CN108620737A - 激光直写玻璃表面制备光学微结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光直写玻璃表面制备光学微结构的方法，包括以下步骤：（1）将激光聚焦到玻璃表面，开启压缩气罐阀门，通过内径为4mm～7mm的通气管平行于玻璃表面吹辅助气体，辅助气体压强为0.3MPa～0.4MPa，平台运动速度设定为200mm/min～500mm/min，对于BK7玻璃激光能量密度设定为3.1J/cm2～7.5J/cm2，对于普通玻璃能量密度设定为2.1J/cm2～6.4J/cm2；开光加工；（2）完成后利用超声波清洗2～5分钟；激光器是低重频0.5KHz～5KHz、长脉宽20～120μs的激光器；激光器是532nm半导体泵浦激光器以及1064nm固体激光器；与其他机械加工方法相比，该方法属于非接触加工领域，有效避免道具磨损，并改善微结构粗糙度。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用绿光激光器直写玻璃表面制备微结构的方法。
背景技术
玻璃在工业生产和日常生活中应用非常广泛，特别是在光学成像领域，光学玻璃扮演者重要角色，针对一些特殊要求，有时候需要在光学玻璃表面制备光学微结构以实现衍射、干涉等光学特性。由于玻璃的硬脆特性，长期以来，在玻璃表面直写加工微结构，一直是一个难题。目前在玻璃表面加工微结构的办法是采用掩模光刻法以及干法、湿法背面刻蚀法。在直写加工方面，多是采用飞秒激光，利用其冷加工效应，对玻璃材料进行去除。掩模光刻法中需要用到化学试剂进行腐蚀，制备流程复杂、时间长。而飞秒激光设备昂贵，维护复杂。
发明内容
针对以上内容，有必要提出一种工艺简单、成本低廉、适应性强、无微裂纹的玻璃表面微结构制备方法。
本发明可以实现利用激光在玻璃表面直写制备二元微结构，而不需要掩模。
本发明采用的激光直写制备装置包括计算机、激光器、计算机与激光器连接的数据线、数控电位移平台，材料为光学玻璃。
激光直写玻璃表面制备光学微结构的方法，包括以下步骤：
将激光聚焦到玻璃表面，开启压缩气罐阀门，通过内径为4mm ～7mm 的通气管平行于玻璃表面吹辅助气体，辅助气体压强为 0.3MPa ～ 0.4MPa，平台运动速度设定为 200mm/min ～ 500mm/min，对于 BK7 玻璃激光能量密度设定为 3.1J/cm2 ～ 7.5J/cm2，对于普通玻璃能量密度设定为2.1J/cm2 ～6.4J/cm2 ；开光加工；完成后利用超声波清洗2 ～5 分钟；激光器是低重频 0.5KHz ～ 5KHz、长脉宽 20 ～ 120μs 的激光器；激光器是 532nm半导体泵浦激光器以及 1064nm 固体激光器。
所述的定位激光是指绿激光工作在低功率状态下，可以起到定位作用。
所述的辅助气体是压缩空气、压缩氮气、压缩氩气等无毒气体。
所述的辅助气体压强是指压缩气罐出口处压强，当其数值大于大气压强时辅助气体将被吹出，数值越大，吹出的辅助气体流速越快。本发明中，辅助气体压强为 0.3 ～0.4MPa。所述的通气管内径为 4mm ～ 7mm。
所述的激光器是波长为532nm 的半导体泵浦绿光激光器或者1064nm 固体激光器。所述的激光器属于低重频 0.5KHz ～ 5KHz、长脉宽 20 ～ 120μs 激光器。
所述的玻璃是除强化玻璃外的其他玻璃材料。如普通那该玻璃、BK7 光学玻璃、石英玻璃等。
本发明的工作原理是：利用定位激光将激光聚焦于玻璃表面，也可以精确测量玻璃厚度数值，通过坐标运算，直接调整平台使玻璃表面位于激光焦距处。玻璃表面附近材料对激光的吸收率远高于玻璃内部材料，在激光作用下，激光聚焦区域的玻璃材料温度骤增，达到软化点甚至汽化点。达到软化点的材料会在气化材料以及光压冲击下向刻槽两侧溅射。为了提高刻蚀效率，加快切削材料溅射速度，同时保护刻蚀过程中材料不受污染，在平行于玻璃表面方向吹保护气体，可以是氮气或者压缩空气。从而形成一个空气流速较快的低压区域，有效加速软化点以上材料和气化材料的飞离。平行吹气是为了减小气体的冷却效应，如果气体直接向玻璃表面吹会因为玻璃冷却较快而产生不可控制的残余应力，导致裂纹出现。
同时激光能量密度和加工速度需要严格控制在合理范围内，从而避免裂纹产生。对于普通钠钙玻璃材料，刻蚀速度为 400mm/min、辅助气体压强为 0.3 ～ 0.4MPa 时，激光能量密度范围 2.1J/cm2 ～ 6.4J/cm2 对应微结构深度范围 1.20μm ～ 3.10μm，宽度范围10.0μm ～ 14.0μm，当激光能量密度大于 6.4J/cm2 时，微结构周围将出现微裂纹，当激光能量密度小于2.1J/cm2 时，无法实现有效刻蚀。对于BK7 光学玻璃，刻蚀速度为400mm/min、保护气体压强为 0.3 ～ 0.4MPa 时，激光能量范围 3.1J/cm2 ～ 7.5J/cm2 对应微结构深度范围 0.96 ～ 2.50μm，宽度范围 9.1μm ～ 13.6μm，当激光能量密度高于 7.5J/cm2 将出现微裂纹，当能量密度低于 3.1J/cm2 时，无法实现有效刻蚀。
本发明可以利用激光在玻璃表面加工光学微结构，而不需要掩膜、光刻胶、化学腐蚀等流程。加工得到的微结构粗糙度小，无微裂纹。
本发明的特点是：
1. 与其他机械加工方法相比，该方法属于非接触加工领域，有效避免道具磨损，并改善微结构粗糙度。
2.与掩膜光刻法相比，属于直写加工领域，流程简单、成本低廉，不需要使用任何化学试剂。
3.与其他直写方法使用的激光器不同，本发明使用的是长脉宽532nm半导体泵浦绿光激光器，重频为1.81kHz，脉宽为120us，或者使用1064nm固体激光器。激光器成本远低于飞秒、皮秒、纳秒级别的激光设备，并且易于维护。
附图说明
图1本发明中激光直写装置
图中：1，激光器，2，Z轴运动平台，3，X轴运动平台，4，Y轴运动平台，5，激光光路，6，聚焦透镜，7，代加工玻璃材料，8，辅助气吹气口，9，辅助气体示意箭头。
图2网格状微结构显微镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
其步骤包括：
（1）设定二元微结构形状，并以 G 代码的形式输入给数控电位移平台。
（2）设定激光功率与数控电位移平台运动速度，将经过超声波清洗的玻璃放置在平台上。
（3）配合定位激光调整电位移平台 z 方向位置，使激光聚焦于玻璃表面。
（4）打开压缩储气罐阀门，调整辅助气体压强，通过通气管平行于玻璃表面吹气，
利用激光器配合数控电位移加工平台，按照预定轨迹在待加工玻璃材料表面进行微结构制备。
（5）刻写完成后，将玻璃放置于超声波清洗器中清洗 3 分钟。完成制备
所述的数控电位移加工平台是指一个能在水平 x、y、z 方向进行精确移动的平台，并用 G 代码控制其运行轨迹。
首先有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
实例
本发明选用体积小，加工方便的 532nm 半导体泵浦绿光激光器，普通数控平台，利用开源数控软件配合 G 代码控制平台运动；选用 BK7 玻璃作为刻蚀材料；选用普通压缩空气作为辅助气体。选择横纵交错的网格作为微结构形状，预定微结构刻蚀深度为 2μm。
本实例按以下方法进行：将玻璃清洗干净，置于数控加工平台上；打开定位激光，在 Z 轴方向移动数控平台，使激光焦点位于玻璃表面。设定激光器重频为 1.81kHz，平台运动速度为 400mm/min，激光能量密度为 6.5J/cm2，激光脉宽为 100μm。辅助气体压缩罐内气压为 0.4MPa，通过内径为 5mm 的通气管平行于玻璃表面吹气。将运动路径对应的数控代码输入控制软件，开启辅助气体，开启激光器，使激光器按照预先设定的加工参数开始加工；扫描完毕后，取出玻璃，放置于超声波清洗机中清洗 2 分钟。实物图见图 2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.激光直写玻璃表面制备光学微结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将激光聚焦到玻璃表面，开启压缩气罐阀门，通过内径为4mm ～7mm 的通气管平行于玻璃表面吹辅助气体，辅助气体压强为 0.3MPa ～ 0.4MPa，平台运动速度设定为 200mm/min ～500mm/min，对于 BK7 玻璃激光能量密度设定为 3.1J/cm2 ～ 7.5J/cm2，对于普通玻璃能量密度设定为2.1J/cm2 ～6.4J/cm2 ；开光加工；（2）完成后利用超声波清洗2 ～5 分钟；激光器是低重频 0.5KHz ～ 5KHz、长脉宽 20 ～ 120μs 的激光器；激光器是 532nm 半导体泵浦激光器以及 1064nm 固体激光器。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111045120A (zh) * | 2020-01-02 | 2020-04-21 | 北京理工大学重庆创新中心 | 一种基于高压气体辅助co2激光熔融的微透镜制造方法 |
| CN113001414A (zh) * | 2021-03-11 | 2021-06-22 | 泰极微技术(苏州)有限公司 | 一种玻璃表面微结构的加工方法 |
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