CN106891092A - 一种玻璃微结构加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种玻璃微结构加工方法，包括：调整玻璃零件的位置；利用皮秒激光逐层去料加工技术加工玻璃零件；侧面修调；损伤层修复；使用稀释的氢氟酸溶液进行超声刻蚀；去离子水漂洗，氮气干燥。本发明通过采用皮秒激光逐层去料加工玻璃零件微结构，对玻璃零件特殊形状进行一次加工，有效地简化加工工艺流程，并提高加工精度，避免多次掩膜制作多次蚀刻带来的误差。本发明可对零件斜面过渡区有效地加工，实现斜面处的加工角度可控。本发明通过降低玻璃粘度，可以有效降低激光加工中造成的亚表层损伤和表面粗糙度，提高加工结构的使用性能。通过进行氢氟酸溶液超声刻蚀，进一步的降低加工表面处的粗糙度，提高皮秒激光加工的玻璃零件表面质量。

Description

一种玻璃微结构加工方法
技术领域
本发明涉及一种玻璃微结构加工方法，属于光学仪器精密加工技术领域。
背景技术
玻璃具有良好的可见光透过率和生物兼容性等特性，因此被广泛的应用于精密光学器件、仪器仪表和生物传感器等领域。在玻璃零件的加工工艺中，常采用掩膜保护下的物理或化学刻蚀方法，以形成特定的微结构。随着科技的发展，光学、电子等行业对玻璃零件的加工提出更高的要求。新型器件要求玻璃零件具备复杂图形的微结构，具有多层结构、斜面过渡区角度可控等特点。
在现有技术中，对玻璃微结构通常采用图形化掩膜保护下的物理或化学蚀刻的方法进行加工；多层结构的加工则需进行多次图形化掩膜的制作和多次刻蚀，加工周期长，加工精度难以保证。目前，基于皮秒激光的新型加工技术正逐渐在精密材料和微纳加工领域发展起来，其具有超短脉宽和高脉冲能量等特点，可应用于硬脆性材料的加工，具有较高的加工精度和加工效率。但皮秒激光加工的表面粗糙度大，在亚表层具有微裂纹损伤和应力层的存在，影响玻璃微结构在器件中的使用性能，如玻璃微流道中的物质输运性能等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种玻璃微结构加工方法，能有效进行多层复杂玻璃微结构的加工，并提高加工质量。
本发明的技术解决方案：
一种玻璃微结构加工方法，通过以下步骤实现：
第一步，调整玻璃零件的位置。
将待加工的玻璃零件放入加工工装中，通过CCD对准装置观察，通过调节X、Y、Z轴及绕Z轴的转动轴，使得零件处于加工原点处。
第二步，利用皮秒激光逐层去料加工技术加工玻璃零件。
利用波长355nm～1064nm，功率10W～50W，脉冲频率5～25ps的激光对玻璃零件进行逐层去料加工，通过振镜使激光在玻璃表面扫描，实现所需图形的加工。每层加工完成后调节Z轴，再重复加工下一层，直至达到所需要的结构。
第三步，侧面修调。
将玻璃零件绕X轴或Y轴转动0°～90°，再重复上述加工过程，对上步加工完成面和零件表面之间的过渡斜面进行加工修调，将侧面修调至所需的角度。实现斜面处加工图形的精密加工，实现加工结构的可控性。
第四步，进行损伤层修复。
对加工后的玻璃零件进行加热，使玻璃零件粘度降至107poises～109poises之间并保持5min～30min，然后关闭加热，使玻璃零件自然冷却至常温。玻璃在该粘度下，可实现原子的位移，使玻璃零件整体均化，减少激光加工造成的亚表层微裂纹，使激光加工后较粗糙的表面层重熔并保持玻璃零件加工后的结构。
第五步，使用稀释的氢氟酸溶液进行超声刻蚀。
将冷却后的零件浸入1％～5％浓度的氢氟酸溶液中刻蚀10min～30min，同时施加40kHz～192kHz频率，功率200W～500W的超声，利用氢氟酸溶液对玻璃的刻蚀作用，可以进一步去除掉表面应力损伤层，同时结合超声振动，可以有效地降低加工表面处的粗糙度。
第六步，进行去离子水漂洗，氮气干燥。
将刻蚀后的玻璃零件进行去离子水漂洗3～5遍，每遍1min～5min，然后用压力为0.2Mpa～0.5Mpa，温度为50℃～70℃高纯氮气吹干。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明通过采用皮秒激光逐层去料加工玻璃零件微结构，可以对玻璃零件特殊形状进行一次加工，有效地简化了加工工艺流程，并提高加工精度，避免多次掩膜制作多次蚀刻带来的误差。
(2)本发明可以对零件斜面过渡区有效地加工，并通过调节零件在基座的角度，实现斜面处加工图形的精密加工，实现加工结构的可控性。
(3)本发明通过降低玻璃粘度，可以有效的降低激光加工中造成的亚表层损伤和表面粗糙度，提高所加工结构的使用性能。
(4)本发明通过进行氢氟酸溶液超声刻蚀，利用氢氟酸对玻璃表面的腐蚀作用，进一步的降低加工表面处的粗糙度，提高皮秒激光加工的玻璃零件表面质量。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实例详细说明本发明。
本发明如图1所示，通过以下步骤实现：
第一步，调整玻璃零件的位置。
将待加工的玻璃零件放入加工工装中，通过CCD对准装置观察，通过调节X、Y、Z轴及绕Z轴的转动轴，使得零件处于加工原点处。
第二步，利用皮秒激光逐层去料加工技术加工玻璃零件。
利用波长355nm～1064nm，功率10W～50W，脉冲频率5ps～25ps的激光对玻璃零件进行逐层去料加工，通过振镜使激光在玻璃表面扫描，实现所需图形的加工。每层加工完成后调节Z轴，再重复加工下一层，直至达到所需要的结构。本实施例利用波长1064nm，功率20W，脉冲频率10ps的激光对玻璃零件进行去料加工。
第三步，侧面修调。
将玻璃零件绕X轴或Y轴转动0°～90°，再重复上述加工过程，对上步加工完成面和零件表面之间的过渡斜面进行加工修调，将过渡侧面修调至所需的角度。实现斜面处加工图形的精密加工，实现加工结构的可控性。本实施例将零件绕X轴转动45°，再重复上述加工过程，对侧面处进行加工修补。
第四步，进行损伤层修复。
对加工后的玻璃零件进行加热，使玻璃零件粘度降至107poises～109poises之间并保持5min～30min，poises为粘度单位泊，然后关闭加热，使玻璃零件自然冷却至常温。玻璃在该粘度下，可实现原子的位移，使玻璃零件整体均化，减少激光加工造成的亚表层微裂纹，使激光加工后较粗糙的表面层重熔并保持玻璃零件加工后的结构。本实施例中将玻璃零件加热，至粘度降为108poises后保温10min，然后关闭加热，自然冷却至常温取出。
第五步，使用稀释的氢氟酸溶液进行超声刻蚀。
将冷却后的零件浸入1％～5％浓度的氢氟酸溶液中刻蚀10min～30min，同时施加40kHz～192kHz频率，功率200W～500W的超声，利用氢氟酸溶液对玻璃的刻蚀作用，可以进一步去除掉表面应力损伤层，同时结合超声振动，可以有效地降低加工表面处的粗糙度。本实施例中，将玻璃零件放入2％浓度的氢氟酸溶液中刻蚀15min，同时施加132kHz频率，300W功率的超声振动。
第六步，进行去离子水漂洗，氮气干燥。
将刻蚀后的玻璃零件进行去离子水漂洗3～5遍，每遍1min～5min，然后用压力为0.2Mpa～0.5Mpa，温度为50℃～70℃高纯氮气吹干。本实施例中，将玻璃零件放入去离子水中漂洗5遍，每遍2min，之后用0.3MPa，60℃的高纯氮气吹干。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种玻璃微结构加工方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，调整玻璃零件的位置：
将待加工的玻璃零件放入加工工装中，通过调节X、Y、Z轴及绕Z轴的转动轴，使得玻璃零件处于加工原点处；
第二步，利用皮秒激光对玻璃零件进行逐层去料加工，通过振镜使激光在玻璃表面扫描，每层加工完成后调节Z轴，再重复加工下一层，直至达到所需要的结构；
第三步，侧面修调：
将玻璃零件绕X轴或Y轴转动0°～90°，再重复上述加工过程，对上步加工完成面和零件表面之间的过渡斜面进行加工修调，将过渡侧面修调至所需的角度；
第四步，进行损伤层修复：
对加工后的玻璃零件进行加热，使玻璃零件粘度降至107poises～109poises之间并保持5min～30min，然后关闭加热，使玻璃零件自然冷却至常温；
第五步，使用稀释的氢氟酸溶液进行超声刻蚀：
将冷却后的零件浸入1％～5％浓度的氢氟酸溶液中刻蚀10min～30min，同时施加40kHz～192kHz频率，功率200W～500W的超声，进一步去除掉表面应力损伤层，降低加工表面处的粗糙度；
第六步，进行去离子水漂洗，氮气干燥：
将刻蚀后的玻璃零件进行去离子水漂洗3～5遍，每遍1min～5min，然后用压力为0.2Mpa～0.5Mpa，温度为50℃～70℃高纯氮气吹干。
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