CN107717216A - 一种飞秒激光微加工方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞秒激光微加工方法及装置，所述方法包括：在基底材料上表面镀膜；将飞秒脉冲激光光束聚焦到镀膜基底材料上表面；在所述镀膜基底材料上表面写入微孔图案；将加工有微孔图案的镀膜基底材料放入反应溶液中，洗去镀膜层；取出洗去镀膜层的基底材料，经超声浴后即可获得飞秒脉冲激光微加工后的具有微孔图案的基底材料。通过上述方法解决了现有技术中飞秒激光微加工过程中，加工区域存在热影响区、重铸层、热变形和裂纹等，影响加工质量和加工精度的技术问题，达到了避免热影响区、重铸层、热变形和裂纹等的出现，提高加工质量和加工精度的技术效果。

Description

一种飞秒激光微加工方法及装置
技术领域
本发明涉及激光微加工领域，尤其涉及一种飞秒激光微加工方法及装置。
背景技术
由于信息、生物技术、能源、军事等的迅速发展，元器件越来越趋于智能化、高集成化、小型化，微纳尺寸高质量孔阵列因其应用广泛几乎覆盖所有制造业，因此备受关注。由于飞秒激光具有极短的脉冲宽度，使得它能够在相对较低的脉冲能量下得到极高的峰值功率，可以达到百万亿瓦。由于具有短脉宽和高功率这两个主要特征，飞秒激光微加工已被广泛应用于多个学科领域，有很大的应用潜力。
但本申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述现有技术至少存在如下技术问题：
在飞秒激光微加工过程中，加工区域附近存在热影响区，重铸层，热变形和裂纹等，这将直接影响加工质量和加工精度。
发明内容
本发明实施例通过提供一种飞秒激光微加工方法及装置，解决了现有技术中飞秒激光微加工过程中，加工区域存在热影响区、重铸层、热变形和裂纹等，影响加工质量和加工精度的技术问题，达到了避免热影响区、重铸层、热变形和裂纹等的出现，提高加工质量和加工精度的技术效果。
为解决上述问题，第一方面，本发明实施例提供了一种飞秒激光微加工方法，所述方法包括：在基底材料上表面镀膜；将飞秒脉冲激光光束聚焦到镀膜基底材料上表面；在所述镀膜基底材料上表面写入微孔图案；将加工有微孔图案的镀膜基底材料放入反应溶液中，洗去镀膜层；取出洗去镀膜层的基底材料，经超声浴后即可获得飞秒脉冲激光微加工的具有微孔图案的基底材料。
优选的，所述方法还包括：在所述基底材料上表面镀有多层膜。
优选的，所述方法还包括：采用电子束蒸镀技术在所述基底材料上表面进行镀膜。
优选的，所述方法还包括：所述多层膜包括介质膜和金属膜。
优选的，所述多层膜包括：银膜，所述银膜在所述基底材料的上表面；铜膜，所述铜膜在所述银膜上方；铝膜，所述铝膜在所述铜膜上方。
第二方面，本发明实施例提供了一种飞秒激光微加工装置，所述装置包括：飞秒激光器，所述飞秒激光器发出飞秒脉冲激光光束；反射镜，所述反射镜接收所述飞秒脉冲激光光束，并将所述飞秒脉冲激光光束反射至显微物镜；显微物镜，所述显微物镜接收来自所述反射镜的飞秒脉冲激光光束，并对所述飞秒脉冲激光光束进行聚焦；电控平移台，所述电控平移台上放置待加工材料，且所述聚焦后的所述飞秒脉冲激光光束在电控平移台的运动作用下，对所述待加工材料进行微加工。
优选的，所述装置还包括：计算机，所述计算机与所述电控平移台连接，所述计算机控制所述电控平移台的运动。
优选的，所述装置还包括：CCD相机，所述CCD相机通过所述反射镜、所述显微物镜对所述微加工过程进行实时监控。
优选的，所述装置还包括：半反镜，所述半反镜接收来自所述飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光光束，并将一半所述飞秒脉冲激光光束反射出去，另一半所述飞秒脉冲激光光束通过所述半反镜。
优选的，所述装置还包括：衰减器，所述衰减器接收来自所述半反镜透射的飞秒脉冲激光光束，对所述飞秒脉冲激光光束进行衰减，然后发送给所述反射镜。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本发明实施例提供了一种飞秒激光微加工方法，所述方法包括：在基底材料上表面镀膜；将飞秒脉冲激光光束聚焦到镀膜基底材料上表面；在所述镀膜基底材料上表面写入微孔图案；将加工有微孔图案的镀膜基底材料放入反应溶液中，洗去镀膜层；取出洗去镀膜层的基底材料，经超声浴后即可获得飞秒脉冲激光微加工的具有微孔图案的基底材料。通过上述方法解决了现有技术中飞秒激光微加工过程中，加工区域存在热影响区、重铸层、热变形和裂纹等，影响加工质量和加工精度的技术问题，达到了避免热影响区、重铸层、热变形和裂纹等的出现，从而提高加工质量和加工精度的技术效果。
2、本发明实施例通过所述多层膜包括：银膜，所述银膜在所述基底材料的上表面；铜膜，所述铜膜在所述银膜上方；铝膜，所述铝膜在所述铜膜上方。达到在所述基底层表面形成保护膜和导热膜，避免加工过程中热影响区、重铸层、热变形和裂纹等的出现，从而达到提高加工质量和加工精度的技术效果。
3、本发明实施例提供了一种飞秒激光微加工装置，所述装置包括：飞秒激光器，所述飞秒激光器发出飞秒脉冲激光光束；反射镜，所述反射镜接收所述飞秒脉冲激光光束，并将所述飞秒脉冲激光光束反射至显微物镜；显微物镜，所述显微物镜接收来自所述反射镜的飞秒脉冲激光光束，并对所述飞秒脉冲激光光束进行聚焦；电控平移台，所述电控平移台上放置待加工材料，且所述聚焦后的所述飞秒脉冲激光光束在电控平移台的运动作用下，对所述待加工材料进行微加工。通过上述装置解决了现有技术中飞秒激光微加工过程中，加工区域存在热影响区、重铸层、热变形和裂纹等，影响加工质量和加工精度的技术问题，达到了避免热影响区、重铸层、热变形和裂纹等的出现，从而提高加工质量和加工精度的技术效果。
4、本发明实施例通过计算机，所述计算机与所述电控平移台连接，所述计算机控制所述电控平移台的运动，达到控制飞秒激光微加工过程的技术效果。
5、本发明实施例通过CCD相机，CCD相机，所述CCD相机通过所述反射镜、所述显微物镜对所述微加工过程进行实时监控，达到实时监控飞秒激光微加工过程的技术效果。
6、本发明实施例通过半反镜，所述半反镜接收来自所述飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光光束，并将一半所述飞秒脉冲激光光束反射出去，另一半所述飞秒脉冲激光光束通过所述半反镜，从而达到衰减所述飞秒脉冲激光光束的技术效果。
7、本发明实施例通衰减器，所述衰减器接收来自所述半反镜透射的飞秒脉冲激光光束，对所述飞秒脉冲激光光束进行衰减，然后发送给所述反射镜，达到进一步衰减所述飞秒脉冲激光光束的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种飞秒激光微加工方法的流程图。
图2为本发明实施例中一种飞秒激光微加工装置的结构示意图。
附图说明：飞秒激光器1，半反镜2，衰减器3，反射镜4，CCD相机5，显微物镜6，待加工样品7，电控平移台8，计算机9。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种飞秒激光微加工方法及装置，解决了现有技术中飞秒激光微加工过程中，加工区域存在热影响区、重铸层、热变形和裂纹等，影响加工质量和加工精度的技术问题，达到了避免热影响区、重铸层、热变形和裂纹等的出现，提高加工质量和加工精度的技术效果。
本发明实施例中的技术方案，总体如下：在基底材料上表面镀膜；将飞秒脉冲激光光束聚焦到镀膜基底材料上表面；在所述镀膜基底材料上表面写入微孔图案；将加工有微孔图案的镀膜基底材料放入反应溶液中，洗去镀膜层；取出洗去镀膜层的基底材料，经超声浴后即可获得飞秒脉冲激光微加工的具有微孔图案的基底材料。通过上述方法解决了现有技术中飞秒激光微加工过程中，加工区域存在热影响区、重铸层、热变形和裂纹等，影响加工质量和加工精度的技术问题，达到了避免热影响区、重铸层、热变形和裂纹等的出现，提高加工质量和加工精度的技术效果。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供一种飞秒激光微加工方法，请参考图1，所述方法包括：
步骤10：在基底材料上表面镀膜。
具体而言，使用电子束蒸镀方法在所述基底材料上表面镀膜，达到避免在加工过程中出现热影响区、重铸层、热变形和裂纹等的现象。
步骤20：将飞秒脉冲激光光束聚焦到镀膜基底材料上表面。
具体而言，将飞秒脉冲激光光束聚焦到镀膜后的所述基底材料上表面，为后续在所述镀膜基底材料上表面进行微孔加工做准备。
步骤30：在所述镀膜基底材料上表面写入微孔图案。
具体而言，计算机控制所述飞秒脉冲激光光束在所述镀膜基底材料上表面写入所需要的微孔图案。
步骤40：将加工有微孔图案的所述镀膜基底材料放入反应溶液中，洗去镀膜层。
具体而言，将加工好的所述基底材料放入反应溶液中，直至所述基底材料表面的镀膜层完全反应。
步骤50：取出洗去镀膜层的基底材料，经超声浴后即可获得飞秒脉冲激光微加工的具有微孔图案的基底材料。
具体而言，从所述反应溶液中取出洗去膜层的基底材料，放入酒精和蒸馏水的混合溶液中进行超声浴，洗去所述基底材料表面的所述反应溶液，即得到经飞秒脉冲激光微加工的具有微孔图案的基底材料。
本发明实施例通过上述方法解决了现有技术中飞秒激光微加工过程中，加工区域存在热影响区、重铸层、热变形和裂纹等，影响加工质量和加工精度的技术问题，达到了避免热影响区、重铸层、热变形和裂纹等的出现，进而提高加工质量和加工精度的技术效果。
进一步的，所述方法还包括：在所述基底材料上表面镀有多层膜。
具体而言，在所述基底材料上表面镀多层膜，所述多层膜包含有金属膜和介质膜，达到在所述基底材料上表面形成保护膜和导热膜，在加工过程中避免热影响区、重铸层、热变形和裂纹等出现的技术效果。
进一步的，所述方法还包括：采用电子束蒸镀技术在所述基底材料上表面进行镀膜，达到在所述基底材料上表面形成保护膜和导热膜，在加工过程中避免热影响区、重铸层、热变形和裂纹等出现的技术效果。
进一步的，所述方法还包括：所述多层膜包括介质膜和金属膜，达到在所述基底材料表面形成保护膜和导热膜，在加工过程中避免热影响区、重铸层、热变形和裂纹等出现的技术效果。
进一步的，所述方法还包括：所述多层膜包括：银膜，所述银膜在所述基底材料上表面；铜膜，所述铜膜在所述银膜上方；铝膜，所述铝膜在所述铜膜上方。
具体而言，所述银膜、所述铜膜和所述铝膜均为金属膜，所述银膜的导热性最好，价格最贵；所述铜膜的导热性次之，价格一般；所述铝膜的导热性最差，价格最便宜。将所述银膜、所述铜膜和所述铝膜镀成多层膜，在保证导热性的同时，降低了加工成本。
实施例二
本发明实施例提供了一种飞秒激光微加工装置，请参考图2，所述装置包括：
飞秒激光器1。
具体而言，所述飞秒激光器1发出波长为800nm、脉宽45fs、脉冲频率为1kHz的飞秒脉冲激光光束。
反射镜4。
具体而言，所述反射镜4接收所述飞秒激光器1发出的飞秒脉冲激光光束，并将所述飞秒脉冲激光光束反射至显微物镜6，所述反射镜4起到改变所述飞秒脉冲激光光束路径的技术效果。
显微物镜6。
具体而言，所述显微物镜6接收来自所述反射镜4反射来的飞秒脉冲激光光束，并对所述飞秒脉冲激光光束进行聚焦。
电控平移台8。
具体而言，所述电控平移台8上放置待加工材料7，且所述聚焦后的飞秒脉冲激光光束在所述电控平移台8的运动作用下，对所述待加工材料7进行微加工。所述电控平移台8可以进行三维移动，从而可以在所述待加工材料7上加工三维图案。
进一步的，所述装置还包括：计算机9，所述计算机与所述电控平移台8连接，所述计算机9控制所述电控平移台8的运动。
具体而言，所述计算机9内安装有控制所述电控平移台8运动的软件，所述计算机9通过控制电控平移台8的运动，从而控制所述飞秒脉冲激光光束对所述待加工材料7进行加工。
进一步的，所述装置还包括：CCD相机5，CCD相机，所述CCD相机通过所述反射镜、所述显微物镜对所述微加工过程进行实时监控。
具体而言，所述CCD相机5获取所述待加工材料7加工过程中的图像信息，所述CCD相机与所述计算机9连接，并将所述图像信息传送给所述计算机9，从而实现对加工过程进行实时监控。
进一步的，所述装置还包括：半反镜2，所述半反镜2接收来自所述飞秒激光器1发射的飞秒脉冲激光光束，并将一半所述飞秒脉冲激光光束反射出去，另一半所述飞秒脉冲激光光束通过所述半反镜2。
具体而言，所述半反镜2将一半所述飞秒脉冲激光光束反射出去，另一半所述飞秒脉冲激光光束通过，从而达到减弱所述飞秒脉冲激光光束强度的技术效果。
进一步的，所述装置还包括：衰减器3，所述衰减器3接收来自所述半反镜2透射的飞秒脉冲激光光束，对所述飞秒脉冲激光光束进行衰减，然后发送给所述反射镜。
具体而言，所述衰减器3将所述飞秒脉冲激光光束衰减后，发送给所述反射镜4，达到调节所述飞秒脉冲激光单脉冲能量，使所述飞秒脉冲激光光束达到加工要求的技术效果。
实施例三
本发明实施例提供一种飞秒激光微加工方法的具体工艺步骤，请参照图1、图2。
步骤1：镀膜基底材料的制备。
取尺寸为10mm×10mm×0.5mm且六面抛光的10-熔石英样品为基底材料，以铜、铝、银三种材料作为镀膜材料，镀膜顺序为银、铜、铝。采用电子束蒸镀技术，在电子束蒸镀系统的真空腔内，制备镀膜样品。将所述基底材料分别放在乙醇、丙酮和去离子水中超声浴清洗10分钟，用氮气吹干后，迅速放入电子束蒸镀系统真空腔内，将膜料放入对应的坩埚中，然后对所述电子束蒸镀系统抽真空至高于10-3Pa，接着使所述真空腔内的基片托温度升高至250℃，打开高压(6kv),蒸镀速率设置为0.1nm/s。蒸镀结束后，随着炉温冷却至室温，取出样品，迅速放入真空管式炉中，在10-3Pa的气压下，进行退火处理，得到镀有多层膜的镀膜基底材料。
步骤2：微孔阵列图案的写入。
将步骤1得到的所述镀膜基底材料固定在所述电控平移台8上，所述飞秒激光器1发出的所述飞秒脉冲激光光束依次通过所述半反镜2、所述衰减器3、所述反射镜4后进行传输，然后经过所述显微物镜6聚焦后辐照到所述镀膜基底材料上表面。通过所述电控平移台8的三维移动，使得飞秒脉冲激光光束在所述镀膜基底材料上表面进行可控辐照，通过CCD相机5以及其软件和所述计算机9来监控辐照过程，其中，通过所述衰减器3来调节所述飞秒脉冲激光光束单脉冲能量；微加工过程中采用的显微物镜的数值孔径为0.4，飞秒脉冲激光光束的平均功率为1.6mW，脉宽为45fs，中心波长为800nm，重复频率为1kHz。
步骤3：洗去所述镀膜基底材料上表面的镀膜层。
将步骤2中得到的已加工完毕的所述镀膜基底材料放入超声机中清洗15分钟，再将其放入到质量分数为70％的浓硫酸溶液，直至镀膜层完全反应完，然后用碱溶液中和浓硫酸，取出洗去镀膜层的基底材料，将所述洗去镀膜层的基底材料放入酒精浸泡液中进行超声浴，即可得到飞秒脉冲激光在石英样品上微加工的微孔。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本发明实施例提供了一种飞秒激光微加工方法，所述方法包括：在基底材料上表面镀膜；将飞秒脉冲激光光束聚焦到镀膜基底材料上表面；在所述镀膜基底材料上表面写入微孔图案；将加工有微孔图案的镀膜基底材料放入反应溶液中，洗去镀膜层；取出洗去镀膜层的基底材料，经超声浴后即可获得飞秒脉冲激光微加工的具有微孔图案的基底材料。通过上述方法解决了现有技术中飞秒激光微加工过程中，加工区域存在热影响区、重铸层、热变形和裂纹等，影响加工质量和加工精度的技术问题，达到了避免热影响区、重铸层、热变形和裂纹等的出现，从而提高加工质量和加工精度的技术效果。
2、本发明实施例通过所述多层膜包括：银膜，所述银膜在所述基底材料的上表面；铜膜，所述铜膜在所述银膜上方；铝膜，所述铝膜在所述铜膜上方。达到在所述基底层表面形成保护膜和导热膜，避免加工过程中热影响区、重铸层、热变形和裂纹等的出现，从而达到提高加工质量和加工精度的技术效果。
3、本发明实施例提供了一种飞秒激光微加工装置，所述装置包括：飞秒激光器，所述飞秒激光器发出飞秒脉冲激光光束；反射镜，所述反射镜接收所述飞秒脉冲激光光束，并将所述飞秒脉冲激光光束反射至显微物镜；显微物镜，所述显微物镜接收来自所述反射镜的飞秒脉冲激光光束，并对所述飞秒脉冲激光光束进行聚焦；电控平移台，所述电控平移台上放置待加工材料，且所述聚焦后的所述飞秒脉冲激光光束在电控平移台的运动作用下，对所述待加工材料进行微加工。通过上述装置解决了现有技术中飞秒激光微加工过程中，加工区域存在热影响区、重铸层、热变形和裂纹等，影响加工质量和加工精度的技术问题，达到了避免热影响区、重铸层、热变形和裂纹等的出现，从而提高加工质量和加工精度的技术效果。
4、本发明实施例通过计算机，所述计算机与所述电控平移台连接，所述计算机控制所述电控平移台的运动，达到控制飞秒激光微加工过程的技术效果。
5、本发明实施例通过CCD相机，CCD相机，所述CCD相机通过所述反射镜、所述显微物镜对所述微加工过程进行实时监控，达到实时监控飞秒激光微加工过程的技术效果。
6、本发明实施例通过半反镜，所述半反镜接收来自所述飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光光束，并将一半所述飞秒脉冲激光光束反射出去，另一半所述飞秒脉冲激光光束通过所述半反镜，从而达到衰减所述飞秒脉冲激光光束的技术效果。
7、本发明实施例通衰减器，所述衰减器接收来自所述半反镜透射的飞秒脉冲激光光束，对所述飞秒脉冲激光光束进行衰减，然后发送给所述反射镜，达到进一步衰减所述飞秒脉冲激光光束的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种飞秒激光微加工方法，其特征在于，所述方法包括：
在基底材料上表面镀膜；
将飞秒脉冲激光光束聚焦到镀膜基底材料上表面；
在所述镀膜基底材料上表面写入微孔图案；
将加工有微孔图案的镀膜基底材料放入反应溶液中，洗去镀膜层；
取出洗去镀膜层的基底材料，经超声浴后即可获得飞秒脉冲激光微加工后的具有微孔图案的基底材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述基底材料上表面镀有多层膜。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用电子束蒸镀技术在所述基底材料上表面进行镀膜。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述多层膜包括介质膜和金属膜。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述多层膜包括：
银膜，所述银膜在所述基底材料的上表面；
铜膜，所述铜膜在所述银膜上方；
铝膜，所述铝膜在所述铜膜上方。
6.一种飞秒激光微加工装置，其特征在于，所述装置包括：
飞秒激光器，所述飞秒激光器发出飞秒脉冲激光光束；
反射镜，所述反射镜接收所述飞秒脉冲激光光束，并将所述飞秒脉冲激光光束反射至显微物镜；
显微物镜，所述显微物镜接收来自所述反射镜的飞秒脉冲激光光束，并对所述飞秒脉冲激光光束进行聚焦；
电控平移台，所述电控平移台上放置待加工材料，且所述聚焦后的所述飞秒脉冲激光光束在电控平移台的运动作用下，对所述待加工材料进行微加工。
7.如权利要求6所述的飞秒激光微加工装置，其特征在于，所述装置还包括：
计算机，所述计算机与所述电控平移台连接，所述计算机控制所述电控平移台的运动。
8.如权利要求6所述的飞秒激光微加工装置，其特征在于，所述装置还包括：
CCD相机，所述CCD相机通过所述反射镜、所述显微物镜对所述微加工过程进行实时监控。
9.如权利要求6所述的飞秒激光微加工装置，其特征在于，所述装置还包括：
半反镜，所述半反镜接收来自所述飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光光束，并将一半所述飞秒脉冲激光光束反射出去，另一半所述飞秒脉冲激光光束通过所述半反镜。
10.如权利要求9所述的飞秒激光微加工装置，其特征在于，所述装置还包括：
衰减器，所述衰减器接收来自所述半反镜透射的飞秒脉冲激光光束，对所述飞秒脉冲激光光束进行衰减，然后发送给所述反射镜。
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