CN114888443A - 一种飞秒激光在透明材料双面进行高尺寸精度刻型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种飞秒激光在透明材料双面进行高尺寸精度刻型的方法，属于激光应用领域。本发明将飞秒激光高斯光经过锥透镜，平凸和物镜产生长焦深贝塞尔光束，使用衰减轮和衰减片将锥透镜前的激光能量密度调整到待加工样品材料的烧蚀阈值的1.5倍至2倍,将样品放置于聚焦光场的焦深范围内，使激光垂直入射透过样品材料，自动寻焦后根据matlab计算的离焦量调整平移台高度，使样品上下表面到达matlab理论计算的激光透过样品后上下表面能量沉积相同的z坐标位置，在透明样品上激光直写改性加工出所要刻型的图案结构，保证了上下表面加工结构的尺寸精度。后续利用氢氟酸溶液对样品进行选择性刻蚀，实现透明材料双面高尺寸精度的刻型加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞秒激光在透明材料双面进行高尺寸精度刻型的方法，属于激光应用领域。
背景技术
石英挠性加速度计具有体积小，结构简单，功耗低，灵敏度和精度高，响应快，稳定性好，环境适应能力强的特点，是航空、航天、航海及地面领域的各种战略/战术武器导航、制导与控制系统中广泛应用的一类加速度计，在地质钻探，海洋调查，隧道开凿的导向等领域均有着广泛的应用。
石英摆片是石英挠性加速度计中的核心部件，其形状复杂、几何尺寸精度和表面质量要求很高，所使用的加工原材料石英材料属于硬脆材料，具有低塑性，易碎性和低断裂性的特点，传统石英材料的加工系统整体结构复杂，成本昂贵；有的加工过程需要在高度真空的条件下进行，准备时间长。而且传统加工方法存在能耗大，工件易破碎，加工质量差，许多设计要求无法实现等问题。飞秒激光加工技术是一种精密的激光加工技术，可加工传统方法和其它激光难以加工的材料，如透明材料、高熔点材料等。利用飞秒激光对石英材料进行加工，可以有效减小加工区周围的热影响区，并且可以利用聚焦光束进行深度方向可控的内部加工。但是目前在石英材料及其他透明材料刻型加工过程中飞秒激光仍存在难以保证上下表面尺寸精度的问题，缺少一种简单有效的保证透明材料上下表面尺寸精度的飞秒激光刻型加工工艺。
发明内容
本发明的目的是针对飞秒激光加工透明材料刻型中存在的无法保证上下表面尺寸精度的问题，提供一种飞秒激光在透明材料双面进行高尺寸精度刻型的方法。选定透镜组合参数后通过matlab进行计算得出上下表面能量沉积相同的两个z坐标值，调整样品位置到对应的z坐标值位置，对透明材料进行激光直写改性加工后进行化学刻蚀，实现透明材料双面高尺寸精度刻型。
为实现上述发明目的，本发明提供了如下的技术方案：
一种飞秒激光在透明材料双面进行高尺寸精度刻型的方法，包括如下步骤：
步骤一：选定透镜组合参数，代入算法求解离焦量；
根据所要加工的透明样品材料光学性质和厚度及加工指标要求等选择锥透镜，平凸与物镜的参数，即选定透镜组合。考虑贝塞尔光束空间光强分布公式r＝0的情况，得到贝塞尔光束在激光传播方向上的主瓣中心处的光强分布公式：
其中，波数k＝2π/λ,λ为激光波长，贝塞尔光束的发散角
α为锥透镜底角度数，nax为锥透镜的折射率，4f系统的视角放大率Γ＝f1/f2,f1为平凸焦距，f2为物镜焦距，w0为入射高斯光束半径值，z为最终形成的贝塞尔光束空间不同位置在光束传播方向上的坐标值。
利用所述公式通过matlab计算激光经过选定透镜组合后产生的贝塞尔光束焦深范围内的能量最大点对应的z坐标z0；计算处于半高全宽位置的两个点z坐标z1和z2，即焦深的上下限z坐标，从而得到焦深中点位置z坐标z3；再计算焦深范围内相隔样品厚度h的光强相等的两个位置z坐标z4和z5(z4<z5)，计算z3-z4得到正离焦量d1，计算z5-z3得到负离焦量d2。
步骤二：搭建贝塞尔光路进行飞秒激光加工；
飞秒激光高斯光经过锥透镜，平凸和物镜产生长焦深贝塞尔光束垂直入射透过具有一定厚度的透明材料，然后将锥透镜前的激光能量密度调整到待加工样品材料的烧蚀阈值的1.5倍至2倍范围内；将样品移动到聚焦光场的焦深范围内，首先通过自动寻焦功能找到焦点位置，再按照matlab计算得出的d1或d2移动平移台使得样品上下表面z坐标分别为z4和z5。这样就使得激光透过样品后上下表面的能量沉积相同，使用激光直写的方法在透明材料表面和内部加工出所要刻型的图案结构，从而实现对透明材料的在激光传播方向上的改性加工以及保证了上下表面的加工结构的尺寸精度。
步骤三：利用化学溶液对样品进行选择性刻蚀；
将步骤二中激光改性加工完的透明样品置于氢氟酸溶液中，利用氢氟酸溶液对改性区域与未改性区域不同的刻蚀速率实现对样品的选择性刻蚀，实现透明材料双面高尺寸精度的刻型加工。
进一步的，步骤一中选定的透镜组合生成的贝塞尔光束的焦斑直径和焦深能够满足样品加工参数实验所需要的条件。
步骤二中所述透明材料能够用飞秒激光加工且能够与HF溶液产生化学反应，步骤二中所述透明材料的厚度范围应满足如下要求：使得相应波长的飞秒激光透过透明材料后能够在样品上下表面加工上相同宽度的线槽。
步骤二中的激光扫描速度为100μm/s-300μm/s。
步骤三所述氢氟酸溶液为质量分数为5％-10％的优级纯的氢氟酸溶液。
实现上述方法的装置，包括：飞秒激光器、第一分束镜、第一光阑、第一反射镜、第二反射镜、第二光阑、衰减轮、衰减片、第三光阑、光快门、第三反射镜、第四反射镜、第四光阑、第五光阑、锥透镜、白光源控制器、第二分束镜、二向色镜、平凸、物镜、待加工样品、高精度平移台、飞秒激光器控制电脑、功率计、白光源、CCD、光快门和成像和高精度平移台控制电脑；飞秒激光器发射出的激光经过第一分束镜、第一光阑、第一反射镜、第二反射镜、第二光阑、衰减轮、衰减片、第三光阑、光快门、第三反射镜、第四反射镜、第四光阑、第五光阑、锥透镜、二向色镜、平凸和物镜，产生飞秒激光长焦深贝塞尔光场，飞秒激光器控制电脑用于控制飞秒激光器的激光参数，功率计用于测量激光功率，高精度平移台用于实现样品的x,y,z三轴平移和旋转，白光源用于提供照明光照射样品表面，白光源控制器用于控制照明光的开闭以及调整照明光的亮度，第二分束镜用于将照明光反射到CCD，CCD用于将照明光照射到的样品表面形貌传输到计算机成像，光快门和成像和高精度平移台控制电脑用于控制光快门的开闭，模式选择，参数设置，控制成像的参数，控制高精度平移台的运动。将透明样品放置于计算好的z坐标位置进行激光直写改性加工后刻蚀即可实现透明材料的双面高尺寸精度的刻型加工。
有益效果：
本发明将飞秒激光高斯光经过锥透镜，平凸和物镜产生长焦深贝塞尔光束垂直入射透过具有一定厚度的透明材料，使用衰减轮和衰减片将飞秒激光高斯光在经过锥透镜之前的能量密度调整到待加工样品材料的烧蚀阈值的1.5倍至2倍,将样品移动到聚焦光场的焦深范围内，根据matlab计算的z坐标调整样品位置，使得激光透过样品材料后上下表面的能量沉积相同，使用激光直写的方法在透明材料样品表面和内部加工出所要刻型的图案。后续利用氢氟酸溶液对样品进行选择性刻蚀，实现样品材料双面高尺寸精度的刻型加工。相比于长脉冲激光加工，掩模板酸刻蚀，飞秒激光切割，飞秒激光直接表面聚焦后刻蚀等方法，本发明工艺过程简单，成本低，而且有效保证了上下表面的刻型加工尺寸精度。
附图说明
图1是matlab计算流程图。
图2是利用matlab计算的贝塞尔光场焦深范围内的各点坐标及各变量含义示意图。
图3是本发明的激光加工的光路图。
图4是质量分数为5％的优级纯的氢氟酸溶液配制步骤示意图。
图5是本发明实施例所述的在SIO2晶体样品上激光改性加工后化学刻蚀的流程图。
图6是本发明实施例所述的在SIO2晶体样品上激光改性加工辅助化学刻蚀后的刻型结构的表面SEM形貌图(a-c)以及侧壁的SEM形貌图(d)。
其中，1-飞秒激光器；2-第一分束镜；3-第一光阑；4-第一反射镜；5-第二反射镜；6-第二光阑；7-衰减轮；8-衰减片；9-第三光阑；10-光快门；11-第三反射镜；12-第四反射镜；13-第四光阑；14-第五光阑；15-锥透镜；16-白光源控制器；17-第二分束镜；18-二向色镜；19-平凸；20-物镜；21-待加工样品；22-高精度平移台；23-飞秒激光器控制电脑；24-功率计；25-光快门和成像和高精度平移台控制电脑；26-CCD；27-白光源。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
一种飞秒激光在透明材料双面进行高尺寸精度刻型的方法，具体步骤如下：
步骤(1)样品材料是0.1mm厚的SIO2晶体材料，需要对样品进行方型孔圆环孔的刻型加工，要求能够达到上下表面尺寸精度小于2μm，侧壁粗糙度小于0.5μm的加工要求。考虑激光聚焦的焦斑直径要小以实现局部改性，焦深要在150μm-250μm之间以实现样品表面和内部的充分改性。计算不同透镜组合下生成的贝塞尔光束的焦斑直径和焦深，在2°锥透镜，100mm焦距的平凸，50倍放大倍数的物镜的透镜组合下，生成的贝塞尔光束的焦斑直径半高全宽值为0.71μm，焦深半高全宽值为180.2μm，满足加工参数实验所需要的条件。
考虑贝塞尔光束空间光强分布公式r＝0的情况，得到贝塞尔光束在激光传播方向上的主瓣中心处的光强分布公式：
步骤(2)如图3所示，使用飞秒激光器1产生重复频率为1kHz的飞秒激光高斯光，经过第一分束镜2、第一光阑3、第一反射镜4、第二反射镜5、第二光阑6、衰减轮7、衰减片8、第三光阑9、光快门10、第三反射镜11、第四反射镜12、第四光阑13、第五光阑14、锥透镜15、二向色镜18、平凸19和物镜20产生飞秒激光贝塞尔光束，调整衰减轮7和衰减片8将激光在经过锥透镜15前的能量密度调整为SIO2晶体的烧蚀阈值的2倍，约为2.0J/cm2；将样品放置于聚焦光场的焦深范围内，使激光垂直入射透过厚度为0.1mm的SIO2晶体，控制高精度平移台22上升59.7μm使得样品上表面z坐标为66.4μm，下表面坐标为166.4μm,这样就使得激光透过SIO2晶体样品后上下表面的能量沉积相同，通过机加工程序控制光快门10的打开时间，运行G代码以100μm/s的速度扫描两次使得激光可以在SIO2晶体样品上直写出所要刻型的图案结构，实现对SIO2晶体的在激光传播方向上的改性加工以及保证上下表面的刻型加工尺寸精度。
步骤(3)如图4所示，取17.5g去离子水，再取2.5g质量分数为40％的优级纯的HF溶液，注酸入水，就得到了20g质量分数为5％的优级纯的HF溶液。如图5所示，将步骤(2)中改性加工后的样品进行超声清洗5分钟，利用质量分数为5％的优级纯的氢氟酸溶液对样品进行选择性刻蚀10小时左右，刻蚀结束后再进行超声清洗，最终实现SIO2晶体材料的双面高尺寸精度的刻型加工。如图6所示，(a)为加工的方型孔SEM图像，(b)为加工的方型孔与圆环孔过渡的区域结构SEM图像，(c)为圆环孔SEM图像，可以看到，加工的结构边缘整齐，无明显的毛刺微裂纹，表面光滑整洁，(d)为加工的侧壁SEM图像，可以看到表面没有大的凸起和缺陷，比较平整，没有明显的分层，加工质量较好。加工的刻型图案结构上下表面尺寸精度小于2μm，侧壁粗糙度小于0.5μm。
如图3所示，实现上述方法的装置如下：
本发明所使用的飞秒激光器1为美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器，激光中心波长800nm，脉冲宽度50fs，最大重复频率1KHz，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯形，出口激光为水平线偏振。飞秒激光器控制电脑23用于控制飞秒激光器1的激光参数，衰减轮7和衰减片8用于调节照射到待加工材料21的飞秒激光的能量，功率计24用于测量激光功率，高精度平移台22用于实现样品的x,y,z三轴平移和旋转，白光源27用于提供照明光照射样品表面，白光源控制器16用于控制照明光的开闭以及调整照明光的亮度，第二分束镜17用于将照明光反射到CCD26，CCD26用于将照明光照射到的样品表面形貌传输到计算机成像，光快门和成像和高精度平移台控制电脑25用于控制光快门10的开闭，模式选择，参数设置，控制成像的参数，控制高精度平移台22的运动。
本实施例中SIO2晶体的厚度为0.1mm。本发明不局限于SIO2材料的刻型加工，任何能够用飞秒激光加工且能够与HF溶液产生化学反应的透明材料均可。本发明不局限于透明样品的厚度为0.1mm，只需要透明样品的厚度范围满足以下要求，使得相应波长的飞秒激光透过后能够在上下表面产生宽度相等的线槽即可。本实施例中入射高斯光束半径值w0为2.5mm，锥透镜15底角度数为2°，折射率为1.45，将高斯光空间整形为贝塞尔光束，平凸19为焦距为100mm的平凸透镜，物镜20为焦距为3.6mm的50倍物镜，平凸19和物镜20组成4f系统，将贝塞尔光束聚焦到SIO2晶体上。本发明不局限于2°锥透镜，100mm焦距平凸和50倍物镜的透镜组合，其他能满足加工要求和加工目的的透镜组合均可。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种飞秒激光在透明材料双面进行高尺寸精度刻型的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：选定透镜组合参数，代入算法求解离焦量；
根据所要加工的透明样品材料光学性质和厚度及加工指标要求等选择锥透镜，平凸与物镜的参数，即选定透镜组合。考虑贝塞尔光束空间光强分布公式r＝0的情况，得到贝塞尔光束在激光传播方向上的主瓣中心处的光强分布公式：
其中，波数k＝2π/λ,λ为激光波长，贝塞尔光束的发散角
α为锥透镜底角度数，nax为锥透镜的折射率，4f系统的视角放大率Γ＝f1/f2,f1为平凸焦距，f2为物镜焦距，w0为入射高斯光束半径值，z为最终形成的贝塞尔光束空间不同位置在光束传播方向上的坐标值。
利用所述公式通过matlab计算激光经过选定透镜组合后产生的贝塞尔光束焦深范围内的能量最大点对应的z坐标z0；计算处于半高全宽位置的两个点z坐标z1和z2，即焦深的上下限z坐标，从而得到焦深中点位置z坐标z3；再计算焦深范围内相隔样品厚度h的光强相等的两个位置z坐标z4和z5(z4<z5)，计算z3-z4得到正离焦量d1，计算z5-z3得到负离焦量d2。
步骤二：搭建贝塞尔光路进行飞秒激光加工；
飞秒激光高斯光经过锥透镜，平凸和物镜产生长焦深贝塞尔光束垂直入射透过具有一定厚度的透明材料，然后将锥透镜前的激光能量密度调整到待加工样品材料烧蚀阈值的1..5倍至2倍范围内；将样品移动到聚焦光场的焦深范围内，首先通过自动寻焦功能找到焦点位置，再按照matlab计算得出的d1或d2移动平移台使得样品上下表面z坐标分别为z4和z5。这样就使得激光透过样品后上下表面的能量沉积相同，使用激光直写的方法在透明材料表面和内部加工出所要刻型的图案结构，实现对透明材料的在激光传播方向上的改性加工以及保证了上下表面的加工结构的尺寸精度。
步骤三：利用化学溶液对样品进行选择性刻蚀；
将步骤二中激光改性加工完的透明材料样品置于氢氟酸溶液中，利用氢氟酸溶液对改性区域与未改性区域不同的刻蚀速率实现对样品的选择性刻蚀，实现透明材料双面高尺寸精度的刻型加工。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中选定的透镜组合生成的贝塞尔光束的焦斑直径和焦深能够满足样品加工参数实验所需要的条件。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二中所述透明材料能够用飞秒激光加工且能够与HF溶液产生化学反应，所述透明材料的厚度范围应满足如下要求：使得相应波长的飞秒激光透过样品后能够在样品上下表面加工上相同宽度的线槽。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二中的激光扫描速度为100μm/s-300μm/s。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三所述氢氟酸溶液为质量分数为5％-10％的优级纯的氢氟酸溶液。
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| CN202210327516.1A Pending CN114888443A (zh) | 2022-03-30 | 2022-03-30 | 一种飞秒激光在透明材料双面进行高尺寸精度刻型的方法 |
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| Country | Link |
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| CN (1) | CN114888443A (zh) |
Citations (10)
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-
2022
- 2022-03-30 CN CN202210327516.1A patent/CN114888443A/zh active Pending
Patent Citations (10)
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