CN114290230B - 激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置及方法，装置包括激光器、上磨盘、金属磨料、透明工件和下磨盘；该上磨盘、下磨盘都固装有上述的一激光器和一金属磨料，该上磨盘、下磨盘都设有贯穿的孔，该透明工件设在上磨盘和下磨盘间；该激光器发出激光束穿过孔并透过透明工件聚焦在金属磨料表面且产生等离子体，等离子体反向轰击透明工件表面以实现改性，通过上磨盘和下磨盘研磨加工透明工件表面。它具有如下优点：能有效消除机械加工表面损伤层，改善加工表面形状精度，既能有效保障加工零件表面达到纳米级表面粗糙度，又能保障整个零件表面达到亚微米级面型精度。

Description

激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置及方法

技术领域

本发明涉及精密加工方法技术领域，尤其涉及激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置及方法。

背景技术

随着电子信息产业飞速发展，市场上对半导体、光学透镜、光学玻璃晶片、钟表玻璃等器件的表面平整度要求越来越高，因此需要较高表面形状精度。越来越多的高精密加工方法出现在工业领域当中。双面研磨加工作为一种超精密加工技术，能有效消除加工表面损伤层，改善加工表面形状精度，既能有效保障加工零件表面达到纳米级表面粗糙度，又能保障整个零件表面达到亚微米级面型精度。采用双面研磨加工方法可以获得光滑且平整的表面，因此，该方法是半导体、光学透明零部件的理想加工方法以及发展趋势，如CN113231957A的基于双面研磨设备的晶片研磨工艺及半导体晶片，但加工精度、加工效率有待提高。

发明内容

本发明提供了激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置及方法，其克服了背景技术中所存在的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置，包括激光器(1)、上磨盘(3)、金属磨料(4)、透明工件(5)和下磨盘(6)；该上磨盘(3)、下磨盘(6)都固装有上述的一激光器(1)和一金属磨料(4)，该上磨盘(3)、下磨盘(6)都设有贯穿的孔(11)，该透明工件(5)设在上磨盘(3)和下磨盘(6)间；该激光器(1)发出激光束(2)穿过孔(11)并透过透明工件(5)聚焦在金属磨料(4)表面且产生等离子体，等离子体反向轰击透明工件(5)表面以实现改性，通过上磨盘(3)和下磨盘(6)研磨加工透明工件(5)表面。

一实施例之中：该上磨盘(3)、下磨盘(6)都具有旋转轴，该激光器(1)通过压电陶瓷驱动器(7)固装在旋转轴且激光器(1)和旋转轴同步转动，通过压电陶瓷驱动器(7)带动激光器(1)振动。

一实施例之中：该压电陶瓷驱动器(7)带动激光器(1)振动的振幅范围在±0.1mm，频率范围在10-1000Hz。

一实施例之中：还包括太阳轮(8)、内齿圈(9)和游星轮(10)，该游星轮(10)啮合在太阳轮(8)和内齿圈(9)间，该透明工件(5)装设在游星轮(10)内，通过太阳轮(8)驱动游星轮(10)及游星轮(10)上的透明工件(5)既公转又自转。

一实施例之中：该下磨盘(6)位于内齿圈(9)内。

一实施例之中：该上磨盘(3)、下磨盘(6)都转动且转向相反。

一实施例之中：该金属磨料(4)材质由高原子序数的元素组成。

一实施例之中：该上磨盘(3)、下磨盘(6)上设硬质材料，该硬质料为金刚石、氧化铝或碳化硅中的至少一种。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的方法，包括：

激光器(1)发出激光束(2)穿过孔(11)并透过透明工件(5)聚焦在金属磨料(4)表面且产生等离子体，等离子体反向轰击透明工件(5)表面以实现改性；

通过磨盘研磨加工透明工件(5)之经改性的表面。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

激光器发出激光束穿过孔并透过透明工件聚焦在金属磨料表面且产生等离子体，等离子体反向轰击透明工件表面以实现改性，通过上磨盘和下磨盘研磨加工透明工件改进及未改进之表面，形成抛光以及材料去除效果，且，金属磨料亦能研磨透明工件表面，其一，具有更高几何精度、更快加工速度、更高光洁度、更好表面完整性、更小暗损伤、更低表面粗糙度、更小热影响区的优点，能实现微纳米级别高效加工需求，在微纳制造领域应用前景巨大；其二，不仅可用来实现材料表面改性，而且可以用来加工出其他传统加工方法无法实现的表面微结构的加工，可以实现无损伤、高效且原子级的光学器件表面抛光，具备较高的加工效率和较好的加工表面质量，达到理想平面效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是具体实施方式激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料装置结构示意图。

图2是具体实施方式下磨盘结构示意图。

具体实施方式

请查阅图1和图2，激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置，包括激光器1、上磨盘3、金属磨料4、透明工件5、下磨盘6、太阳轮8、内齿圈9和游星轮10。该上磨盘3、下磨盘6都固装有上述的一激光器1和一金属磨料4，该上磨盘3、下磨盘6都设有贯穿的多个孔11，该透明工件5设在上磨盘3和下磨盘6间；该激光器1发出激光束2穿过孔11并透过透明工件5聚焦在金属磨料4表面且产生高温高压等离子体，等离子体反向轰击透明工件5表面以实现改性，该改进如通过沉积、注入或/和刻蚀以软化透明工件表面，离子注入促进材料脆性到延性的过渡，增加透明材料可加工性。通过上磨盘3和下磨盘6转动以研磨加工透明工件5改进及未改进之表面，形成抛光以及材料去除效果，且，金属磨料4亦能研磨透明工件5表面产生研磨效果，提高透明工件表面质量，能大大提高研磨效率以及工件加工表面质量，达到理想平面效果。该游星轮10啮合在太阳轮8和内齿圈9间，该下磨盘6位于内齿圈9内；该透明工件5装设在游星轮10内，通过太阳轮8驱动游星轮10及游星轮10上的透明工件5既公转又自转，提升研磨效果。

本具体实施方式之中：该上磨盘3、下磨盘6都具有旋转轴，通过旋转轴带动上磨盘3、下磨盘6都转动且转向相反；该激光器1通过压电陶瓷驱动器7固装在旋转轴且激光器1和旋转轴同步转动，通过压电陶瓷驱动器7带动激光器1振动。压电陶瓷驱动器7可以产生不同振幅和不同频率的振动，使激光在下磨盘或者上磨盘的聚焦点在一定范围内变化，从而增加等离子体产量，且通过改变加在压电陶瓷驱动器上的电压来改变，振幅范围在±0.1mm，频率范围在10-1000Hz。激光器和上磨盘或者下磨盘的周向相对位置可以通过激光器围绕上磨盘或者下磨盘的旋转轴的转动进行调整。

该透明工件5如具有较好的全波段激光透过性或者在某一特定波段有较好的激光透过性，如金刚石、蓝宝石、玻璃等。如果被加工的透明材料在某一特定波段有较好的激光透过性，则选择所述特定波段范围激光之激光器，使激光能量可以近无损失达到靶材，从而高效产生等离子体。

该激光器1产生激光，它通过光子系统分成多路且多路激光分别准确地透过上磨盘或者下磨盘的多个孔11，对焦在上磨盘或者下磨盘的表面，可以根据工件直径的大小调整所需的激光路数，让激光覆盖工件的投影面积；激光光斑大小可调，范围在10μm-100μm。

该金属磨料4设于上磨盘3和下磨盘6相面对面上，且材质由高原子序数的元素组成，以在激光辐照聚焦下容易产生等离子体，如铁、铜、银等。该金属磨料4材质是惰性或活性，惰性则其与被加工材料只发生物理过程，不发生化学反应，产生的等离子体依靠冲击、热烧蚀等物理过程实现上述沉积、注入、刻蚀等改进，活性则其不仅与被加工材料发生物理过程，而且还发生化学反应，产生的等离子体不仅依靠冲击、热烧蚀等物理过程，而且还与被加工材料发生化学反应，化学反应活性及反应温度有关，等离子体的自由基与透明工件的原子发生化学反应，如铁等离子体可以和金刚石透明材料发生化学反应。

该上磨盘3、下磨盘6上设硬质材料，该硬质料为金刚石、氧化铝或碳化硅中的至少一种，以机械去除透明工件材料。

激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的方法，包括：激光器1发出激光束2穿过孔11并透过透明工件5聚焦在金属磨料4表面且产生等离子体，等离子体反向轰击透明工件5表面以实现改性；通过磨盘研磨加工透明工件5之经改性的表面。

本具体实施方式能产生如下有益效果：双面研磨加工作为一种超精密加工技术，能有效消除机械加工表面损伤层，改善加工表面形状精度，既能有效保障加工零件表面达到纳米级表面粗糙度，又能保障整个零件表面达到亚微米级面型精度。激光诱导等离子体表面加工工艺对于光学元器件领域以及半导体领域是必不可少的，不仅可以用来实现材料的表面改性，而且可以用来加工出其他传统加工方法无法实现的表面微结构的加工，可以实现无损伤、高效且原子级的光学器件表面抛光，具备较高的加工效率和较好的加工表面质量。一种激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的方法，该方法一方面可以通过双面研磨加工技术消除表面损伤层，改善加工表面质量，另一方面可以通过激光诱导等离子体进行表面改性，还能通过等离子体加工方式实现原子级别的无损伤抛光，实现超精密加工。通过该方法进行研磨加工，可以大大提高研磨的效率，而且可以大大提高工件加工表面质量，改良光学玻璃等行业的生产效率。

本具体实施方式的具体应用实例：利用激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料技术加工蓝宝石衬底，将蓝宝石衬底放置在下磨盘6上的游星轮10里，游星轮10与太阳轮8啮合，研磨时将上磨盘3平行放置在蓝宝石衬底上，在太阳轮8和游星轮10以及内齿圈9的作用下，上磨盘3与下磨盘6作相反方向的转动，蓝宝石衬底作既公转又自转的游星运动，进行双面研磨。激光器采用1064nm红外激光器，激光器产生激光束聚焦在金属磨料上，产生等离子体反向轰击蓝宝石衬底背面，从而产生烧蚀和汽化效果，对部分蓝宝石材料的去除，并实现表面抛光加工。所述激光脉冲功率为12W，激光扫描速度为0.1mm/s，激光脉冲频率为1000KHz，激光脉宽为1nm。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置，其特征在于：包括激光器（1）、上磨盘（3）、金属磨料（4）、透明工件（5）和下磨盘（6）；该上磨盘（3）、下磨盘（6）都固装有上述的一激光器（1）和一金属磨料（4），该上磨盘（3）、下磨盘（6）都设有贯穿的孔（11），该透明工件（5）设在上磨盘（3）和下磨盘（6）间；该激光器（1）发出激光束（2）穿过孔（11）并透过透明工件（5）聚焦在金属磨料（4）表面且产生等离子体，等离子体反向轰击透明工件（5）表面以实现改性，通过上磨盘（3）和下磨盘（6）研磨加工透明工件（5）表面。

2.根据权利要求1所述的激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置，其特征在于：该上磨盘（3）、下磨盘（6）都具有旋转轴，该激光器（1）通过压电陶瓷驱动器（7）固装在旋转轴且激光器（1）和旋转轴同步转动，通过压电陶瓷驱动器（7）带动激光器（1）振动。

3.根据权利要求2所述的激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置，其特征在于：该压电陶瓷驱动器（7）带动激光器（1）振动的振幅范围在±0.1mm，频率范围在10-1000Hz。

4.根据权利要求1所述的激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置，其特征在于：还包括太阳轮（8）、内齿圈（9）和游星轮（10），该游星轮（10）啮合在太阳轮（8）和内齿圈（9）间，该透明工件（5）装设在游星轮（10）内，通过太阳轮（8）驱动游星轮（10）及游星轮（10）上的透明工件（5）既公转又自转。

5.根据权利要求4所述的激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置，其特征在于：该下磨盘（6）位于内齿圈（9）内。

6.根据权利要求4所述的激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置，其特征在于：该上磨盘（3）、下磨盘（6）都转动且转向相反。

7.根据权利要求1所述的激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置，其特征在于：该金属磨料（4）材质由高原子序数的元素组成。

8.根据权利要求1所述的激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置，其特征在于：该上磨盘（3）、下磨盘（6）上设硬质材料，该硬质材料为金刚石、氧化铝或碳化硅中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的装置的激光诱导等离子体辅助双面研磨透明材料的方法，其特征在于：包括：

激光器（1）发出激光束（2）穿过孔（11）并透过透明工件（5）聚焦在金属磨料（4）表面且产生等离子体，等离子体反向轰击透明工件（5）表面以实现改性；

通过上磨盘（3）、下磨盘（6）双面研磨加工透明工件（5）之经改性的表面。

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