10]、微流体组件[11]、光学存储[12]和纳米结构[13]，并能有效加工透明材料的表面结构和内腔体等微小结构[14~16]。亚琛工业大学Jens等人将该技术命名为体内选择性激光刻蚀（In-volumeSelectiveLaserEtching，简称ISLE）技术[17]。激光选择性刻蚀法就是将超快激光加工和化学腐蚀结合起来，具体分为两步，如图1.2所示，第一步是使超快激光在透明介质材料内聚焦，扫描出微纳结构的三维形状，使激光扫描过的区域发生改性。第二步是将加工过的材料放到腐蚀溶液里，由于改性区域的材料更容易与腐蚀溶液发生反应，腐蚀过后激光扫描过的改性区域被清除。相比激光直接刻蚀法，该方法可避免因高能量激光气化的材料在被加工样品表面再度凝结而影响加工进一步进行。激光选择性刻蚀法需要的能量密度较低，激光刻蚀速度也相对更快，更适合工业生产。但其缺点在于需要较长的腐蚀时间，降低了加工的效率。同时腐蚀溶液不但对改性区域有腐蚀作用，对非改性区也会腐蚀，对材料本身会造成一定的损伤，甚至有些腐蚀溶液存在安全隐患，对人体有害。图1.2体内选择性激光刻蚀（ISLE）的两个步骤：Ⅰ.激光改性Ⅱ.化学腐蚀改性区域
铝硅酸盐玻璃的激光微加工技术研究8第2章飞秒激光刻蚀铝硅酸盐玻璃制备微通道的研究2.1实验装置图2.1为飞秒激光选择刻蚀铝硅酸盐玻璃的实验装置图。所使用的激光由美国相干公司生产的掺钛蓝宝石激光放大器（LegendElite-USP-HE,CoherentInc.）作照射源。飞秒激光脉宽为35fs，中心波长为800nm，重复频率为1kHz，最大平均功率为4W。所输出激光水平偏振，光束强度为高斯分布。飞秒激光首先经过一个光阑，通过光阑可以控制激光束的直径；随后通过可以连续调节激光功率大小的衰减器，三个45°的反面镜可以将光束方向从上向下传输，最后经过显微物镜聚焦在一点进行刻蚀。由于光通量由脉冲能量和聚焦程度决定，显微物镜的放大倍数越高光斑越小聚焦效果越好，更适合微加工改性处理，显微物镜（Olympus）选用数值孔径数为0.85、放大倍数为100。将铝硅酸盐玻璃水平固定在三维平移台上，通过物镜聚焦光束照射在材料样品上。图2.1飞秒激光选择性刻蚀加工实验装置图在照射之前，在去离子水的超声浴中清洗铝硅酸盐玻璃，以确保激光束不会在表面小颗粒上散射，完全聚焦在样品内部。通过电脑控制三维平移台沿垂直于光束的X轴水平移动铝硅酸盐玻璃样品。通过飞秒激光对铝硅酸盐玻璃内部进行改性，对加工完样品进行清洗后，将通过飞秒激光改性后的铝硅酸盐玻璃置于10Mol/L(质量分数35.8%）加热至97℃的高温高浓度KOH溶液中进行化学腐蚀。随后将腐蚀过的铝硅酸盐玻璃再次置于去离子水中并用超声波辅助清洗。通过光
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学微透镜阵列模压成形研究进展与展望[J]. 周天丰,解加庆,梁志强,刘欣,刘晓华,王西彬. 中国光学. 2017(05)
[2]激光改性辅助腐蚀加工玻璃微结构研究[J]. 王伟莹,孙小燕,董欣然,刘曼玉,褚东凯,胡友旺. 应用激光. 2017(04)
[3]飞秒激光湿法刻蚀微纳制造[J]. 陈烽,杨青,边浩,杜广庆,柳克银,孟祥卫,邓泽方,山超. 应用光学. 2014(01)
[4]飞秒激光和酸刻蚀方法制作凹面微透镜阵列[J]. 李明,程光华,赵卫,王屹山,贺俊芳,陈国夫. 光子学报. 2009(03)
[5]超短脉冲激光对无机硅材料的损伤[J]. 李玉华,马法君,戴能利,杨光,陆培祥. 中国激光. 2007(07)
[6]贝塞尔光束与激光打孔[J]. 蒋志平,陆启生,刘泽金. 光学技术. 1996(01)
博士论文
[1]飞秒激光微细加工电介质材料与微光器件制备研究[D]. 李玉华.华中科技大学 2007
本文编号：3293432
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
熔石英玻璃的破坏阈值随光子能量变化图[7]
?对于几个飞秒的超短脉冲激光，光电离可以提供所有的导带电子。1.1.2激光选择性刻蚀法机理选择性刻蚀将超快激光聚焦辐射可以引起透明电介质的化学和物理性质的高度局部化永久改变，利用选择性刻蚀法能够制造光子[9,10]、微流体组件[11]、光学存储[12]和纳米结构[13]，并能有效加工透明材料的表面结构和内腔体等微小结构[14~16]。亚琛工业大学Jens等人将该技术命名为体内选择性激光刻蚀（In-volumeSelectiveLaserEtching，简称ISLE）技术[17]。激光选择性刻蚀法就是将超快激光加工和化学腐蚀结合起来，具体分为两步，如图1.2所示，第一步是使超快激光在透明介质材料内聚焦，扫描出微纳结构的三维形状，使激光扫描过的区域发生改性。第二步是将加工过的材料放到腐蚀溶液里，由于改性区域的材料更容易与腐蚀溶液发生反应，腐蚀过后激光扫描过的改性区域被清除。相比激光直接刻蚀法，该方法可避免因高能量激光气化的材料在被加工样品表面再度凝结而影响加工进一步进行。激光选择性刻蚀法需要的能量密度较低，激光刻蚀速度也相对更快，更适合工业生产。但其缺点在于需要较长的腐蚀时间，降低了加工的效率。同时腐蚀溶液不但对改性区域有腐蚀作用，对非改性区也会腐蚀，对材料本身会造成一定的损伤，甚至有些腐蚀溶液存在安全隐患，对人体有害。图1.2体内选择性激光刻蚀（ISLE）的两个步骤：Ⅰ.激光改性Ⅱ.化学腐蚀改性区域
铝硅酸盐玻璃的激光微加工技术研究8第2章飞秒激光刻蚀铝硅酸盐玻璃制备微通道的研究2.1实验装置图2.1为飞秒激光选择刻蚀铝硅酸盐玻璃的实验装置图。所使用的激光由美国相干公司生产的掺钛蓝宝石激光放大器（LegendElite-USP-HE,CoherentInc.）作照射源。飞秒激光脉宽为35fs，中心波长为800nm，重复频率为1kHz，最大平均功率为4W。所输出激光水平偏振，光束强度为高斯分布。飞秒激光首先经过一个光阑，通过光阑可以控制激光束的直径；随后通过可以连续调节激光功率大小的衰减器，三个45°的反面镜可以将光束方向从上向下传输，最后经过显微物镜聚焦在一点进行刻蚀。由于光通量由脉冲能量和聚焦程度决定，显微物镜的放大倍数越高光斑越小聚焦效果越好，更适合微加工改性处理，显微物镜（Olympus）选用数值孔径数为0.85、放大倍数为100。将铝硅酸盐玻璃水平固定在三维平移台上，通过物镜聚焦光束照射在材料样品上。图2.1飞秒激光选择性刻蚀加工实验装置图在照射之前，在去离子水的超声浴中清洗铝硅酸盐玻璃，以确保激光束不会在表面小颗粒上散射，完全聚焦在样品内部。通过电脑控制三维平移台沿垂直于光束的X轴水平移动铝硅酸盐玻璃样品。通过飞秒激光对铝硅酸盐玻璃内部进行改性，对加工完样品进行清洗后，将通过飞秒激光改性后的铝硅酸盐玻璃置于10Mol/L(质量分数35.8%）加热至97℃的高温高浓度KOH溶液中进行化学腐蚀。随后将腐蚀过的铝硅酸盐玻璃再次置于去离子水中并用超声波辅助清洗。通过光
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学微透镜阵列模压成形研究进展与展望[J]. 周天丰,解加庆,梁志强,刘欣,刘晓华,王西彬. 中国光学. 2017(05)
[2]激光改性辅助腐蚀加工玻璃微结构研究[J]. 王伟莹,孙小燕,董欣然,刘曼玉,褚东凯,胡友旺. 应用激光. 2017(04)
[3]飞秒激光湿法刻蚀微纳制造[J]. 陈烽,杨青,边浩,杜广庆,柳克银,孟祥卫,邓泽方,山超. 应用光学. 2014(01)
[4]飞秒激光和酸刻蚀方法制作凹面微透镜阵列[J]. 李明,程光华,赵卫,王屹山,贺俊芳,陈国夫. 光子学报. 2009(03)
[5]超短脉冲激光对无机硅材料的损伤[J]. 李玉华,马法君,戴能利,杨光,陆培祥. 中国激光. 2007(07)
[6]贝塞尔光束与激光打孔[J]. 蒋志平,陆启生,刘泽金. 光学技术. 1996(01)
博士论文
[1]飞秒激光微细加工电介质材料与微光器件制备研究[D]. 李玉华.华中科技大学 2007
本文编号：3293432
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