一种硬脆材料高深宽比结构的加工方法及其在制备光学微纳结构方面的应用技术

本发明专利技术公开了一种硬脆材料高深宽比结构的加工方法及其在制备光学微纳结构方面的应用，属于激光微纳加工技术领域，本发明专利技术的方法先对待加工的硬脆材料表面引入一层牺牲层，再利用飞秒激光对其进行从内部到表面的激光改性扫描，并结合刻蚀工艺使得激光改性后的区域以及牺牲层一同被去除，从而实现材料表面具有高深宽比微纳结构的制备。本发明专利技术通过在材料表面引入牺牲层，将由于表面和内部损伤竞争问题产生的未损伤区分配到合适厚度的牺牲层中，并利用刻蚀工艺去除牺牲层，从而有效避免了在待加工材料中产生未损伤区域。在此基础上，刻蚀液能够针对激光改性区进行充分刻蚀，从而解决了由于表面和内部损伤竞争而产生未损伤区阻碍刻蚀的问题。碍刻蚀的问题。碍刻蚀的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种硬脆材料高深宽比结构的加工方法及其在制备光学微纳结构方面的应用


[0001]本专利技术属于激光微纳加工
，具体涉及具有牺牲层的刻蚀辅助飞秒激光改性技术实现硬脆材料高深宽比微纳结构的制备，利用飞秒激光在具有牺牲层的材料上，从内部到表面进行激光改性处理，结合刻蚀工艺使得牺牲层以及激光改性后的材料得以去除，从而实现硬脆材料表面高深宽比微纳结构的制备。

技术介绍

[0002]蓝宝石、石英玻璃等硬脆材料具有光学透过率高、高硬度、耐高温、低热膨胀系数以及优良的化学稳定性，在航空航天、微光学、光电器件等领域受到广泛的关注。但由于其较脆易碎的特点，因此传统工艺加工起来较为困难。飞秒激光具有高能量和高精度的特性，具有制造用于微光学，微流体，传感器，微机械等方面的三维微米/纳米结构的强大能力，是实现硬脆材料加工的理想技术。通过逐点直接写入技术，多层扫描工艺对于通过高能激光烧蚀制造三维微米/纳米结构是必需的。然而在激光从材料表面向内部烧蚀的多层扫描过程中，先前的扫描会产生碎片和裂纹，由于光的散射和阴影而导致随后的烧蚀受到阻碍。此外，由于对材料的严重破坏，高能激光烧蚀也会降低制造精度。
[0003]飞秒激光改性技术及其后续的蚀刻技术由于飞秒激光改性材料所需的能量较低，并且从材料内部向表面的扫描方向，大大消除了加工过程表面碎屑产生的影响，因而被认为是一种能够以高精度加工硬脆材料的有效方法。然而，由于内部损伤阈值大于表面损伤阈值，因此当从材料的内部到表面进行激光扫描时，表面材料将受到优先破坏，这将在表面上再次产生碎片和裂纹。因此，在材料的表面和内部损坏区域之间将形成未损坏的区域，这将阻碍随后对改性材料的蚀刻，特别是对于原始材料的蚀刻速率极低的蚀刻剂。因此，飞秒激光在硬脆材料中实现高长宽比的微纳结构的关键在于解决表面和内部损伤竞争的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术要解决的技术问题是：提供一种硬脆材料高深宽比结构的加工方法。先对待加工的硬脆材料表面引入一层牺牲层，再利用飞秒激光对其进行从内部到表面的激光改性扫描，并结合刻蚀工艺使得激光改性后的区域以及牺牲层一同被去除，从而实现材料表面具有高深宽比微纳结构的制备。本专利技术通过在材料表面引入牺牲层，将由于表面和内部损伤竞争问题产生的未损伤区分配到合适厚度的牺牲层中，并利用刻蚀工艺去除牺牲层，从而有效避免了在待加工材料中产生未损伤区域。在此基础上，刻蚀液能够针对激光改性区进行充分刻蚀，从而解决了飞秒激光在硬脆材料中加工高深宽比的微纳结构时，由于表面和内部损伤竞争而产生未损伤区阻碍刻蚀的问题。
[0005]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0006]一种硬脆材料高深宽比结构的加工方法，具体步骤如下：
[0007]步骤一：待加工样品制备；
[0008]首先将待加工样品表面蒸镀一层薄膜作为牺牲层，随后利用丙酮、酒精以及去离子水的顺序清洁样品，最后用洗耳球吹干，待加工样品制备完成；
[0009]步骤二：飞秒激光改性扫描待加工样品；
[0010]首先，将样品固定在三维加工平台上，平台由三维手动平台和三维电控平台组成；飞秒激光放大器经三倍频后出射的飞秒激光，进入三维压电加工系统后，聚焦到待加工样品上表面；随后，利用样品表面划线扫描的方法确认光斑位置以及聚焦焦点位置，然后进行从内部往表面的改性处理；
[0011]步骤三：样品刻蚀；
[0012]具体步骤为：首先，将步骤二加工得到的样品用丙酮、酒精以及去离子水的顺序清洁，用来清理加工之后残留的碎屑，将样品置于氢氟酸溶液中去离子水浴超声腐蚀10
‑
20h，然后将超声后的样品先经过丙酮溶液再用乙醇溶液最后用去离子水各超声处理5min，最后用烘干机烘干或用洗耳球吹干。超声刻蚀后的样品表面洁净，无牺牲层，实现了高精度及高长宽比的微纳结构的制备。
[0013]进一步地，步骤一中所述的加工样品为透明介质晶体，厚度为0.1
‑
1mm；所用飞秒激光波长为343nm。
[0014]进一步地，步骤一中所述的牺牲层为对所用飞秒激光弱吸收的晶体薄膜，如二氧化硅、氧化锌、氟化镁和铌酸锂等晶体薄膜。其沉积方式可以是利用电子束沉积(高温200
‑
250℃下)、离子辅助电子束沉积(较低温度20
‑
100℃)、磁控溅射等，厚度为0.1
‑
5μm。
[0015]进一步地，步骤二中的三维压电加工系统包括石英第一凹透镜L1、石英第二凸透镜L2、石英第三凸透镜L3、全反射镜M、图像传感器CCD、物镜O及三维压电平台PI；激光器出射飞秒激光依次经过第一凹透镜L1和第二凸透镜L2扩束；然后光束经全反射镜M到达物镜O处；另外，汞灯光源依次经加工样品、调焦环物镜O、全反射镜M后经第三凸透镜L3到达图像传感器CCD处。
[0016]进一步地，步骤二中的三维手动平台X轴和Y轴移动范围均为0
‑
10cm，Z 轴移动范围0
‑
5cm，精度为10m，三维电控平台X轴、Y轴和Z轴为压电平台，X 轴和Y轴移动范围均为0
‑3㎜
，精度为1
‑
10nm，Z轴移动范围为0
‑
100m，移动精度1
‑
10nm。
[0017]进一步地，步骤二中的飞秒激光基频波长为1030nm，三倍频之后波长为 343nm，为紫外飞秒激光；激光重复频率为200kHz，脉冲宽度为280fs；采用的物镜为5
×‑
40
×
镜头，数值孔径为0.1
‑
0.75；激光烧蚀的单脉冲能量10
‑
2000nJ。激光扫描速度1
‑
100mm/s；加工数据的点间距为100
‑
500nm，线间距为100
‑
500nm，层间距为50
‑
500nm。
[0018]进一步地，步骤三中的氢氟酸溶液浓度百分比为10％
‑
40％，去离子水浴超声温度范围为300K
‑
350K。
[0019]本专利技术还提供了一种硬脆材料高深宽比结构的加工方法在制备光学微纳结构方面的应用，即利用该方法加工亚波长抗反射结构。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的优点如下：
[0021](1)与激光直写技术相比，由于激光改性辅助后续刻蚀可去除改性区及牺牲层，因此具有高精度，高平滑度等优点；
[0022](2)、与刻蚀辅助激光改性扫描的方法相比，两种加工方式都可以实现材料的改性快速去除，本专利技术的优势在于在材料表面引入牺牲层，将由于表面和内部损伤竞争问题产
生的未损伤区分配到合适厚度的牺牲层中，成功消除了目标材料未损伤区的产生，更有利于后续刻蚀高效的去除材料。本专利技术可以应用于大部分硬脆材料材料，另外采用三维直写的加工方式，可用于加工各种复杂结构。
附图说明
[0023]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硬脆材料高深宽比结构的加工方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一：待加工样品制备；首先将待加工样品表面蒸镀一层薄膜作为牺牲层，随后利用丙酮、酒精以及去离子水的顺序清洁样品，最后用洗耳球吹干，待加工样品制备完成；步骤二：飞秒激光改性扫描待加工样品；首先，将样品固定在三维加工平台上，平台由三维手动平台和三维电控平台组成；飞秒激光放大器经三倍频后出射的飞秒激光，进入三维压电加工系统后，聚焦到待加工样品上表面；随后，利用样品表面划线扫描的方法确认光斑位置以及聚焦焦点位置，然后进行从内部往表面的改性处理；步骤三：样品刻蚀；具体步骤为：首先，将步骤二加工得到的样品用丙酮、酒精以及去离子水的顺序清洁，用来清理加工之后残留的碎屑，将样品置于氢氟酸溶液中去离子水浴超声腐蚀10
‑
20h，然后将超声后的样品先经过丙酮溶液再用乙醇溶液最后用去离子水各超声处理5min，最后用烘干机烘干或用洗耳球吹干。超声刻蚀后的样品表面洁净，无牺牲层，实现了高精度及高长宽比的微纳结构的制备。2.如权利要求1所述的一种硬脆材料高深宽比结构的加工方法，其特征在于，步骤一中所述的加工样品为透明介质晶体，厚度为0.1
‑
1mm；所用飞秒激光波长为343nm。3.如权利要求1所述的一种硬脆材料高深宽比结构的加工方法，其特征在于，步骤一中所述的牺牲层为对所用飞秒激光弱吸收的晶体薄膜，其沉积方式为利用电子束沉积、离子辅助电子束沉积或磁控溅射，厚度为0.1
‑
5μm。4.如权利要求1所述的一种硬脆材料高深宽比结构的加工方法，其特征在于，步骤一中所述的牺牲层为二氧化硅、氧化锌、氟化镁或铌酸锂晶体薄膜。5.如权利要求1所述的一种硬脆材料高深宽比结构的加工方法，其特征在于，步骤二中的三维压电加工系统包括石英第一凹透镜L1、石英第二凸透镜L2、石英第三凸透镜L3、全反射镜M、图像传感器CCD、物镜O及三维压电平...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙洪波，刘学青，郑家鑫，陈岐岱，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：