玻璃表面飞秒激光微孔加工技术探析.pdf
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1、0引言飞秒激光是一种以飞秒量级为脉冲宽度的脉冲激光1。飞秒,标衡一段极短时间长度的计量单位,又称毫微微秒,单位为fs。1 fs仅仅只有1 s的千万亿分之一,相当于核外电子绕氢原子核旋转过半周的时间。飞秒激光特有的超短脉冲宽度和极强峰值功率,是其他光源在超快、超强、超微细加工等领域所不可企及的优势,直接将物理、材料、通信和信息等科学的研究带入了微观超快过程领域。1飞秒激光烧灼玻璃材料基本理论分析1.1飞秒激光与玻璃材料作用的物理过程当高纯度玻璃材料被飞秒激光烧蚀加工时,材料中的电子将会在一个极微小的时间内(一个脉冲时间)发生非线性过程2。由于加工激光脉冲宽度极短的特性,被电子吸收的脉冲能量没有足
2、够的时间转移至晶格,整个电子没有明显的热效应出现,还处于一种“冷却”状态。激光的脉冲宽度不同,与材料相互作用后,产生的具体物理现象不同,在飞秒尺度内,发生的物理现象主要为多光子吸收和隧道电离;在皮秒尺度内,通过电子-声子耦合方式,吸收了能量的电子将转移至晶格,随后转化为热能消散;在纳秒尺度内,周围环境会迅速受到随中心温度升高产生并扩散的压力波的影响;在纳秒到微秒的尺度内,沿温度梯度从焦点区域扩散的热能将导致材料的熔化并发生微爆炸。当加工激光的频率高达一定程度时,与高温过程相关的现象将因热量的累积而发生,例如离子迁移、相变与结晶。1.2飞秒激光去除材料机理在超短激光脉冲的加工中,玻璃材料的烧蚀方
3、式主要分为两种:热气化和库仑爆炸3。热气化,辐照区的局部温度在电子与声子的连续碰撞中不断升高,当温度超过材料沸点时,产生材料去除。库仑爆炸,激光辐照区的表层电子受激光高峰值功率影响产生逃逸,当静电力大于晶格间的力时,晶格因化学键断裂而损坏并产生去除作用。飞秒激光的两个烧蚀阶段强烧蚀和弱烧蚀分别与热气化和库仑爆炸这两种去除机制相对应。在实际使用飞秒激光加工过程中,在划分强弱烧蚀的激光强度上并没有明显区分。弱烧蚀阶段,库仑爆炸或材料致密化是造成材料去除的主要原因,此时烧灼材料的速率较低;强烧蚀阶段,热气化或相爆炸是造成材料去除的主要原因,此时烧蚀材料的速率较高。此外,材料的去除效果和烧蚀深度与材料
4、的物化特性、加工激光的功率以及单点获得的脉冲数等因素有关。2飞秒激光参数对玻璃表面微孔加工影响2.1激光功率对微孔加工效果的影响为探究激光功率对微孔烧灼的影响规律,设置第一组控制变量法的单一变量对照实验:用不同功率的飞秒激光在玻璃样品表面采用叩击打孔的方式打出多个长18滋m、宽18滋m的44正方形点阵列,每点间距约6滋m。为达到单因素实验控制变量的效玻璃表面飞秒激光微孔加工技术探析王艺霖(河北工业大学电子信息工程学院,天津 300130)摘要:随着激光加工技术的不断发展,具有超快加工速度、超高加工精度及可实现超越衍射极限加工的飞秒激光加工技术受到越来越多的关注与应用。为探究飞秒激光在玻璃表面加
5、工高深径比、高圆度微孔结构的方法,通过研究飞秒激光烧灼加工原理等,设计了一系列单因素控制对照实验,探究出激光功率、曝光时间等相对最佳激光加工参数。利用MATLAB软件设计编写了环状旋转加工的改进加工方法,旨在运用飞秒激光加工直写平台在玻璃材料表面加工制备出形貌表征良好、具有高深径比的微孔结构。关键词:飞秒激光加工;玻璃微孔结构;激光加工参数;MATLAB中图分类号:TN249文献标志码:A文章编号:1671-0797(2023)18-0078-04DOI:10.19514/32-1628/tm.2023.18.020工艺与技术Gongyi yu Jishu78平均孔洞直径/滋m0.581.53
6、阵列序号15曝光时间/滋s1 000重复频率/kHz25激光功率/mW8160.862103121.214141.35果,固定部分加工激光的参数不变,每个阵列均采用相同的重复频率25 kHz和相同的曝光时间1 000滋s,唯一改变的是每个阵列的加工激光功率,依次设置为8、10、12、14、16 mW,分别进行点阵列微孔烧灼加工,使用SEM场发射扫描电子显微镜对加工结果进行表征观察。通过SEM场发射扫描电子显微镜输出的表征结果图以及图上的大比例标尺,可以测算出阵列中每个微孔的直径并计算出每个阵列的16孔洞平均直径。5个阵列的16孔洞平均直径值及其他基本实验数据如表1所示。根据每个阵列的平均孔洞直
7、径数据与烧灼加工该阵列所用的激光功率取值,绘制出一张曲线图,如图1所示。通过折线图可以清晰地分析出,随着激光功率的增大,孔洞直径也在增加,材料去除效率有着明显提高,甚至呈直线上升趋势。权衡材料去除率与微孔形貌特征,进行综合分析得出,并不是激光器功率越大,微孔加工效果越好,通过对比分析,12 mW为五个功率中加工效果最佳的。2.2曝光时间对微孔加工效果的影响由于飞秒激光对玻璃材料的微孔加工采用的是叩击打孔方式,加工出的小孔不是由一个脉冲对材料作用形成的,而是由多个脉冲共同作用形成的,所以又称多脉冲打孔。多脉冲打孔中每一个脉冲的功能都是相同的,即熔融材料并使其蒸发,以达到去除材料的目的;第一个脉冲
8、加工完后,第二个脉冲继续对材料进行作用,激光的能量又被新的作用面吸收,材料重新熔化。在微孔加工中同一过程被不断重复进行,孔内材料不断被烧灼,从而实现微孔的顺利加工。根据采用的多脉冲打孔方式原理,可以分析出单点脉冲数越多,微孔加工材料去除率越高,效果越好。而每个孔洞的单点脉冲数可以按照飞秒激光加工直写原理公式:重复频率曝光时间=单点脉冲数,通过延长曝光时间,增大乘积来增加。因此,可以设置第二组控制变量法的单一变量对照实验:用飞秒激光在玻璃样品表面打出多个长18滋m、宽18滋m的44正方形点阵列,每点间距约3滋m。为达到单因素实验控制变量的效果,固定部分加工激光的参数不变,每个阵列均采用最佳激光功
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