CN105689898B - 一种超声辅助激光等离子体背部湿刻法刻蚀石英玻璃的加工方法 - Google Patents

一种超声辅助激光等离子体背部湿刻法刻蚀石英玻璃的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超声辅助激光等离子体背部湿刻法刻蚀石英玻璃的方法，属于特种加工领域。本发明涉及到的加工方法主要分为四步：(1)将石英玻璃在夹具上装夹好，并向容器中添加硫酸铜溶液；(2)确定激光刻蚀石英玻璃的激光系统工艺参数及超声系统工艺参数；(3)确定激光扫描路径和扫描速度；(4)超声辅助激光按照扫描路径刻蚀石英玻璃。该方法主要是以激光背部湿刻法刻蚀石英玻璃为主，在激光刻蚀的基础上增加了超声振动、超声清洗以及二者之间的复合加工作用，实现超声辅助激光等离子体背部湿刻法刻蚀石英玻璃。本发明所提供的方法，可实现在石英玻璃表面上刻蚀出的凹槽表面不存在明显的熔渣及重铸层，且表面光滑、清洁，得到了良好的加工效果。

Description

一种超声辅助激光等离子体背部湿刻法刻蚀石英玻璃的加工 方法
技术领域：
本发明涉及一种超声辅助激光等离子体背部湿刻法刻蚀石英玻璃的加工方法，属于特种加工的应用领域。
背景技术：
石英玻璃由于硬度高、热性能好、耐酸碱、高绝缘性、对各波段的光透射率高和良好的化学稳定性等一系列优异的物理化学性能成为光电子、微电子、光学以及光纤行业的重要材料，具有很广阔的发展前景，随着现代科学技术的发展，石英玻璃的加工精度和表面质量都有非常高的要求，但是由于石英玻璃属于硬脆材料，脆性高，韧性低，所以该材料的加工较困难，用传统的加工方法如化学腐蚀法、等离子刻蚀法、机械切割法、机械研磨和抛光、热气流切割法、超声落料、磨料喷射法等都有各自的优点，但是普遍存在精确控制性查、去蚀率相对较低等缺点。
激光刻蚀技术是一种无接触、无切削力、热影响小的加工方法，它具有加工质量优、效率高、加工范围广、清洁、经济效益好、易于实施自动化控制、能实现柔性加工和智能加工等特点，解决了传统加工工艺无法解决的难题。但是激光刻蚀也存在一些问题，如加工材料表层会留下较严重的重铸层和不可避免的残余应力和微裂纹，这将直接影响石英玻璃的表面加工质量。
发明内容：
为了克服激光刻蚀过程中存在的问题，本发明通过引入超声技术，去除石英玻璃在激光刻蚀过程中产生的熔渣，减少加工过程中产生的热影响区，并降低重铸层的厚度，最终获得光滑、清洁的高质量刻蚀效果。
本发明所述一种超声辅助激光等离子体背部湿刻法刻蚀石英玻璃的加工方法，该方法包括：
(1)将石英玻璃在夹具上装夹好，并向容器中添加硫酸铜溶液；
(2)确定激光刻蚀石英玻璃的激光系统工艺参数和超声系统工艺参数；
(3)确定激光扫描路径和扫描速度；
(4)超声辅助激光按照扫描路径进行刻蚀加工。
在本发明中，石英玻璃激光单次扫描后的微观形貌为“V”形槽。
在本发明中，激光脉冲宽度为0.5～1.7ms，激光的电流强度为150～250A，距离石英玻璃底面的离焦量为4mm～5mm，脉冲重复频率在30～60HZ，激光扫描速度为0.5～1.5mm/s，超声波的功率为70～90W，频率为10～40HZ。
在本发明中，激光扫描路径为圆弧型。
在本发明中，激光开始加工的过程中，要通辅助气体空气，主要是为了吹除溶液在超声波的作用下剧烈抖动，溅到石英玻璃上表面的液滴，从而避免影响加工效果。
工作原理：
(1)去除熔渣的机理：在超声振动作用下，加工过程中产生的较大熔渣颗粒会脱落。
(2)空化现象：高频激光作用于溶液中，就会产生超声空化现象，即指存在于液体中的微小气泡在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合，该过程产生的冲击波可以破碎加工过程中产生的熔渣颗粒，同时溶液冲刷加工表面，起到超声清洗作用，导致熔渣不易凝固在槽低，刻蚀深度增加。
在本发明中，超声波和激光同时加工石英玻璃。
本发明具有的有益效果：
(1)超声装置非常简单，成本低，超声频率低，对材料表面损伤小；
(2)超声的振动作用和超声清洗作用能够减少一部分石英玻璃表面熔渣、降低再铸层厚度；
(3)激光的高能量能够实现快速刻蚀材料，得到所需的凹槽；
(4)利用激光、超声二者共同作用，能够获得良好的加工效果。
附图说明：
图1为本发明加工方法所需的装置结构图。
其中：1、激光加工平台；2、容器3、饱和硫酸铜4、超声振动平台；5、夹具；6、石英玻璃试样；7、辅助气体空气；8、聚焦镜；9、激光束；10、反射镜；11、激光头；12、超声波换能器
图2为本发明实施一种超声辅助激光等离子体背部湿刻法刻蚀石英玻璃的加工方法流程图。
图3为本发明实施的激光扫描路径为环型路径。
其中：1、扫描路径开始点；2、扫描路径结束点
具体实施方式：
为了使本发明的技术方案能够更加清晰地表示出来，下面结合附图，选择合理的激光系统工艺参数和超声系统工艺参数，对本发明作进一步说明。
请参阅图2，一种超声辅助激光等离子体背部湿刻法刻蚀石英玻璃的加工方法，包括：
(1)将石英玻璃在夹具上装夹好，并向容器中添加硫酸铜溶液：
石英玻璃片尺寸为50x50x3mm，把石英玻璃固定在工作台上的合理位置，使得加工位置恰好为石英玻璃片的正中心，并向容器中添加硫酸铜溶液，直至容器内充满溶液。
(2)确定激光刻蚀石英玻璃的激光系统工艺参数和超声系统工艺参数：
正常启动空气开关和激光器开光，激光器为500W的Nd3+：YAG激光器，把激光脉冲宽度调为0.5～1.7ms，激光的电流强度为150～250A，距离石英玻璃底面的离焦量为4mm～5mm，脉冲重复频率在30～60HZ，激光扫描速度为0.5～1.5mm/s，超声波的功率为70～90W，频率为10～40HZ。
(3)确定激光扫描速度和扫描路径；
选择激光刻蚀的扫描速度为0.7mm/s，扫描路径为圆弧，如图3所示圆弧型路径具体为：激光从外向内扫描，外围圆弧扫描结束则关闭激光，再横向进给一个行间距，然后开启激光重新进行扫描加工，如此重复进行，直至扫描结束。
(4)超声辅助激光按照扫描路径进行刻蚀加工。
启动超声波换能器和激光器，激光按照预定的路径进行扫描。
加工过程结束。
通过上述步骤可以方便的完成石英玻璃片的刻蚀凹槽加工，通过超声的辅助作用，提高了刻蚀的速率，提高了石英玻璃的表面加工质量。
以上所述仅表达了本发明的一种实施方式，其表述比较详细，但是不可以理解为对本发明专利范围的限制，需要说明的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作任何形式的修改，因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种超声辅助激光背部湿刻法刻蚀石英玻璃的加工方法，其特征在于，包括：
(1)将石英玻璃在夹具上装夹好，并向容器中添加硫酸铜溶液：石英玻璃尺寸为50×50×3mm，把石英玻璃固定在工作台上的合理位置，使得加工位置恰好为石英玻璃片的正中心，并向容器中添加硫酸铜溶液，直至容器内充满溶液，所述硫酸铜溶液为饱和硫酸铜；
(2)确定激光刻蚀石英玻璃的激光系统工艺参数和超声系统工艺参数：正常启动空气开关和激光器开光，激光器为500W的Nd3+：YAG激光器，把激光脉冲宽度调为0.5～1.7ms，激光的电流强度为150～250A，距离石英玻璃底面的离焦量为4mm～5mm，脉冲重复频率在30～60HZ，激光扫描速度为0.5～1.5mm/s，超声波的功率为70～90W，频率为10～40HZ；
(3)确定激光扫描路径和扫描速度：选择激光刻蚀的扫描速度为0.7mm/s，扫描路径为圆弧，圆弧型路径具体为：激光从外向内扫描，外围圆弧扫描结束则关闭激光，再横向进给一个行间距，然后开启激光重新进行扫描加工，如此重复进行，直至扫描结束；
(4)超声辅助激光按照扫描路径进行刻蚀加工：启动超声波换能器和激光器，激光按照预定的路径进行扫描；
其中，石英激光单次扫描后的微观形貌为“V”形槽，并且在激光开始加工的过程中，要通辅助气体空气。
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