CN103613278A - 一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法，具体涉及一种利用飞秒激光双脉冲对玻璃扫描改性，进而提高改性区域刻蚀效率的方法，属于飞秒激光应用技术领域。通过把传统的飞秒激光调制为飞秒激光双脉冲，调控材料局部瞬时电子状态，从而增强飞秒激光辐照区的改性程度和改性均匀度，最终提高辐照区的刻蚀效率，改性区的刻蚀效率可以比采用传统的飞秒激光脉冲提高数倍。

Description

一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法
技术领域
本发明涉及一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法，具体涉及一种利用飞秒激光双脉冲对玻璃扫描改性，进而提高改性区域刻蚀效率的方法，属于飞秒激光应用技术领域。
背景技术
微光机电系统，由于需要光学检测，所以在很多应用场合需要用透明介质材料做基底，在基底上加工一些微孔结构以配合流体或光谱检测。玻璃是一种光学性质良好的透明介质材料，目前在玻璃基底上加工微孔结构已经广泛应用在MEMS及生物芯片中。
飞秒激光因为其超高的峰值功率、超短的脉冲持续时间，可以突破光学衍射极限，广泛应用于材料微纳加工领域。目前在玻璃材料上加工微孔结构主要有两种方法：一种是直接用飞秒激光烧蚀加工；另一种是飞秒激光改性辅助化学刻蚀加工。前一种方法的材料去除效率高，但是该方法加工高深径比的微孔的能力有限；第二种制备方法分为两个步骤：首先用聚焦的飞秒激光在玻璃材料内部扫描出微孔的图案，然后把辐照过的玻璃材料浸入一定浓度的氢氟酸溶液之中，激光辐照改性区的材料与氢氟酸溶液发生化学反应被去除，可以实现大深径比的微孔制备，但是该方法的缺点是辐照改性区在氢氟酸溶液中的刻蚀效率较低。
发明内容
本发明的目的是为提高辐照改性区在氢氟酸溶液中的刻蚀效率，提出一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法，通过把传统的飞秒激光调制为飞秒激光双脉冲，调控材料局部瞬时电子状态，从而增强飞秒激光辐照区的改性程度和改性均匀度，最终提高辐照区的刻蚀效率。
本发明的目的是通过以下技术来实现的：
步骤一，通过分束合束或脉冲整形，把传统飞秒激光在时域上调制为飞秒激光双脉冲，且两个子脉冲之间的时间间隔范围为100fs-100ps，两个子脉冲能量比的范围为0.1-10。
刻蚀效率能通过调节两个子脉冲的能量比进行调控；且当两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值。
步骤二，把产生的飞秒激光双脉冲聚焦到玻璃材料表面，通过玻璃材料与激光焦点的相对运动，在玻璃上扫描出所需的微孔图案。
步骤三，把带有扫描微孔图案的玻璃材料浸入浓度为1%-10%的氢氟酸溶液中，扫描的微孔图案区与氢氟酸溶液反应去除，形成中空的微孔结构。
有益效果
1.在相同的实验条件下，采用飞秒激光双脉冲对玻璃材料辐照改性，改性区的刻蚀效率可以比采用传统的飞秒激光脉冲提高数倍。
2.采用飞秒激光双脉冲改性刻蚀，通过调节两个子脉冲的能量比例，可以调控刻蚀效率；且当两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值；
3.采用飞秒激光双脉冲改性刻蚀，当激光能量密度较低时（<4J/cm2），子脉冲间隔为100fs-1ps，两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值；而当激光能量密度较高时（>4J/cm2）,子脉冲间隔为1ps-10ps，两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值。
附图说明
图1为具体实施例中飞秒激光双脉冲加工光路图：
其中，1-飞秒激光器；2-第一机械开关；3-第一反射镜；4-反射镜；5-第一偏振片；6-第一半波片；7-分束镜；8-平移台（带两个反射镜）；9-第二机械开关；10-第二半波片；11-第二偏振片；12-合束镜；13-遮光板；14-聚焦物镜；15-待加工样品；16-移动平台；17-计算机。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的介绍。
本发明方法能在如图1所示的加工系统中实施，其加工光路为飞秒激光器1产生传统飞秒激光脉冲，经过分束镜7被分为两束子脉冲光，第一束子脉冲光I经过第一半波片6、第一偏振片5之后，被第二反射镜4和第一反射镜3反射；第二束子脉冲光II经过带有两个反射镜的平移台8、第二机械开关9、第二半波片10、第二偏振片11；两束子脉冲光在合束镜12处合在一起，经物镜14聚焦到待加工样品15，待加工样品15固定在移动平台16上。遮光板13用来遮挡合束镜12处的反射或透射光。其中飞秒激光器1、第一机械开关2和第二机械开关9、平移台8和移动平台16均被计算机17控制。
实验过程中采用的飞秒激光器参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs，重复频率为1kHz，线偏振；实验中待加工样品选用熔融石英玻璃。
实施例1：
首先用传统飞秒激光脉冲辐照改性，计算刻蚀效率，刻蚀效率定义为单位时间内刻蚀微孔的长度。具体加工步骤如下：
（1）打开第一机械开关2，关闭第二机械开关9，此时仅子脉冲光I用于加工，调整光路，确保激光入射方向与所加工样品表面垂直；
（2）通过调整第一半波片6和偏振片5，把子脉冲光I的能量调整为2μJ；子脉冲光I的能量被合束镜12反射掉二分之一，实际作用到样品上的激光能量为1μJ，聚焦后的光斑直径约为6μm，能量密度约为3.5J/cm2。
（3）计算机17控制移动平台16以100μm/s的速度相对激光焦点运动，使样品15的激光扫描区改性；
（4）把样品15浸入浓度为5%的氢氟酸溶液中1个小时，改性区域的材料与氢氟酸反应去除，形成中空的微孔，经计算，刻蚀效率约为25μm/h。
实施例2：
下面以飞秒激光双脉冲为例，说明飞秒激光双脉冲辐照改性之后刻蚀增强的效果。
本发明提出的利用飞秒激光双脉冲提高玻璃材料刻蚀效率的方法，具体加工步骤如下：
（1）分别打开第一机械开关2和第二机械开关9，调整光路，确保激光入射方向与所加工样品表面垂直；
（2）通过调整第一半波片6和第一偏振片5，把子脉冲光I的能量调整为0.5μJ；通过调整第二半波片10和第二偏振片11，把子脉冲光II的能量调整为1.5μJ；此时，因为合束镜12的反射，实际作用到样品上的总能量为1μJ，光斑直径约为6μm，总能量密度上述实例1中的能量密度相同。
（3）计算机17控制平移台8移动，使两束子脉冲光在合束镜12处的光程相差300μm，即在合束镜12处，两个子脉冲的时间延迟为1ps；
（4）计算机17控制移动平台16以100μm/s的速度相对焦点运动，使样品15的激光扫描区改性；
（5）把样品15浸入浓度为5%的氢氟酸溶液中1个小时，激光扫描改性区与氢氟酸反应去除，形成中空的微孔结构，经计算，刻蚀效率约为120μm/h。
（6）按上述步骤（2）的操作，把子脉冲光I和II的能量均调整为1μJ，此时能量密度依然为3.5J/cm2，重复步骤（3）（4）（5），经计算，刻蚀效率约为150μm/h。
（7）按上述步骤（2）的操作，把子脉冲光I的能量调整为1.5μJ，子脉冲II的能量调整为0.5μJ，作用到样品上的能量密度依然为3.5J/cm2，重复步骤（3）（4）（5），经计算，刻蚀效率约为130μm/h。
由实施例1和2可见，在相同激光辐照能量密度、相同的激光扫描速度、相同的氢氟酸浓度条件下，飞秒激光双脉冲辐照改性区的刻蚀效率比传统的飞秒激光脉冲提高了5-6倍。
由实施例2中不同能量比例的双脉冲的实验结果可见，在相同的总能量下，通过调节两个子脉冲的能量比例，可以调控刻蚀的效率；且当双脉冲的两个子脉冲能量比例为1:1时，刻蚀效率取得最大值。

Claims (4)

1.一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，通过分束合束或脉冲整形，把传统飞秒激光在时域上调制为飞秒激光双脉冲，且两个子脉冲之间的时间间隔范围为100fs-100ps，两个子脉冲能量比的范围为0.1-10；
步骤二，把产生的飞秒激光双脉冲聚焦到玻璃材料表面，通过玻璃材料与激光焦点的相对运动，在玻璃上扫描出所需的微孔图案；
步骤三，把带有扫描微孔图案的玻璃材料浸入浓度为1%-10%的氢氟酸溶液中，扫描的微孔图案区与氢氟酸溶液反应去除，形成中空的微孔结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法，其特征在于：调节两个子脉冲的能量比能调控刻蚀效率；当两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值。
3.根据权利要求1所述的一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法，其特征在于：当激光能量密度<4J/cm2，子脉冲间隔为100fs-1ps，两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值。
4.根据权利要求1所述的一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法，其特征在于：当激光能量密度>4J/cm2,子脉冲间隔为1ps-10ps，两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值。
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