一种金属氧化物涂层辅助激光正面刻蚀蓝宝石的加工方法技术

本发明专利技术属于特种加工的应用领域，具体为一种金属氧化物涂层辅助激光正面刻蚀蓝宝石的加工方法，其能够实现连续且刻蚀率较高的刻蚀，其包括以下步骤：（1）确定金属氧化物种类、颗粒直径以及涂层的厚度、成分配比；（2）在蓝宝石表面涂抹均匀的金属氧化物涂层；（3）确定激光系统的工艺参数；（4）确定激光扫描路径和扫描速度；（5）激光按照扫描路径进行刻蚀。

【技术实现步骤摘要】
一种金属氧化物涂层辅助激光正面刻蚀蓝宝石的加工方法
本专利技术属于特种加工的应用领域，具体为一种金属氧化物涂层辅助激光正面刻蚀蓝宝石的加工方法。
技术介绍
蓝宝石有着优异的物理化学性能，是微电子、光电子、光学以及光纤行业的重要材料。蓝宝石晶体具有透光性好，在紫外红外波段透过率85%以上，熔点高，硬度高，热传导性良好，化学性能稳定等特性，在超导、光电子、微电子、国防等领域具有广泛的应用。随着现代科学技术的发展，对透明晶体蓝宝石的加工精度和表面质量都有非常高的要求。由于蓝宝石属于硬脆材料，在传统机械加工过程中容易出现裂纹、崩边等现象。又因为蓝宝石化学稳定性较好，使得化学加工方法对其难以加工。其加工效率低，加工成本高，加工精度低，很难实现自动化，限制了透明晶体加工技术的发展。激光刻蚀技术是一种无接触、无切削力、热影响小的加工方法，它具有加工质量优、效率高、加工范围广、经济效益好等优点。可用于硬脆性材料的微加工，而且还能与数控技术相结合，能够实现柔性制造，符合未来发展趋势。激光通过透镜聚焦后，可形成直径几微米的激光束，达到很高的能量密度，与被加工的材料相遇后会产生强烈的热效应，从而可以对材料进行刻蚀。激光加工是一种高速度、高质量的加工技术，具有加工速度快、切缝和刻槽窄、断面光滑、切割边缘整齐、热影响区域小，材料适用性高等特点。但是由于蓝宝石透光率过高，一般低成本红外激光器无法完成刻蚀操作。
技术实现思路
为了克服蓝宝石由于透光率过高，低成本红外激光器无法刻蚀的问题，本专利技术提供了一种金属氧化物涂层辅助激光正面刻蚀蓝宝石的加工方法，其能够实现连续且刻蚀率较高的刻蚀。其技术方案是这样的：一种金属氧化物涂层辅助激光正面刻蚀蓝宝石的加工方法，其特征在于，其包括以下步骤：（1）确定金属氧化物种类、颗粒直径以及涂层的厚度、成分配比；（2）在蓝宝石表面涂抹均匀的金属氧化物涂层；（3）确定激光系统的工艺参数；（4）确定激光扫描路径和扫描速度；（5）激光按照扫描路径进行刻蚀。其进一步特征在于，激光扫描路径为直线型或者环形。采用本专利技术后，在蓝宝石表面涂抹均匀致密的金属氧化物涂层，阻碍激光直接透过透明晶体，将激光能量通过涂层传递透明晶体进行刻蚀，相比其他盐、酸、碱等材料，金属氧化物对激光具有较高的吸收率，实现了连续且刻蚀率较高的刻蚀。附图说明图1为专利技术加工方法所需的装置结构图，其中：1、激光加工平台；2、蓝宝石晶体试样；3、金属氧化物涂层；4、聚焦镜片；5、激光束；6、反光镜片；7激光头；图2为本专利技术实施一种金属氧化物涂层辅助激光正面刻蚀蓝宝石的加工方法流程图；图3为本专利技术实施的激光扫描路径为环型路径，其中：1、扫描路径开始点；2、扫描路径结束点；图4为本专利技术实施的激光扫描路径为直线型路径，其中：1、扫描路径开始点；2、扫描路径结束点。具体实施方式为了使本专利技术的技术方案能够更加清晰地表示出来，下面结合附图，选择合理的金属氧化物涂层参数和激光系统加工参数，对本专利技术作进一步说明。请参阅图2，一种金属氧化物涂层辅助激光正面刻蚀蓝宝石的加工方法，其包括以下步骤：（1）确定金属氧化物种类、颗粒直径以及涂层的厚度、成分配比涂层的骨料为41%TiO2，颗粒直径50nm，粘结剂为22%PAI，稀释剂为去离子水，涂层厚度0.1mm。（2）在蓝宝石晶体表面喷涂均匀致密的金属氧化物涂层；通过刮涂将配置好的涂层均匀涂抹在透明晶体表面。（3）确定激光系统的工艺参数；打开激光器，激光的输出功率为13w，脉冲宽度为100ns，脉冲频率为30KHZ，离焦量为0mm，加工速度5mm/s，加工次数3次。（4）确定激光扫描路径和扫描速度；选择激光扫描速度为5mm/s，扫描路径为直线，如图4所示，或者扫描路径为环形，如图3所示。图4直线型扫描路径具体为：激光在纵向走完直线之后，关断激光，再横向进给一个行间距，然后开启激光重新进行扫描加工，如此重复进行，直至扫描结束。图3环形路径具体为：激光从外向内扫描，扫描完最外面环形，关断激光，再横向进给一个行间距，然后开启激光重新进行扫描加工，如此重复进行，直至扫描结束。（5）激光按照扫描路径进行刻蚀启动激光进行加工加工过程结束。激光的最大输出功率20w，脉冲宽度为100ns，光斑直径30μm，脉冲重复频率为20~100KHz，离焦量为-2~+2mm，激光扫描速度为3~7mm/s，加工次数1~5次，涂层的骨料为TiO2(20%~48%)，颗粒直径2μm以下，粘结剂为PAI(9%~29%)，稀释剂为去离子水，涂层厚度0.1~0.5mm。在颗粒直径2μm，骨料TiO2含量48%，粘结剂19%，涂层厚度0.3mm，在输出功率11w，频率20kHZ，扫描速度5mm/s下，实验得到平均刻槽宽度33μm，刻槽深度12.8μm。在颗粒直径50nm，骨料TiO2含量41%，粘结剂22%，涂层厚度0.1mm，在输出功率12w，频率20kHZ，扫描速度5mm/s下，实验得到平均刻槽宽度37μm，刻槽深度16.8μm。预实验已知颗粒直径越小，刻槽深度和宽度越大。为了进一步了解吸收层参数对刻蚀蓝宝石的影响，可以采用正交试验的方法。正交试验采用三因素五水平进行试验，因素1涂层厚度0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm，因素2骨料含量20%、27%、34%、41%、48%，因素3粘结剂含量9%、14%、19%、24%、29%。进行25次实验，实验完成后比较刻槽深度和宽度以及刻槽形貌，优化出一组最佳参数，从而获得最优的吸收层参数。对激光参数输出功率，重复频率，扫描速度，扫描次数，可采用单因素方法研究，从而选择最优激光参数。其他参数一定，输出功率为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%，比较刻蚀结果，选择最优输出功率。其他参数一定，重复频率为20kHz、25kHz、30kHz、35kHz、40kHz，比较刻蚀结果，选择最优重复频率。扫描速度1mm/s、3mm/s、5mm/s、7mm/s、9mm/s、11mm/s、13mm/s、15mm/s，比较刻蚀结果，选择最优扫描速度。其他参数一定，扫描次数为1次、2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次，比较刻蚀结果，选择最优的扫描次数，从而获得最优的激光参数。通过步骤可以完成在蓝宝石晶体表面上进行微槽刻蚀，金属氧化物涂层辅助透明晶体吸收激光能量，提高了刻蚀效率，降低了加工成本。本专利技术具有以下有益效果：（1）在蓝宝石涂抹均匀金属氧化物涂层可以提高蓝宝石对激光的吸收率，阻碍激光直接透过蓝宝石晶体，减少激光能量损失，实现激光束在蓝宝石晶体表面直接刻蚀。（2）正面直接刻蚀，蓝宝石表面刻蚀出加工表面质量良好的凹槽。（3）该发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属氧化物涂层辅助激光正面刻蚀蓝宝石的加工方法，其特征在于，其包括以下步骤：/n（1）确定金属氧化物种类、颗粒直径以及涂层的厚度、成分配比；/n（2）在蓝宝石表面涂抹均匀的金属氧化物涂层；/n（3）确定激光系统的工艺参数；/n（4）确定激光扫描路径和扫描速度；/n（5）激光按照扫描路径进行刻蚀。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属氧化物涂层辅助激光正面刻蚀蓝宝石的加工方法，其特征在于，其包括以下步骤：
（1）确定金属氧化物种类、颗粒直径以及涂层的厚度、成分配比；
（2）在蓝宝石表面涂抹均匀的金属氧化物涂层；
（3）确定激光系统的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨富理，袁根福，李浩，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32