[发明专利]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

说明书

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。

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，n_ax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(z4z5)，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；