CN1087307A - 激光消融碎屑清理法 - Google Patents

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Abstract

一种消融目标表面和清理经消融的目标表面从 而减少聚集的消融碎屑的方法。该方法使所述目标 表面交替地暴露于高低能量密度的紫外光的脉冲 中。

Description

本发明涉及用激光通过消融消蚀目标表面的领域，应用激光使表面光滑的方法，以及用这种消融技术修整过的目标。
大家知道，用激光光束可以修整各种表面。在八十年代初，有人发现，以紫外频率范围发射出的脉冲激光能通过消融性光分解（APD）改变目标表面。后来又发现，采用APD可以每个激光脉冲大约1微米目标材料的数量级清除一层层的目标材料层。
还应该指出的是，APD不会显著地改变紧挨受消蚀材料底下的新暴露材料的特性。这种现象历来是用下述原因加以解释的：紫外激光在短得足以使衬底不致受热的时间内提供大得足以真正破坏聚合物目标材料的共价键的能量所致。（参看美国专利4，417，948和4，568，632）。此外美国专利5，061，342还公开了应用APD进行扫描的方法。
某些材料消融时会产生份量不同的碎屑，有些碎屑重新淀积到目标材料的表面。一般认为，这种重新淀积起来的碎屑由于某种原因破坏了应用APD预期可以修整目标表面所做的努力。此外，某些材料不能象其它材料那样干净利落地加以消蚀。迄今仍然还没有一种从目标表面消除淀积和粘附的碎屑同时又能防止碎屑进一步再聚集的方法。
现在本发明提出了一种既能清除已淀积的碎屑同时又能防止消融的碎屑稍后聚集起来的消蚀表面的新方法。在消融过程中形成、重新淀积并粘附到目标表面的碎屑在其余的目标表面继续进行消融之前必须加以清除。这里所公开的本发明的目标表面消融法包括不连续的清理工序，即从目标表面清除已淀积的碎屑。
在一个实施例中，公开了一种光消融目标表面和清除碎屑（或防止碎屑积聚）的方法，该方法是将所述目标表面暴露在交替出现的高能量密度和低能量密度的脉冲中。
在本发明的另一个实施例中，公开了一种由下列各工序组成的消融目标表面的方法;
a）将脉冲紫外光束照射到所述目标表面的初始扫描区;然后
b）将所述目标表面暴露在高和低能量密度交替出现的间歇脉冲中。
在本发明的另一个实施例中公开了一种经修整的目标表面，修整的方法是将所述表面暴露在低密度和高密度交替出现的紫外光的间歇脉冲中，该脉冲的扫描方向可取偏离所述目标表面初始区的方向，以便将所述目标表面按预定方式扫描，达到预定的最终表面。
此外，我们认为，本申请的发明特别适用于加工出交联、热固性、热塑性或其它材料的轮廓，包括光学透明材料（例如玻璃）和适用作接触透镜的材料。
图1是激光装置的示意图。
图2是聚焦透镜级的示意图。
图3是用高能量密度紫外线脉冲消融的水凝胶接触透镜材料的相片。
图4是用本发明高低能量密度交替的紫外光脉冲技术消融过的水凝胶接触透镜材料的相片。
图5是只用高能量密度紫外光脉冲消融过的Ultemtm工件的相片。
图6是用本发明的高低能量密度交替的紫外光脉冲技术消融过的Ultemtm工件的相片。
本发明涉及一种修整光学表面以改变其球面、柱面或其它屈光度的新方法。这个新方法可以结合到美国专利5，061，342所教导的工序中，这里也把该专利的整个内容包括进来以供参考。
本发明的方法采用高低能量密度交替的间歇紫外光脉冲来消融材料的表面，使该表面达到所要求的最终形状或表面几何条件。适宜消融加工的表面包括接触透镜、接触透镜毛坯、制造接触透镜的模具、制造这类模具的工具和任何直接或间接使某物体（例如接触透镜）具有所要求可预测的最终球面、柱面或其它屈光度、成形因素或其它表面几何条件的物体。
图1和2示出了本发明值得推荐的装置。图1中，激光束（1）从激发物激光源（图中未示出）发射出来，通过屏蔽板（2）后照射到分束器（3），分束器（3）用以监示光束的能量输出。焦耳计（4）接收从分光器反射回来的光能，同时传送出去的光束传送到成象透镜台（5）。然后移动成象透镜台使其趋近或偏离所述目标（6），由此将光束调节成高能量密度或低能量密度的脉冲。接着光束射向由固定装置（7）固定就位的目标（6）。
图2是另一较佳成象透镜级的示意图，它包括一焦距为300毫米的柱面透镜（9）（用于低能密度的脉冲），20毫米圆孔（10）和焦距为250毫米的球面透镜（11），用以调整原始光束（1）以产生高能量密度的脉冲。该光束然后被导向由固定装置（13）定位的目标衬底（12）。
这时可以借助于任何机械装置（图中未示出）前后移动聚焦透镜台，该机械装置可以由计算机控制并编程得使其响应激发物激光器发出脉冲的时间。高低能量密度交替的脉冲就以这种方式抵达目标表面。此外，我们体会到，除上述完全交替的脉冲外，高低能量密度的其它组合方式也同样可以使某些目标表面获得最佳的结果。换句话说，例如，高-低-低或高-高-低-低脉冲的方案也同样可以取得更好的效果，这视乎目标表面的特性而定。
加到单位面积目标上的激光能量叫做能量密度，紫外光的能量密度经常用每平方厘米的毫焦耳值（毫焦耳/平方厘米）表示。按照本发明用激光器扫描所使用“低”能量密度脉冲的能量密度范围最好从大约20毫焦耳/平方厘米至大约600毫焦耳/平方厘米，更理想的情况是从大约75毫焦耳/平方厘米至大约400毫焦耳/平方厘米，极理想的情况是大约150毫焦耳/平方厘米。“高”能量密度脉冲的能量密度范围最好是从大约400毫焦耳/平方厘米至大约5焦耳/平方厘米，更理想的情况是从大约750毫焦耳/平方厘米至大约2焦耳/平方厘米，极理想的情况是大约1焦耳/平方厘米。尽管显然上述各能量密度值是重叠的，但不言而喻，已知目标材料的“高”能量密度值大于“低”能量密度值。因此，500毫焦耳/平方厘米可以是高能量密度值，也可以是低能量密度值，这视乎所采用的另一个能量密度值而定。
尽管本发明的方法可用于任何给定的能级，但熟悉本技术领域的行家们都知道，某些材料为有效地通过消融改变表面的特性是要求一定的能量密度值的。
“交联”聚合材料是指任何借助于由元素、基团或化合物组成的桥使起码两个聚合物链附着的聚合材料，通常叫做交联剂。
“热固性”一词是指加热时变硬或“固化”再也不能恢复原状的聚合材料。相反，“热塑性”材料是指受热时软化、能恢复原状的聚合物。
虽然本发明特别适用于接触透镜扣、坯件和模具以及制造模具和接触透镜的工具。实际上任何能赋予光学性能或表面几何条件的装置都可用本发明加以和修整。与本案同时申请、代理案件编号为P00995    P01107、P01107A、P01106和P01106A共同转让的美国专利申请进一步公开了通过用激光扫描这种用以制造接触透镜铸制模具的工具进行的表面修整。
本发明还可用于其它激光扫描的用途，例如，眼角膜的刻蚀以及其它认为是消融碎屑作崇以致目标表面在经过扫描之后质量得不到提高的工序。
下面的一些实例仅仅是对本发明的各方面所作的进一步说明而已，不应视为对本发明的限制。
实例1
比较例-用高能量密度激光消蚀在干凝胶状态下的水凝胶接触透镜材料
如图1所示，激光成象系统由一矩形孔（1.818×1.043毫米）、一焦距为75毫米的活动成象透镜和作为目标的接触透镜材料组成，该系统设计和制造得可以通过改变所述矩形孔和透镜的位置来改变各脉冲之间的放大作用。在本实例中，成象透镜和矩形孔的位置使其能产生大约970毫焦耳/平方厘米的高能量密度。令目标暴露在25个脉冲中。图3的相片示出了受消蚀之后的矩形外部形成的碎屑（暗区）。
实例2
应用高低交替的脉冲技术用激光消蚀处于干凝胶状态的水凝胶接触透镜材料
使用实例1所述的激光成象系统，将成象透镜移到各脉冲之间的两个位置，使得产生能在衬底上分别形成大约150毫焦耳/平方厘米和970毫焦耳/平方厘米的低能量密度和高能量密度脉冲的两个放大作用。目标以交替的方式暴露于分别为25个的高和低能量密度脉冲中。图4的相片示出了经高低交替的激光泳冲工序之后的表面变化情况。可以清楚地看到，矩形消蚀部分外部没有碎屑聚集（请与图3比较）。
实例3
采用高能量密度脉冲技术用激光消蚀Ultemtm材料
如图2所示，图中设计的激光消蚀系统有两个交替的光束修整通路。其中一个通路由一个20毫米的圆孔和一个焦距为250毫米的透镜组成，该透镜用以将光束聚集到高温塑料衬底（Ultemtm，美国麻萨诸塞州碧斯费尔德通用电气公司出品）的光学区，以产生大约1焦耳/平方厘米的能量密度。另一条通路由一个焦距为300毫米的柱面透镜组成，该透镜用以将光束聚焦到比目标衬底的光学区还大的区域，以产生大约400毫焦耳/平方厘米的能量密度。该系统配置得使台面能在交替的各脉冲之间移动。（参看图2）。图5的相片示出了Ultemtm表面只暴露在高能量密度脉冲（大约25个脉冲）时在其上形成的环形碎屑。
实例4
采用高低能量密度脉冲技术用激光消蚀Ultemtm材料
采用了实例3中所述的实验设计。但将Ultemtm工件暴露在高低能量密度交替的光束脉冲中（在高低能量密度下的脉冲共25个）。从图6的相片可以看到，聚集在目标表面上的碎屑比实例3的结果（见图5）少。
熟悉本技术领域的行家们可以根据本说明书的教导对本发明进行种种其它的修改和变更，因此，不言而喻，在权利要求书的范围内可以用本说明书所具体说明的方式实施本发明。

Claims (18)

1、一种对目标表面进行光消融的方法，其特征是，将所述目标表面交替地暴露在紫外光高低能量密度的脉冲中。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲紫外光是从激发物激光器发射出的光束。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标表面由交联聚合材料构成。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标表面为热固性材料。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标表面为热塑性材料。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标为接触透镜。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低能量密度脉冲的能量密度约为20毫焦耳/平方厘米至大约600毫焦耳/平方厘米。
8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标表面是能赋予起码另一个表面光学性能或表面几何条件的装置。
9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高能量密度脉冲的能量密度约为400毫焦耳/平方厘米至大约5焦耳/平方厘米。
10、一种清除目标表面上的碎屑的方法，包括下列步骤：
a）将脉冲紫外光照射到所述目标表面的初始扫描区;和
b）将所述目标表面暴露在高和低能量密度交替出现的间歇脉冲中。
11、一种经修整的目标表面，修整的方法是将所述表面暴露在低密度和高密度交替的紫外光间歇脉冲中，该脉冲的扫描方向取偏离所述目标表面的初始区的方向，以便将所述目标表面按预定方式扫描，达到预定的最终表面。
12、如权利要求11所述的目标表面，其特征在于，所述目标为交联聚合材料。
13、如权利要求12所述的目标表面，其特征在于，所述目标为热固性塑料材料。
14、如权利要求11所述的目标表面，其特征在于，所述目标为热塑性塑料材料。
15、如权利要求11所述的目标表面，其特征在于，所述目标表面是个透光衬底。
16、如权利要求11所述的目标表面，其特征在于，所述目标是接触透镜。
17、如权利要求11所述的目标表面，其特征在于，所述目标是个复曲面的接触透镜。
18、如权利要求11所述的目标表面，其特征在于，所述目标是个能赋予起码另一表面光学性能或表面几何条件的装置。
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