飞秒激光加工玻璃表面微通道

【作者】 杨龙； 邓宇； 郭钟宁； 钟粤航；

【机构】 广东工业大学机电工程学院；

【摘要】 玻璃作为微光学元件与微流控芯片的基础材料,具有脆性高、难加工的特点。由于其硬脆性的特点,采用常规机械加工或化学加工工艺对其进行切割、打孔或表面微通道的加工时,易产生裂纹破损,加工效率低下。激光加工技术利用光子与材料的相互作用,以实现材料的改性、去除,在加工过程中刀具无磨损、材料无污染,具有高效率、高精度、非接触加工等特点。国内外学者利用纳秒激光对玻璃进行加工,系统研究了纳秒绿光激光器功率、离焦量、扫描次数及扫描速度对石英玻璃加工的基本规律,但尚未大量应用飞秒激光在玻璃上加工微通道。为此,提出采用波长515nm、脉宽290fs的飞秒激光通过改变各激光参数的值在JGS1石英玻璃片表面进行微通道加工。实验中,影响飞秒激光加工玻璃表面微通道的激光参数有三个,分别是激光扫描速度、激光脉冲频率和单脉冲能量。因此采取3因素5水平的单因素试验方法,研究了飞秒激光各工艺参数对加工微通道线宽、深度以及表面情况的影响规律。实验结果发现微通道线宽及深度随着激光脉冲频率和单脉冲能量的增大而增大,随着激光扫描速度的增大而减小,线宽最小为8.8μJ,深度最深可达8.4μJ,并且过低的脉冲频率、单脉冲能量或过高的扫描速度会引起微通道底部加工不均匀,而过高的脉冲频率、单脉冲能量或过低的扫描速度又会造成微通道边缘出现裂边甚至周围材料的改性。所以,通过对加工过程中激光累积能量的建模分析表明:单位面积累积能量对玻璃微通道形状尺寸以及表面情况起重要影响。由建立的累积能量数学公式可知,单位面积累积能量与脉冲频率和单脉冲能量成正比关系,与加工速度成反比关系。而对于微通道表面情况,当累积能量过小时,微通道出现加工不完全现象;过高时,微通道边缘出现裂边、材料改性等现象,而当单位面积累积能量为130μJ-140μJ范围时,微通道表面情况相对较好,底部平滑、边缘整洁且无裂边现象。更多还原