[发明专利]一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法

说明书

本专利涉及光学材料加工设备技术领域，具体是一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法，包括以下步骤：步骤1：确定预制点位置与数量；步骤2：制备系列预制点，将超快激光焦点通过聚焦系统调节聚焦于预制点位置，超快激光与光学材料进行相对三维运动在光学材料内部形成同所需复杂微纳结构相匹配的预制点点阵；步骤3：激光切割，利用连续光纤激光分离装置对光纤激光进行整形，后将光纤激光入射至光学材料内部，并使预制点吸收激光能量在预制点处产生高温区域，随后光纤激光移动，使高温区域跟随激光移动。本方案随着光纤激光的移动，从而使高温区域跟随激光移动，可在材料内部产生系列预制裂纹并扩展，从而实现光学材料的分离。

技术领域

本发明涉及光学材料加工设备技术领域，具体是一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法。

背景技术

具有复杂微纳结构的光学材料，如微透镜阵列、复眼阵列镜片、微/纳流控芯片、亲/疏水表面、高/低摩擦表面等，在军事成像/探测/制导装备、医疗、光学成像、光学照明、光学整形、医疗健康等领域具备广泛的应用。

现阶段光学材料的复杂微纳结构加工仍以机械切割为主，如利用金刚石等超硬材料制成的刀具在光学材料表面多次划线产生V形凹痕的方法产生复杂微纳结构，但这种方法会不可避免的造成玻璃表面损伤，产生较差的切割质量，必须经过后期的打磨抛光处理方可应用，且加工效率很低，整个工艺流程非常繁琐和耗时。同时，由于光学材料的硬度很高，在加工过程中刀具磨损非常严重，导致光学材料复杂微纳结构的加工过程需要多把刀具，使加工成本极高；此外，在换刀的过程中将会产生不可避免的定位误差，导致加工精度的降低。采用磨削的方式进行光学材料去除，可实现复杂微纳结构的制备。但这种接触式的加工方式会在加工过程中产生极大的局部应力和振动，易使光学材料断裂。线锯切割加工的切割质量高，切割切缝损耗小，但切割速度低，难以满足光学材料复杂微纳结构高效率加工的要求。

激光技术由于其优良的特性被广泛应用于材料加工。然而，对于光学材料的复杂微纳结构的加工，现阶段仅有超快激光材料直接去除的方法可以实现，但此种方法加工效率很低，并且对于去除量较大的复杂微纳结构，其加工效率低至失去实际工业应用价值，因此并不适用于复杂微纳结构的批量化加工制备。

此外，传统的激光切割方法可实现光学材料的切割。主要的切割方法有激光熔化/气化切割法、激光划线切割法、超快激光材料去除切割法、超快激光光丝切割法、激光裂纹控制法等5种。然而，传统的单激光切割方法(如光纤激光、CO2激光、超快激光等)只能进行材料的平面切割，对于光学材料的具有复杂微纳结构，传统的激光切割方法无法形成与光学材料复杂结构时刻相匹配的激光光场，故无法通过切割的方法实现复杂微纳结构的加工。

发明内容

本发明意在提供一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法，以解决上述背景技术中提出的现有技术的存在的不足。

为了达到上述目的，本发明的基础方案如下：

一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法，包括以下步骤：

步骤1：确定预制点位置与数量，根据所设计的光学材料的特定三维结构，利用三维软件将其复杂曲面拟合成若干点，根据精度需求确定预制点位置与数量；

步骤2：制备系列预制点，导出步骤1中确定的预制点的三维坐标参数，将超快激光焦点通过聚焦系统调节聚焦于预制点位置，超快激光与光学材料进行相对三维运动在光学材料内部形成同所需复杂微纳结构相匹配的预制点点阵；

步骤3：激光切割，利用连续光纤激光分离装置对光纤激光进行整形，后将光纤激光入射至光学材料内部，并使预制点吸收激光能量在预制点处产生高温区域，随后光纤激光移动，使高温区域跟随激光移动。

进一步，步骤3中的连续光纤激光分离装置包括连续光纤激光器、光纤、光纤耦合器、激光扩束镜、聚焦镜和竖直运动机构，所述连续光纤激光器、光纤、光纤耦合器和激光扩束镜依次连接，所述聚焦镜位于激光扩束镜下方，所述聚焦镜固定在竖直运动机构上。