CN111014963B - 一种硬脆材料的三维微加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硬脆材料的三维微加工方法，属于激光微纳加工技术领域，本发明利用飞秒激光对硬质材料表面进行材料去除型烧蚀加工，由于飞秒激光的短脉冲和低平均功率的特性，加工过程中热效应较低，可以得到良好的表面以及边缘形貌。利用高数值孔径物镜产生紧聚焦光场对材料表面进行直写烧蚀，从而有效提高加工精度，减小加工线宽。本发明采用液体环境背面烧蚀的加工方式，将激光光斑聚焦到材料背面，激光与材料的强相互作用会在液体内部产生大量微气泡，利用气泡实现了对加工所产生的碎屑的实时去除，不仅解决了碎屑附着在材料表面带来的光斑散射问题，而且实现了三维体结构的烧蚀加工。

Description

一种硬脆材料的三维微加工方法
技术领域
本发明属于激光微纳加工技术领域，具体涉及液体辅助的飞秒激光直写技术实现介质材料表面三维微纳结构的制备，利用紧聚焦飞秒激光在液体环境中背面烧蚀介质材料，液体产生气泡辅助实时清理烧蚀产生的碎屑，以实现硬脆材料表面真三维结构的高效稳定加工。
背景技术
随着光学系统复杂程度的提高，光学系统中光学器件的数量和种类不断增加，这使得整个系统的空间占用变得越发庞大，人们开始致力于研究新型的集成化微光学系统。目前传统的光学器件主要为宏观尺度，不满足微光学系统集成化，紧凑化的需求，因此开发制备新型的微光学器件具有重要意义。
石英玻璃，蓝宝石等硬脆材料具有光学透过率高、高硬度、耐高温、低热膨胀系数以及优良的化学稳定性，是制备微纳光学器件的理想材料，然而现有三维微纳结构制备方法如微纳3D打印技术和飞秒激光双光子聚合直写技术都采用增材加工的方式，对材料的选择性较高，无法实现对硬脆材料的加工。目前对硬脆材料的微纳加工方法主要集中在光刻工艺，然而即使目前的多次套刻技术仍然无法实现真三维结构和曲面结构的加工。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种硬脆材料表面高效制备任意三维结构的方法。利用飞秒激光对硬质材料表面进行材料去除型烧蚀加工，由于飞秒激光的短脉冲和低平均功率的特性，加工过程中热效应较低，可以得到良好的表面以及边缘形貌。利用高数值孔径物镜产生紧聚焦光场对材料表面进行直写烧蚀，从而有效提高加工精度，减小加工线宽。本发明采用液体环境背面烧蚀的加工方式，将激光光斑聚焦到材料背面，激光与材料的强相互作用会在液体内部产生大量微气泡，利用气泡实现了对加工所产生的碎屑的实时去除，不仅解决了碎屑附着在材料表面带来的光斑散射问题，而且实现了三维体结构的烧蚀加工。
本发明通过如下技术方案实现：
一种硬脆材料的三维微加工方法，具体步骤如下：
步骤一：待加工样品制备；
首先将待加工样片和盛放液体的凹槽容器置于丙酮中超声清洗0.1-2h后取出，依次经过乙醇和去离子水冲洗并吹干；然后将表面增蚀剂注入凹槽中，再将样品至于凹槽上，封住液体不流出，凹槽内部无气泡，样品制备完成；
步骤二：在液体中进行飞秒激光三维烧蚀；
首先，将样品固定在三维加工平台上，平台由三维手动平台和三维电控平台组成；飞秒激光放大器经三倍频后出射的波长为343nm的飞秒激光，进入三维振镜加工系统进行扩束调焦后，聚焦到熔融石英片的下表面；随后，利用样品表面划线扫描的方法确认光斑位置，将飞秒激光聚焦在样品与液体的交界面处，然后将预先设计好的加工文件读入加工程序，采用逐点、逐层扫描的方法进行直写加工，加工数据采用每一层的结构的截面沿轮廓边缘进行扫描去除的方法，这样可以最大程度的保留结构的轮廓以及结构表面的光滑程度；
步骤三：样品超声及退火；
具体步骤为：首先，将步骤二加工得到的样品置于丙酮溶液中超声清洗0.5-3h，用来清理加工之后残留的碎屑，对于易碎结构可以适当减少超声时间，然后将超声后的样品先经过乙醇冲洗再用去离子水冲洗，然后用烘干机烘干或用洗耳球吹干；随后，将经过超声清洗后的样品置于退火炉中升温至1000-1200℃并恒温保持2-3h，待冷却至室温后取出。高温可以让结构表面自平滑，降低烧蚀之后的表面粗糙度。
进一步地，步骤一中所述的加工样品为透明晶体片或玻璃片，厚度为0.1-3mm；盛放液体的凹槽是在表面平整的玻璃片中间区域制作一个长宽为0.5-5cm，深度为0.1-2cm的凹槽，凹槽四角上下各有一个磁铁用来固定加工样品。
进一步地，步骤一中所述的表面增蚀剂为芘的丙酮溶液或其他液态金属，所述芘的丙酮溶液的浓度为0.01-0.3mol/L。芘是一种表面增蚀剂，可以在紫外波长产生强烈吸收；丙酮是一种低表面张力的溶剂，烧蚀过程中产生小气泡并不易堆积，利用丙酮作为溶剂溶解一定量的芘，配置成芘的丙酮溶液作为表面增蚀剂。
进一步地，步骤二中的三维振镜加工系统包括石英第一凸透镜L1、石英第二凸透镜L2、石英第三凸透镜L3、石英第四凸透镜L4、第一全反射镜M1、第二全反射镜M2、铝反射镜M3、衰减片A、高速振镜G、图像传感器C及调焦环物镜O；激光器出射飞秒激光依次经过衰减片A及第一全反射镜M1，再经第一凸透镜L1和第二凸透镜L2扩束，将光斑扩大4倍；然后，光束经过高速振镜G，再经第三凸透镜L3和第四凸透镜L4组成的4f系统；随后，光束经第二全反射镜M2到达调焦环物镜O处；另外，汞灯光源依次经加工样品、调焦环物镜O、第二全反射镜M2和铝反射镜M3后到达图像传感器C处。
进一步地，步骤二中的三维手动平台X轴和Y轴移动范围为0-10cm，Z轴移动范围0-5cm，精度为10μm，三维电控平台Z轴为压电平台，移动范围为0-200μm，精度为1-10nm，X轴和Y轴由高速振镜控制激光焦点位置来实现，移动精度10-100nm。
进一步地，步骤二中的飞秒激光基频波长为1030nm，三倍频之后波长为343nm，为紫外飞秒激光；激光重复频率为200kHz，脉冲宽度为280fs；采用的物镜为5×-100×镜头，数值孔径为0.1-1.45；激光烧蚀的单脉冲能量10-2000nJ。激光扫描速度1-100mm/s；加工数据的点间距为50-4000nm，线间距为50-2000nm，层间距为5-3000nm。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)、与光刻工艺相比，具备光刻工艺所不具备的真三维结构以及曲面结构的加工能力，能够精确控制结构的形貌，同时不需要制作复杂的掩膜版，不需要复杂的刻蚀工艺；
(2)、与双光子聚合加工的方法相比，两种加工方式都可以加工三维结构，本发明的优势在于对硬脆材料的加工，可加工材料选择更广，硬脆材料相比于聚合物有更高的物理和化学稳定性；
(3)、本发明利用飞秒激光的超短脉冲和极高的峰值功率对材料进行烧蚀去除，可以烧蚀任何材料，另外采用三维直写的加工方式，可用于加工各种复杂结构。
附图说明
.图1为本发明的一种硬脆材料的三维微加工方法的飞秒激光加工光路示意图；其中，石英第一凸透镜L1、石英第二凸透镜L2、石英第三凸透镜L3、石英第四凸透镜L4、第一全反射镜(343nm)M1、第二全反射镜(343nm)M2、铝反射镜M3、衰减片A、高速振镜G、图像传感器C、调焦环物镜O；
图2为本发明的一种硬脆材料的三维微加工方法的整体流程图；
图3为本发明的一种硬脆材料的三维微加工方法的加工装置示意图；
图4为本发明的一种硬脆材料的三维微加工方法制备的石英表面纳米线阵列的扫描电镜图；其中，a为纳米线阵列的整体图，b为单条纳米线的局部放大图；
图5为本发明的一种硬脆材料的三维微加工方法制备的石英表面微凸透镜阵列的扫描电镜图；其中，a为透镜阵列的整体图，b为透镜阵列的局部放大图；
图6为本发明的一种硬脆材料的三维微加工方法制备的蓝宝石表面真三维结构“JLU”的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步地说明。
实施例1
通过液体辅助的飞秒激光直写烧蚀方法在石英表面制备微凸透镜阵列。
由图1所示，激光器出射飞秒激光经由衰减片A得到合适的激光功率，经第一343nm全反射镜，再经第一凸透镜L1和第二凸透镜L2扩束，将光斑扩大4倍；然后，光束经过高速振镜G，再经第三凸透镜L3和第四凸透镜L4组成的4f系统；随后，光束经第二343nm全反射镜M2到达调焦环物镜O处；另外，汞灯光源经加工样品，调焦环物镜O，第二343nm全反射镜M2和铝反射镜M3到达图像传感器C处。
一种硬脆材料的三维微加工方法，具体步骤如下：
(1)、待加工样品制备；
首先，在20mm长20mm宽0.2mm厚的熔融石英片一面画上标记，与15mm长15mm宽3mm深的玻璃凹槽一起放入丙酮中超声清洗0.5h，再用乙醇和去离子水冲洗；然后配置0.2mol/L的芘的丙酮溶液；然后将芘的丙酮溶液注入玻璃凹槽中，将加工样品标记面朝下覆盖在凹槽上，封住液体不流出，凹槽内部无气泡。
(2)、在液体中进行飞秒激光三维烧蚀；
首先，将制备好的加工样品放置在加工平台上，并固定；调解衰减片，使得经过物镜之后的激光功率为6mW；打开图像传感器和照明汞灯光源，调节手动三维平台，先调节Z轴，缓慢升高样品，在成像系统中找到加工样品下表面，在调节X轴和Y轴，在成像系统中找到下表面上的标记线；打开加工控制程序，打开光闸，手动调节X轴，同时程序控制Z轴上下1μm，直到样品上出现烧蚀的痕迹，此时激光焦点聚焦在样品与液体的交界面；然后关闭关闸，调节X轴移开烧蚀的位置，导入微透镜阵列的加工数据，开始石英表面微透镜阵列的烧蚀加工。飞秒激光波长为343nm，重复频率200kHz，激光扫描速度为10mm/s，调焦环物镜为40×镜头，数值孔径0.9。
(3)、样品超声及退火；
首先，将加工完成的石英片与凹槽分离；然后将石英片放入丙酮中超声1h，清理加工之后残留在样品表面的碎屑，之后用乙醇和去离子水冲洗；然后将石英片放入退火炉中，设置退火温度1250℃，升温时间1.5h，恒温时间2h，降温时间3h，降温至室温后从退火炉中取出石英片，得到高表面质量的石英微凸透镜阵列。
实施例2
通过液体辅助的飞秒激光直写烧蚀方法在蓝宝石表面制备真三维结构。
加工系统如图1所示，同实施例1。
一种硬脆材料的三维微加工方法，具体步骤如下：
(1)、待加工样品制备；
同实施例1
(2)、在液体中进行飞秒激光三维烧蚀；
同实施例1
(3)、样品超声及退火；
首先，将加工完成的蓝宝石片与凹槽分离；复杂三维结构易碎，要减少超声时间；将蓝宝石片放入丙酮中超声1min，之后用乙醇和去离子水冲洗；然后将石英片放入退火炉中，设置退火温度1100℃，升温时间1.5h，恒温时间2h，降温时间3h，降温至室温后从退火炉中取出蓝宝石片。
石英、蓝宝石等硬脆材料由于其硬度高、容易碎，传统的微加工工艺很难对其直接进行加工。光刻和干法刻蚀工艺流程复杂，而且难以制备三维结构。而利用本发明中的方法，飞秒激光由于其极高的峰值功率，可以烧蚀加工自然界中任何坚硬的材料。而且配合液体辅助烧蚀并清理碎屑，可以实现硬脆材料三维微结构的制备。后期对结构的热退火处理可以提高激光烧蚀之后的表面质量，可用于微光学元件的制备。
由图4可知，利用芘的丙酮溶液辅助的飞秒激光烧蚀制备的石英玻璃纳米线宽度为350nm，说明本方法可以实现亚微米的加工精度。
由图5可知，利用液体辅助的飞秒激光直写烧蚀方法可以在石英表面制备微凸透镜阵列，经过热退火工艺，微透镜的表面十分光滑。
由图6可知，利用液体辅助的飞秒激光直写烧蚀方法还可以在硬度很高的蓝宝石表面制备真三维结构。

Claims (5)

1.一种硬脆材料的三维微加工方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：待加工样品制备；
首先将待加工样品和盛放液体的凹槽容器置于丙酮中超声清洗0.1-2h后取出，依次经过乙醇和去离子水冲洗并吹干；然后将表面增蚀剂注入凹槽中，再将样品至于凹槽上，封住液体不流出，凹槽内部无气泡，样品制备完成；
步骤二：在液体中进行飞秒激光三维烧蚀；
首先，将样品固定在三维加工平台上，平台由三维手动平台和三维电控平台组成；飞秒激光放大器经三倍频后出射的波长为343nm的飞秒激光，进入三维振镜加工系统进行扩束调焦后，聚焦到待加工样品的下表面；随后，利用样品表面划线扫描的方法确认光斑位置，将飞秒激光聚焦在样品与液体的交界面处，然后将预先设计好的加工数据读入加工程序，采用逐点、逐层扫描的方法进行直写加工，加工数据采用每一层的结构的截面沿轮廓边缘进行扫描去除的方法；
所述三维振镜加工系统包括石英第一凸透镜L1、石英第二凸透镜L2、石英第三凸透镜L3、石英第四凸透镜L4、第一全反射镜M1、第二全反射镜M2、铝反射镜M3、衰减片A、高速振镜G、图像传感器C及调焦环物镜O；激光器出射飞秒激光依次经过衰减片A及第一全反射镜M1，再经第一凸透镜L1和第二凸透镜L2扩束，将光斑扩大4倍；然后，光束经过高速振镜G，再经第三凸透镜L3和第四凸透镜L4组成的4f系统；随后，光束经第二全反射镜M2到达调焦环物镜O处；另外，汞灯光源依次经加工样品、调焦环物镜O、第二全反射镜M2和铝反射镜M3后到达图像传感器C处；
步骤三：样品超声及退火；
具体步骤为：首先，将步骤二加工得到的样品置于丙酮溶液中超声清洗0.5-3h，用来清理加工之后残留的碎屑，对于易碎结构适当减少超声时间，然后将超声后的样品先经过乙醇冲洗再用去离子水冲洗，然后用烘干机烘干或用洗耳球吹干；随后，将经过超声清洗后的样品置于退火炉中升温至1000-1200℃并恒温保持2-3h，待冷却至室温后取出。
2.如权利要求1所述的一种硬脆材料的三维微加工方法，其特征在于，步骤一中所述的加工样品为透明晶体片或玻璃片，厚度为0.1-3mm；盛放液体的凹槽是在表面平整的玻璃片中间区域制作一个长宽为0.5-5cm，深度为0.1-2cm的凹槽，凹槽四角上下各有一个磁铁用来固定加工样品。
3.如权利要求1所述的一种硬脆材料的三维微加工方法，其特征在于，步骤一中所述的表面增蚀剂为芘的丙酮溶液或其他液态金属，所述芘的丙酮溶液的浓度为0.01-0.3mol/L。
4.如权利要求1所述的一种硬脆材料的三维微加工方法，其特征在于，步骤二中的三维手动平台X轴和Y轴移动范围为0-10cm，Z轴移动范围0-5cm，精度为10μm，三维电控平台Z轴为压电平台，移动范围为0-200μm，精度为1-10nm，X轴和Y轴由高速振镜控制激光焦点位置来实现，移动精度10-100nm。
5.如权利要求1所述的一种硬脆材料的三维微加工方法，其特征在于，步骤二中的飞秒激光基频波长为1030nm，三倍频之后波长为343nm，为紫外飞秒激光；激光重复频率为200kHz，脉冲宽度为280fs；采用的物镜为5-100倍镜头，数值孔径为0.1-1.45；激光烧蚀的单脉冲能量10-2000nJ；激光扫描速度1-100mm/s；加工数据的点间距为50-4000nm，线间距为50-2000nm，层间距为5-3000nm。
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