CN110482877A - 一种石英玻璃表面微裂纹飞秒激光弥合方法 - Google Patents

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王伟
支新涛
陆广华
周琦
王克鸿
王大森
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    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
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    • C03C23/0005—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
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Abstract

本发明涉及一种石英玻璃表面微裂纹飞秒激光弥合方法。对尺度在400nm‑10μm之间微裂纹，将样品倒置于复合工作台上，飞秒激光聚焦于玻璃内部微裂纹最深处上端，利用高重复频率低能量脉冲飞秒激光的热积累作用，通过控制功率与扫描速度，控制加工区的温度低于气化温度，逐层进给加工，利用母材对飞秒激光诱导出的等离子体的限制作用，填充微裂纹区，实现微裂纹的弥合，获得无微米级微裂纹表面光滑的石英玻璃样品。本发明由于采用上述方法，可抑制飞秒激光剧烈的烧蚀作用同时利用飞秒激光冷加工的优点，避免热应力，不是钝化而是弥合微裂纹，性能和精度更好。本发明适用于对表面精度要求严格的石英玻璃表面微裂纹的弥合。

Description

一种石英玻璃表面微裂纹飞秒激光弥合方法
技术领域
本发明涉及石英玻璃表面微裂纹强化技术领域，具体地说是一种可广泛应用于航空航天，高功率激光武器，核能开发等技术领域的超精密石英玻璃表面微裂纹弥合方法。
背景技术
石英玻璃因其优异的性能，广泛的应用于航空航天，高功率激光武器，核能开发等领域，这些领域对石英玻璃表面精度要求很高，往往通过超精密加工实现，而石英玻璃作为典型的硬脆材料，在超精密磨削加工过程中，仍会存在宽度及深度在10um级的制造微裂纹，严重影响后续加工效率与最终性能。
当前对微裂纹缺陷强化的方法有很多种，其中酸洗法可以有效钝化裂纹尖端一定程度抑制裂纹后续扩展，但微裂纹仍然存在，应力大时仍会扩展。镀膜法可以有效填充微裂纹，形成保护膜，但没有消除微裂纹在微观环境下应力和能量的不平衡状态，强度增强有限且存在隐患，不适合高精度光学元件加工。长脉冲激光抛光强化时由于热作用强烈，热应力大，需要进行去应力处理，且易产生气泡、再沉积物、热应力损伤。飞秒脉冲激光由于烧蚀作用强烈，往往是通过除蚀作用将微裂纹进行整形，钝化裂纹尖端，仍存在微裂纹，易造成二次损伤。
发明内容
为了克服上述不足，本发明目的在于提供一种避免产生热应力，抑制飞秒激光剧烈烧蚀作用的实现石英玻璃表面微裂纹飞秒激光弥合的方法，解决钝化微裂纹易造成二次损伤的问题，无需经过去应力处理即可得到无微米级缺陷表面光滑的玻璃样品。
实现本发明目的的技术解决方案为：
步骤一：依次用清水、乙醇对含有表面微裂纹的样品进行超声清洗，去除样品表面的污染物。
步骤二：将步骤一中清理后的样品非加工面对着飞秒激光镜头放置于工作台上。
步骤三：通过CCD共聚焦显微镜定位微裂纹，调节镜头高度，将飞秒激光聚焦于样品微裂纹最深处的上方。
步骤四：启动飞秒激光加工设备，导入激光加工形状，选择激光进给加工方式，设定激光加工参数，选择对位点，开始激光加工。
步骤五：样品加工完成后，用除尘器去除样品表面的离子沉淀物，依次用清水、乙醇对样品进行超声清洗。获得无μm级微裂纹表面光滑的玻璃样品。
进一步的，步骤一中，样品表面微裂纹的宽度和深度在400nm-15μm之间。
进一步的，步骤二中，工作台为复合工作台，在原工作台上加装光滑陶瓷片作为新的工作台。
进一步的，步骤二中，样品的放置方式为非加工面对着飞秒激光镜头放置。
进一步的，步骤三中，飞秒激光聚焦于玻璃内部微裂纹最深处的上方。
进一步的，步骤四中，激光加工形状为垂直于裂纹密集S型，其面积要超过微裂纹范围。
进一步的，步骤四中，进给加工次数为10-50次，进给距离为400nm-2um。
进一步的，步骤四中，激光加工参数中，设备输出功率为40w，激光脉宽为300fs，激光波长为1040nm，聚焦光斑直径为20μm。重复频率为1MHz-50MHz，激光功率为20％-40％，扫描速度为1mm/s-200mm/s。
本发明的原理及依据是：高重复频率下，飞秒脉冲激光的热积累效应明显，利用低能量高重复频率脉冲飞秒激光的热积累作用，通过能量与扫描速度的复合控制加工温度低于气化温度，抑制剧烈烧蚀作用，通过逐层进给加工，利用母材对诱导出的等离子体的束缚作用，对微裂纹进行填充，实现从裂纹底端到玻璃表面弥合修复，获得高精度光滑玻璃表面。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1)飞秒激光热影响区小，热应力小，加工时无热应力损伤，以及因热作用产生的气泡再沉积物等，实现冷加工，无需进行后续的去应力处理。
2)利用高重复频率低能量的脉冲飞秒激光，抑制了飞秒激光剧烈的烧蚀作用。
3)采用非加工面对着飞秒激光镜头放置的加工方式，飞秒激光诱导出的等离子体受基体的束缚作用，对微裂纹处进行填充弥合。
4)对微裂纹进行了弥合强化，而不是钝化裂纹尖端，强化效果更好，表面精度更高。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明使用的一种抑制飞秒激光剧烈烧蚀作用实现超精密石英玻璃表面微裂纹弥合的强化方法采用的装置示意图。
图2是本发明使用的一种抑制飞秒激光剧烈烧蚀作用实现超精密石英玻璃表面微裂纹弥合的强化方法采用的激光加工形状与微裂纹的位置示意图。
表1是实施例2至实施例10飞秒激光弥合的参数及测试结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述
结合图1和图2，将带有微裂纹的样品[3]，倒放于飞秒激光设备工作台[1]和光滑的陶瓷片[2]组成的复合工作台上，激光器[7]发出的激光经振镜加工系统[6]将激光聚焦[5]于微裂纹最深处上方[4]。之后导入加工图形[9]选择合适的工艺参数对微裂纹[8]进行逐层进给弥合强化。
下面结合实例对本发明作进一步详细描述
实施例1
步骤一：依次用清水、乙醇对含有表面微裂纹的样品进行超声清洗，去除样品表面的污染物。
步骤二：将步骤一中清理后的样品非加工面对着飞秒激光镜头放置在工作台上。
步骤三：通过CCD共聚焦显微镜定位微裂纹，调节镜头高度，将飞秒激光聚焦于样品微裂纹最深处的上方，距离样品加工面20μm处。
步骤四：启动飞秒激光加工设备，导入激光加工形状，选择激光加工方式为进给加工，进给次数为50次，进给距离为400nm，设定激光加工参数为激光重复频率1MHz，激光功率30％，扫描速度1mm/s，选择对位点，开始激光加工。
步骤五：样品加工完成后，用除尘器去除样品表面的离子沉淀物，依次用清水、乙醇对样品进行超声清洗，获得无μm级微裂纹表面光滑的实施例1玻璃样品。
经测试，上述飞秒激光弥合玻璃样品表面微裂纹深度由13.47μm降低至150nm，检测设备为原子力显微镜。
实施例2至实施例10的飞秒激光弥合参数及测试结果如表1所示
实施例2至实施例具体实施过程同实施例1，区别在于改变了进给次数、进给距离、重复频率、激光功率、扫描速度。
表1飞秒激光弥合的参数及测试结果

Claims (7)

1.一种石英玻璃表面微裂纹飞秒激光弥合方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：依次用清水、乙醇对含有表面微裂纹的样品进行超声清洗，去除样品表面的污染物；
步骤二：将步骤一中清理后的样品非加工面对着飞秒激光镜头放置于工作台上；
步骤三：通过CCD共聚焦显微镜定位微裂纹，调节镜头高度，将飞秒激光聚焦于样品微裂纹最深处的上方；
步骤四：启动飞秒激光加工设备，导入激光加工形状，选择激光进给加工方式，设定激光加工参数，选择对位点，开始激光加工；
步骤五：样品加工完成后，用除尘器去除样品表面的离子沉淀物，依次用清水、乙醇对样品进行超声清洗，获得无μm级微裂纹表面光滑的玻璃样品。
2.根据权利要求1所述的一种石英玻璃表面微裂纹飞秒激光弥合方法，其特征在于，步骤一，样品表面微裂纹的宽度和深度在400nm-15μm之间。
3.根据权利要求1所述的一种石英玻璃表面微裂纹飞秒激光弥合方法，其特征在于，步骤二中，工作台为复合工作台，在原工作台上加装光滑陶瓷片的为复合工作台。
4.根据权利要求1所述的一种石英玻璃表面微裂纹飞秒激光弥合方法，其特征在于，步骤二中，样品的放置方式为非加工面对着飞秒激光镜头放置。
5.根据权利要求1所述的一种石英玻璃表面微裂纹飞秒激光弥合方法，其特征在于，步骤四中，激光加工形状为垂直于裂纹密集S型，其面积要超过微裂纹范围。
6.根据权利要求1所述的一种石英玻璃表面微裂纹飞秒激光弥合方法，其特征在于，步骤四中，进给加工次数为10-50次，进给距离为400nm-2um。
7.根据权利要求1所述的一种石英玻璃表面微裂纹飞秒激光弥合方法，其特征在于，步骤四中，激光加工参数中，设备输出功率为40w，激光脉宽为300fs，激光波长为1040nm，聚焦光斑直径为20μm；重复频率为1MHz-50MHz，激光功率为20％-40％，扫描速度为1mm/s-200mm/s。
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