[发明专利]激光直写玻璃表面制备光学微结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用绿光激光器直写玻璃表面制备微结构的方法。

背景技术

玻璃在工业生产和日常生活中应用非常广泛，特别是在光学成像领域，光学玻璃扮演者重要角色，针对一些特殊要求，有时候需要在光学玻璃表面制备光学微结构以实现衍射、干涉等光学特性。由于玻璃的硬脆特性，长期以来，在玻璃表面直写加工微结构，一直是一个难题。目前在玻璃表面加工微结构的办法是采用掩模光刻法以及干法、湿法背面刻蚀法。在直写加工方面，多是采用飞秒激光，利用其冷加工效应，对玻璃材料进行去除。掩模光刻法中需要用到化学试剂进行腐蚀，制备流程复杂、时间长。而飞秒激光设备昂贵，维护复杂。

发明内容

针对以上内容，有必要提出一种工艺简单、成本低廉、适应性强、无微裂纹的玻璃表面微结构制备方法。

本发明可以实现利用激光在玻璃表面直写制备二元微结构，而不需要掩模。

本发明采用的激光直写制备装置包括计算机、激光器、计算机与激光器连接的数据线、数控电位移平台，材料为光学玻璃。

激光直写玻璃表面制备光学微结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将激光聚焦到玻璃表面，开启压缩气罐阀门，通过内径为4mm～7mm的通气管平行于玻璃表面吹辅助气体，辅助气体压强为0.3MPa～0.4MPa，平台运动速度设定为200mm/min～500mm/min，对于BK7玻璃激光能量密度设定为3.1J/cm²～7.5J/cm²，对于普通玻璃能量密度设定为2.1J/cm²～6.4J/cm²；开光加工；完成后利用超声波清洗2～5分钟；激光器是低重频0.5KHz～5KHz、长脉宽20～120μs的激光器；激光器是532nm半导体泵浦激光器以及1064nm固体激光器。

所述的定位激光是指绿激光工作在低功率状态下，可以起到定位作用。

所述的辅助气体是压缩空气、压缩氮气、压缩氩气等无毒气体。

所述的辅助气体压强是指压缩气罐出口处压强，当其数值大于大气压强时辅助气体将被吹出，数值越大，吹出的辅助气体流速越快。本发明中，辅助气体压强为0.3～0.4MPa。所述的通气管内径为4mm～7mm。

所述的激光器是波长为532nm的半导体泵浦绿光激光器或者1064nm固体激光器。所述的激光器属于低重频0.5KHz～5KHz、长脉宽20～120μs激光器。

所述的玻璃是除强化玻璃外的其他玻璃材料。如普通那该玻璃、BK7光学玻璃、石英玻璃等。

本发明的工作原理是：利用定位激光将激光聚焦于玻璃表面，也可以精确测量玻璃厚度数值，通过坐标运算，直接调整平台使玻璃表面位于激光焦距处。玻璃表面附近材料对激光的吸收率远高于玻璃内部材料，在激光作用下，激光聚焦区域的玻璃材料温度骤增，达到软化点甚至汽化点。达到软化点的材料会在气化材料以及光压冲击下向刻槽两侧溅射。为了提高刻蚀效率，加快切削材料溅射速度，同时保护刻蚀过程中材料不受污染，在平行于玻璃表面方向吹保护气体，可以是氮气或者压缩空气。从而形成一个空气流速较快的低压区域，有效加速软化点以上材料和气化材料的飞离。平行吹气是为了减小气体的冷却效应，如果气体直接向玻璃表面吹会因为玻璃冷却较快而产生不可控制的残余应力，导致裂纹出现。

同时激光能量密度和加工速度需要严格控制在合理范围内，从而避免裂纹产生。对于普通钠钙玻璃材料，刻蚀速度为400mm/min、辅助气体压强为0.3～0.4MPa时，激光能量密度范围2.1J/cm²～6.4J/cm²对应微结构深度范围1.20μm～3.10μm，宽度范围10.0μm～14.0μm，当激光能量密度大于6.4J/cm²时，微结构周围将出现微裂纹，当激光能量密度小于2.1J/cm²时，无法实现有效刻蚀。对于BK7光学玻璃，刻蚀速度为400mm/min、保护气体压强为0.3～0.4MPa时，激光能量范围3.1J/cm²～7.5J/cm²对应微结构深度范围0.96～2.50μm，宽度范围9.1μm～13.6μm，当激光能量密度高于7.5J/cm²将出现微裂纹，当能量密度低于3.1J/cm²时，无法实现有效刻蚀。

本发明可以利用激光在玻璃表面加工光学微结构，而不需要掩膜、光刻胶、化学腐蚀等流程。加工得到的微结构粗糙度小，无微裂纹。