[发明专利]一种基于扫描路径控制的微孔激光加工方法

说明书

本发明属于激光微加工领域，一种基于扫描路径控制的微孔激光加工方法，根据高分子材料表面微凸起结构要求，对转写模版微孔形状进行三维建模；识别单个微孔的坐标信息，合并成微孔的轮廓；根据微孔形状轮廓曲线进行优化，使其符合激光扫描；基于算法实现图层划分、填充方式、扫描次数和离焦控制规划；初步确定加工参数，进行单个特征试加工，调整加工参数，直至单个特征满足精度；根据高分子材料表面微孔结构需求，阵列微孔，重复加工形成转写模版。该方法可实现高分子材料表面微结构加工，模板表面微孔加工形状丰富，可满足高分子材料表面结构丰富的功能性需求。

技术领域

本发明属于激光微加工领域，特别是一种基于扫描路径控制的微孔激光加工方法。

背景技术

高分子材料表面微结构与材料性能密切相关，但其原始表面呈现出化学惰性、憎水性、表面能低，使其应用受限。有机高分子材料表面微结构的构建可以提高高分子表面特异性、响应的灵敏度、表面润湿性等，在微电子领域展示了诱人的应用前景。

模板法基于自身的限域作用以及和高分子间的相互作用，实现表面微结构大小、形貌和机构等的控制，具有良好的可控性、易实现性，从而引起了广泛的关注。激光刻蚀技术是模板法中应用最为广泛的一种方法，由于激光的高单色性、高脉冲能量、光子能量、窄脉冲、作用时间短等特性，使其在普通加工中易实现微米级的分辨率，并且加工操作无残留物、无作用力，操作简单可控性好。

高分子材料表面微结构在微电子、光学器件、组织工程材料等领域有着广泛的应用前景，但目前模板表面微孔加工单调，无法满足高分子材料表面结构丰富的功能性需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出的一种基于扫描路径控制的微孔激光加工方法，该方法可实现高分子材料表面微结构加工，模板表面微孔加工形状丰富，可满足高分子材料表面结构丰富的功能性需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于扫描路径控制的微孔激光加工方法，包括如下步骤：

步骤1、确定微孔特征：根据高分子材料表面微凸起结构要求，对转写模版微孔形状进行三维建模；

步骤2、单个微孔数字建模：识别单个微孔的坐标信息，合并成微孔的轮廓；

步骤3、优化微孔形状：根据微孔形状轮廓曲线进行优化，使其符合激光扫描；

步骤4、三维分层路径规划：基于算法实现图层划分、填充方式、扫描次数和离焦控制规划；

步骤5、加工参数初选及试加工：初步确定加工参数，进行单个特征试加工；并判断单个特征是否满足精度，如满足精度要求则进行步骤6；如不满足精度要求则根据试加工结构微调路径规划和加工参数后再次进行单个特征试加工，直至单个特征满足精度；

步骤6、阵列加工：根据高分子材料表面微孔结构需求，阵列微孔，重复加工形成转写模版。

作为优选的，所述据高分子材料为高铝玻璃、石英玻璃或陶瓷，材料厚度大于2mm，表面粗糙度小于3.2μm；所述激光为飞秒紫外激光源，飞秒紫外激光源选择波长为355nm，脉冲宽度为100fs-10ps，单脉冲能量为1-20μJ，重复频率为1-1Mhz，激光器功率大于30W；所述扫描采用高精度数字振镜系统与高光学性能远心场镜配合使用，场镜聚焦光斑直径为5-10μm，振镜扫描速度为0-5000mm/s，重复精度＜3μrad，跟踪误差小于0.1ms。

作为优选的，步骤5中，聚焦激光束在数字振镜系统的控制下作用在模板材料表面，聚焦平面经过校正以实现微孔阵列的一致性，扫描过程中聚焦平面不移动，高重复频率紫外飞秒脉冲按照规划的扫描路径在深度方向上孵化出不同深度的材料去除。

作为优选的，在步骤4中，通过三维分层扫描路径的规划，实现微孔深度上的截面变化，形成微锥、微点、微管及微片等截面以及截面变化率的微孔。