[发明专利]一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法，具体涉及一种利用飞秒激光双脉冲对玻璃扫描改性，进而提高改性区域刻蚀效率的方法，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

微光机电系统，由于需要光学检测，所以在很多应用场合需要用透明介质材料做基底，在基底上加工一些微孔结构以配合流体或光谱检测。玻璃是一种光学性质良好的透明介质材料，目前在玻璃基底上加工微孔结构已经广泛应用在MEMS及生物芯片中。

飞秒激光因为其超高的峰值功率、超短的脉冲持续时间，可以突破光学衍射极限，广泛应用于材料微纳加工领域。目前在玻璃材料上加工微孔结构主要有两种方法：一种是直接用飞秒激光烧蚀加工；另一种是飞秒激光改性辅助化学刻蚀加工。前一种方法的材料去除效率高，但是该方法加工高深径比的微孔的能力有限；第二种制备方法分为两个步骤：首先用聚焦的飞秒激光在玻璃材料内部扫描出微孔的图案，然后把辐照过的玻璃材料浸入一定浓度的氢氟酸溶液之中，激光辐照改性区的材料与氢氟酸溶液发生化学反应被去除，可以实现大深径比的微孔制备，但是该方法的缺点是辐照改性区在氢氟酸溶液中的刻蚀效率较低。

发明内容

本发明的目的是为提高辐照改性区在氢氟酸溶液中的刻蚀效率，提出一种基于电子动态调控的飞秒激光刻蚀玻璃的方法，通过把传统的飞秒激光调制为飞秒激光双脉冲，调控材料局部瞬时电子状态，从而增强飞秒激光辐照区的改性程度和改性均匀度，最终提高辐照区的刻蚀效率。

本发明的目的是通过以下技术来实现的：

步骤一，通过分束合束或脉冲整形，把传统飞秒激光在时域上调制为飞秒激光双脉冲，且两个子脉冲之间的时间间隔范围为100fs-100ps，两个子脉冲能量比的范围为0.1-10。

刻蚀效率能通过调节两个子脉冲的能量比进行调控；且当两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值。

步骤二，把产生的飞秒激光双脉冲聚焦到玻璃材料表面，通过玻璃材料与激光焦点的相对运动，在玻璃上扫描出所需的微孔图案。

步骤三，把带有扫描微孔图案的玻璃材料浸入浓度为1%-10%的氢氟酸溶液中，扫描的微孔图案区与氢氟酸溶液反应去除，形成中空的微孔结构。

有益效果

1.在相同的实验条件下，采用飞秒激光双脉冲对玻璃材料辐照改性，改性区的刻蚀效率可以比采用传统的飞秒激光脉冲提高数倍。

2.采用飞秒激光双脉冲改性刻蚀，通过调节两个子脉冲的能量比例，可以调控刻蚀效率；且当两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值；

3.采用飞秒激光双脉冲改性刻蚀，当激光能量密度较低时（<4J/cm²），子脉冲间隔为100fs-1ps，两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值；而当激光能量密度较高时（>4J/cm²）,子脉冲间隔为1ps-10ps，两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值。

附图说明

图1为具体实施例中飞秒激光双脉冲加工光路图：

其中，1-飞秒激光器；2-第一机械开关；3-第一反射镜；4-反射镜；5-第一偏振片；6-第一半波片；7-分束镜；8-平移台（带两个反射镜）；9-第二机械开关；10-第二半波片；11-第二偏振片；12-合束镜；13-遮光板；14-聚焦物镜；15-待加工样品；16-移动平台；17-计算机。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的介绍。

本发明方法能在如图1所示的加工系统中实施，其加工光路为飞秒激光器1产生传统飞秒激光脉冲，经过分束镜7被分为两束子脉冲光，第一束子脉冲光I经过第一半波片6、第一偏振片5之后，被第二反射镜4和第一反射镜3反射；第二束子脉冲光II经过带有两个反射镜的平移台8、第二机械开关9、第二半波片10、第二偏振片11；两束子脉冲光在合束镜12处合在一起，经物镜14聚焦到待加工样品15，待加工样品15固定在移动平台16上。遮光板13用来遮挡合束镜12处的反射或透射光。其中飞秒激光器1、第一机械开关2和第二机械开关9、平移台8和移动平台16均被计算机17控制。

实验过程中采用的飞秒激光器参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs，重复频率为1kHz，线偏振；实验中待加工样品选用熔融石英玻璃。

实施例1：

首先用传统飞秒激光脉冲辐照改性，计算刻蚀效率，刻蚀效率定义为单位时间内刻蚀微孔的长度。具体加工步骤如下：