CN112719602A - 一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法及其系统，该方法包括利用激光对玻璃表面进行加工，以得到初加工产品；对所述初加工产品采用化学腐蚀，以得到灰度阶梯结构的产品。本发明通过激光在玻璃表面加工出待加工的图案，改变玻璃表面及下层的材料物理化学性质，并利用碱性腐蚀液进行化学腐蚀，由此加工出灰度阶梯结构的产品，实现高效率地制备灰度阶梯结构的光学微型器件。

Description

一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法及其系统

技术领域

本发明涉及玻璃加工方法，更具体地说是指一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法及其系统。

背景技术

玻璃属于重要的化学特性稳定的非晶脆性透明材料，广泛应用与消费电子，生物医疗。也由于其化学的稳定性和脆性，玻璃材料特别适用于激光微加工。加工方式主要有两种，一是直接材料去除的干法方式切割、钻孔、表面雕刻等激光直写的方式，实现高质量和高效率的加工；二是激光诱导的化学腐蚀的湿法加工，鉴于HF(氟化氢气体的水溶液，Hydrofluoric Acid)溶液的剧毒，目前的化学腐蚀液主要以低毒的碱性腐蚀液。激光处理后的玻璃腐蚀速率远远大于未激光处理的玻璃。

目前对于制备灰度阶梯结构的光学微型器件的加工制备，例如表面微透镜列阵，一般采用干法的激光加工，但是对于渐变台阶结构的加工实现连续的结构改变而言，激光光束的运动控制要求很高，效率也低。

因此，有必要设计一种新的方法，实现高效率地制备灰度阶梯结构的光学微型器件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法及其系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，包括：

利用激光对玻璃表面进行加工，以得到初加工产品；

对所述初加工产品采用化学腐蚀，以得到灰度阶梯结构的产品。

其进一步技术方案为：所述利用激光对玻璃表面进行加工，以得到初加工产品，包括：

采用紫外激光光束对玻璃表面加工出所需的图案，以得到初加工产品。

其进一步技术方案为：所述紫外激光光束的波长为343nm至355nm，或者所述紫外激光光束的波长为266mm，或者所述紫外激光光束的波长为213mm。

其进一步技术方案为：所述紫外激光光束的脉宽为250fs至950fs，或者所述紫外激光光束的脉宽不大于15ps，或者所述紫外激光光束的脉宽不大于10ns。

其进一步技术方案为：所述对所述初加工产品采用化学腐蚀，以得到灰度阶梯结构的产品，包括：

采用碱性腐蚀液对所述初加工产品的图案进行化学腐蚀，以得到灰度阶梯结构的产品。

其进一步技术方案为：所述碱性腐蚀液为KOH水溶液。

其进一步技术方案为：所述碱性腐蚀液的腐蚀温度为97℃。

本发明还提供了一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的系统，所述系统适用于上述的激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，包括化学腐蚀槽、激光器、处理组件以及移动机台，所述处理组件以及所述激光器分别位于所述移动机台上，所述激光器与所述处理组件连接，所述化学腐蚀槽位于所述移动机台的一侧。

其进一步技术方案为：所述处理组件包括顺次连接的扩束器、振镜以及场镜，所述处理组件还包括透镜，所述透镜与所述扩束器连接。

其进一步技术方案为：所述处理组件还包括第一反射镜和第二反射镜，所述扩束器与所述振镜之间连接有所述第一反射镜，所述第一反射镜通过所述第二反射镜与所述透镜连接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过激光在玻璃表面加工出待加工的图案，改变玻璃表面及下层的材料物理化学性质，并利用碱性腐蚀液进行化学腐蚀，由此加工出灰度阶梯结构的产品，实现高效率地制备灰度阶梯结构的光学微型器件。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明具体实施例提供的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法的示意性流程图；

图2为本发明具体实施例提供的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的系统的示意性框图；

图3为本发明具体实施例提供的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法的示意性结构图；

图4为本发明具体实施例提供的激光对玻璃表面进行加工的示意性结构图；

图5为本发明具体实施例提供的化学腐蚀的示意性结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

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，所描述的实施例仅仅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，本领域技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，该方法可以运用于加工灰度阶梯结构的光学微型器件，例如表面微透镜列阵。目前的激光诱导的化学腐蚀加工主要应用于高深宽比微细结构的加工，其原理就是利用玻璃90对激光的高透过率，使用超快激光的整形光束在玻璃90内部通过多光子吸收实现玻璃90内部的材料破坏，然后通过化学腐蚀液对改性玻璃90的腐蚀实现设计的结构和器件。激光化学腐蚀的优点之一就是可控制的渐变的过程，因此，采用激光诱导玻璃90表面化学腐蚀可高效地实现灰度阶梯结构的产品加工。

请参阅图1，上述的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，包括以下步骤S110～S120。

S110、利用激光对玻璃90表面进行加工，以得到初加工产品。

在本实施例中，初加工产品是指采用激光对玻璃90表面进行待加工的图案的处理，以实现玻璃90表面出现待加工的图案。

如图4所示，在激光对玻璃90表面进行加工时，由于有激光光束的高斯分布，材料去除区域和材料改性区域强度都是以焦点处为中心向外部扩散，由强到弱连续分布。

具体地，采用紫外激光光束对玻璃90表面加工出所需的图案，以得到初加工产品。

在本实施例中，所述紫外激光光束的波长为343nm至355nm。当然，于其他实施例，所述紫外激光光束的波长还可以为266nm或者213nm，可依据实际情况选择。

在本实施例中，所述紫外激光光束的脉宽为250fs至950fs。于其他实施例，上述的紫外激光光束的脉宽可以为不大于15ps或者不大于10ns，可依据实际情况选定。

设置上述波长和脉宽的紫外激光光束可以使得激光改变玻璃90表面以及下层的材料的物理化学性质，形成一个可以化学腐蚀的前体材料层。

S120、对所述初加工产品采用化学腐蚀，以得到灰度阶梯结构的产品。

在本实施例中，灰度阶梯结构的产品是指具备渐变台阶的产品，如表面微透镜列阵。

如图5所示，具体地，采用碱性腐蚀液对所述初加工产品的图案进行化学腐蚀，以得到灰度阶梯结构的产品。

在本实施例中，所述碱性腐蚀液为KOH水溶液。具体地，KOH水溶液的浓度为90％。当然，于其他实施例，KOH水溶液的浓度为85％～95％中的其他浓度。

在本实施例中，所述碱性腐蚀液的腐蚀温度为97℃。于其他实施例，该碱性腐蚀液的腐蚀温度可以为25℃至100℃。

利用上述浓度和腐蚀温度的碱性腐蚀液，可在利用激光的光束强度分布，或者必要的光束整形来控制改性层的分布，最终通过控制腐蚀过程实现设计的结构/形状，可控程度和效率高，实现批量制备的可控的玻璃90表面微型器件。

如图3所示，利用激光与玻璃90作用，改变玻璃90表面以及下层的材料的物理化学性质，形成一个可以化学腐蚀的前体材料层。利用激光的光束强度分布，或者必要的光束整形来控制改性层的分布，最终通过控制腐蚀过程实现设计的结构/形状，可控程度和效率高，实现批量制备的可控的玻璃90表面微型器件。虽然激光光斑一般在微米尺度,但是材料的改性区域远远大于光斑，但是分布和光束保持一致。

上述的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，通过激光在玻璃90表面加工出待加工的图案，改变玻璃90表面及下层的材料物理化学性质，并利用碱性腐蚀液进行化学腐蚀，由此加工出灰度阶梯结构的产品，实现高效率地制备灰度阶梯结构的光学微型器件。

在一实施例中，请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的系统的示意性框图，该系统适用于上述的方法；该一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的系统包括化学腐蚀槽(图中未示出)、激光器10、处理组件以及移动机台20，处理组件以及激光器10分别位于移动机台20上，激光器10与处理组件连接，化学腐蚀槽位于移动机台20的一侧。

上述的化学腐蚀槽内设有碱性腐蚀液。所述移动机台20上放置有玻璃90。

激光器10发出激光光束后经过处理组件传输后，对位于移动机台20上的玻璃90的表面进行激光加工，加工完毕后，移动机台20会带动初加工产品移动至指定位置，并从化学腐蚀槽内获取碱性腐蚀液进行化学腐蚀，由此加工出灰度阶梯结构的产品，实现批量制备的可控的玻璃90表面微型器件。

在一实施例中，请参阅图2，上述的处理组件包括顺次连接的扩束器30、振镜50以及场镜60，处理组件还包括透镜80，透镜80与扩束器30连接。

在一实施例中，请参阅图2，上述的处理组件还包括第一反射镜40和第二反射镜70，扩束器30与振镜50之间连接有第一反射镜40，第一反射镜40通过第二反射镜70与透镜80连接。

激光器10发出的激光光束均经过扩束器30进行扩束后，扩束镜用于扩大平行输入光束的直径至较大的平行输出光束，再经过第一反射镜40进行偏转后进入振镜50，进而由场镜60聚焦并投射至设置于移动平台表面的玻璃90，以实现振镜50扫描的加工模式；另外，激光光束还会在第一反射镜40处反射后经过第二反射镜70进行二次反射，并经过透镜80聚焦并投射至设置于移动平台表面的玻璃90，以实现静态聚焦的加工模式，上述的两种加工模式结合移动平台的移动，完成待加工的图案的雕刻。

在本实施例中，激光器10为但不局限于紫外激光器10，紫外激光器10对玻璃90的表面进行材料去除和改性。上述的紫外激光光束由激光器发出。

在本实施例中，透镜80为短焦距透镜80，短焦距透镜80的焦距为小于60mm。

在本实施例中，激光器10、扩束器30、第一反射镜40、第二反射镜70构成静态聚焦结构。

在本实施例中，移动机台20为但不局限于XYZ三轴移动机台20。化学腐蚀槽是一个温度在室温-100°内可控的腐蚀槽。

上述的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的系统，通过利用激光器10发射出激光后，经过处理组件进行振镜50扫描加工和静态聚焦加工玻璃90表面，改变玻璃90表面及下层的材料物理化学性质，并利用化学腐蚀槽内的碱性腐蚀液进行化学腐蚀，由此加工出灰度阶梯结构的产品，实现高效率地制备灰度阶梯结构的光学微型器件。

需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的系统的具体实现过程，可以参考前述的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，其特征在于，包括：

利用激光对玻璃表面进行加工，以得到初加工产品；

对所述初加工产品采用化学腐蚀，以得到灰度阶梯结构的产品。

2.根据权利要求1所述的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，其特征在于，所述利用激光对玻璃表面进行加工，以得到初加工产品，包括：

采用紫外激光光束对玻璃表面加工出所需的图案，以得到初加工产品。

3.根据权利要求2所述的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，其特征在于，所述紫外激光光束的波长为343nm至355nm，或者所述紫外激光光束的波长为266mm，或者所述紫外激光光束的波长为213mm。

4.根据权利要求3所述的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，其特征在于，所述紫外激光光束的脉宽为250fs至950fs，或者所述紫外激光光束的脉宽不大于15ps，或者所述紫外激光光束的脉宽不大于10ns。

5.根据权利要求1所述的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，其特征在于，所述对所述初加工产品采用化学腐蚀，以得到灰度阶梯结构的产品，包括：

采用碱性腐蚀液对所述初加工产品的图案进行化学腐蚀，以得到灰度阶梯结构的产品。

6.根据权利要求5所述的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，其特征在于，所述碱性腐蚀液为KOH水溶液。

7.根据权利要求6所述的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，其特征在于，所述碱性腐蚀液的腐蚀温度为97℃。

8.一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的系统，所述系统适用于权利要求1至5任一项所述的激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的方法，其特征在于，包括化学腐蚀槽、激光器、处理组件以及移动机台，所述处理组件以及所述激光器分别位于所述移动机台上，所述激光器与所述处理组件连接，所述化学腐蚀槽位于所述移动机台的一侧。

9.根据权利要求8所述的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的系统，其特征在于，所述处理组件包括顺次连接的扩束器、振镜以及场镜，所述处理组件还包括透镜，所述透镜与所述扩束器连接。

10.根据权利要求9所述的一种激光化学腐蚀加工灰度阶梯结构产品的系统，其特征在于，所述处理组件还包括第一反射镜和第二反射镜，所述扩束器与所述振镜之间连接有所述第一反射镜，所述第一反射镜通过所述第二反射镜与所述透镜连接。

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