專利名稱：飛秒激光輔助超臨界流體進(jìn)行高分子材料微加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料微加工技術(shù)。具體講，涉及飛秒激光輔助超臨界流體進(jìn)行高分子材料微加工方法。
背景技術(shù)：
如何提高微加工精度的問題越來越引起人們的興趣，提出了各種各樣的微加工方法。其中激光加工技術(shù)是一種具有代表性的方法。超短脈沖激光的燒蝕閾值很精確，因此， 將激光的能量控制在正好等于或略高于燒蝕閾值，則只有高于燒蝕閾值的部分產(chǎn)生燒蝕， 可進(jìn)行低于衍射極限的亞微米加工。但是，激光加工是利用材料吸收激光能量產(chǎn)生熱進(jìn)行加工的，在加工過程中，加工區(qū)的材料會(huì)發(fā)生溶化，甚至爆炸性沸騰，這在加工區(qū)的邊緣形成熱影響區(qū)和重新凝固結(jié)構(gòu)，限制了激光加工質(zhì)量的進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種提高激光加工精度的方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，飛秒激光輔助超臨界流體進(jìn)行高分子材料微加工方法，包括下列步驟(I)選擇一種在常溫常壓下對(duì)加工材料沒有腐蝕性的并能夠?qū)崿F(xiàn)超臨界態(tài)的液體，液體對(duì)所用激光透明，液體充滿具有透光窗口的容器內(nèi)；(2)將待加工材料固定在容器底部，浸在超臨界流體內(nèi)；(3)調(diào)節(jié)激光光路，使激光透過容器窗口聚焦在待加工材料表面，即材料和液體的界面上，當(dāng)激光焦點(diǎn)處的激光能量達(dá)到或超過超臨界流體多光子吸收閾值時(shí)，達(dá)到臨界點(diǎn)的焦點(diǎn)處，發(fā)生分解反應(yīng)，隨著激光焦點(diǎn)的移動(dòng)，在材料表面上產(chǎn)生需要的微加工形狀/結(jié)構(gòu)。采用近紅外波段、脈沖寬度為10-500飛秒、重復(fù)頻率為O. 1-lOOMHz、功率為 I-IOOff的飛秒激光放大器作為激光源，使激光通過數(shù)值孔徑為O. 1-1. O物鏡聚焦在待加工材料表面上，調(diào)節(jié)激光能量使得在液體和待加工材料界面上，只有最靠近焦點(diǎn)中心處才能達(dá)到多光子吸收閾值，形成超臨界流體，發(fā)生溶解反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高分子材料微納加工。液體為水、雙氧水、甲醇、二氧化碳中的一種。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及效果與單獨(dú)采用激光加工方法相比，可減小熱影響區(qū)和重新凝固組織，提高加工精度。


圖I為激光光強(qiáng)分布曲線圖。圖2為本發(fā)明采用的裝置示意圖。圖中1為多光子吸收閾值光強(qiáng)、2為光斑直徑、3為激光光強(qiáng)分布曲線、4為飛秒激光光束、5為物鏡、6為上部帶透光窗口的容器、7為材料試樣、8為超臨界液體、9為微加工區(qū)。
具體實(shí)施例方式甲醇、水等物質(zhì)在高溫、高壓狀態(tài)下兼有氣體和液體的一些特點(diǎn)，既像氣體可以加速化學(xué)反應(yīng)，也象液體一樣容易溶解其他物質(zhì)，這時(shí)它們成為超臨界流體。研究表明，激光焦點(diǎn)處的溫度和壓力遠(yuǎn)高于超臨界流體的臨界點(diǎn)。因此，可以利用這一特性，將待加工材料置于超臨界流體內(nèi)，使激光聚焦在材料表面待加工位置，調(diào)節(jié)激光功率使激光焦點(diǎn)處超臨界流體達(dá)到超臨界態(tài)，溶解/去除焦點(diǎn)處的材料，達(dá)到微加工的目的，同時(shí)，由于其他位置的材料表面沒有達(dá)到/高于超臨界流體的臨界點(diǎn)，而保持原狀。通過激光焦點(diǎn)的掃描，就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)的加工形狀。達(dá)到減小激光加工區(qū)的邊緣熱影響區(qū)和重新凝固結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。本發(fā)明包括如下步驟I.選擇一種在常溫常壓下(對(duì)加工材料沒有腐蝕性的)可實(shí)現(xiàn)超臨界態(tài)(例如， 水或雙氧水)的液體，而且，要求對(duì)所用激光透明，裝到具有透光窗口的容器內(nèi)。2.將待加工材料固定在該容器底部，浸在超臨界流體內(nèi)。3.將激光透過容器窗口聚焦在材料表面(材料和液體的界面)上，當(dāng)激光能量達(dá)到或超過超臨界流體多光子吸收閾值時(shí)，(達(dá)到臨界態(tài)的區(qū)域)發(fā)生分解反應(yīng)，隨著激光焦點(diǎn)的移動(dòng)，在材料基片上產(chǎn)生需要的微加工形狀/結(jié)構(gòu)。下面是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例實(shí)施例I.以有機(jī)玻璃為原材料。首先將有機(jī)玻璃基片固定在容器的底上，然后， 將超臨界流體倒入容器，充滿到透光窗口。其次，采用近紅外波段、脈沖寬度為10-500飛秒、重復(fù)頻率為O. 1-lOOMHz、功率為1-100W的飛秒激光放大器，使激光通過數(shù)值孔徑為
0.1-1.0物鏡聚焦在材料(基片)表面上，調(diào)節(jié)激光能量使得(在液體和材料基片界面上) 只有最靠近焦點(diǎn)中心處才能達(dá)到多光子吸收閾值，形成超臨界流體，發(fā)生溶解反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高分子材料微納加工。超臨界流體為水、雙氧水、甲醇、二氧化碳中的任一種，都能取得不錯(cuò)的效果。
權(quán)利要求
1.一種飛秒激光輔助超臨界流體進(jìn)行高分子材料微加工方法，其特征是，包括下列步驟(1)選擇一種在常溫常壓下對(duì)加工材料沒有腐蝕性的并能夠?qū)崿F(xiàn)超臨界態(tài)的液體，液體對(duì)所用激光透明，液體充滿具有透光窗口的容器內(nèi)；(2)將待加工材料固定在容器底部，浸在超臨界流體內(nèi)；(3)調(diào)節(jié)激光光路，使激光透過容器窗口聚焦在待加工材料表面，即材料和液體的界面上，當(dāng)激光焦點(diǎn)處的激光能量達(dá)到或超過超臨界流體多光子吸收閾值時(shí)，達(dá)到臨界點(diǎn)的焦點(diǎn)處，發(fā)生分解反應(yīng)，隨著激光焦點(diǎn)的移動(dòng)，在材料表面上產(chǎn)生需要的微加工形狀/結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求I所述的飛秒激光輔助超臨界流體進(jìn)行高分子材料微加工方法，其特征是，采用近紅外波段、脈沖寬度為10-500飛秒、重復(fù)頻率為O. 1-lOOMHz、功率為1-100W的飛秒激光放大器作為激光源，使激光通過數(shù)值孔徑為O. 1-1. O物鏡聚焦在待加工材料表面上，調(diào)節(jié)激光能量使得在液體和待加工材料界面上，只有最靠近焦點(diǎn)中心處才能達(dá)到多光子吸收閾值，形成超臨界流體，發(fā)生溶解反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高分子材料微納加工。
3.如權(quán)利要求I所述的飛秒激光輔助超臨界流體進(jìn)行高分子材料微加工方法，其特征是，液體為水、雙氧水、甲醇、二氧化碳中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及屬于材料微加工技術(shù)。為提供提高激光加工精度的方法，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，飛秒激光輔助超臨界流體進(jìn)行高分子材料微加工方法，包括下列步驟(1)選擇一種在常溫常壓下對(duì)加工材料沒有腐蝕性的并能夠?qū)崿F(xiàn)超臨界態(tài)的液體，液體對(duì)所用激光透明，液體充滿具有透光窗口的容器內(nèi)；(2)將待加工材料固定在容器底部，浸在超臨界流體內(nèi)；(3)調(diào)節(jié)激光光路，使激光透過容器窗口聚焦在待加工材料表面，即材料和液體的界面上，當(dāng)激光焦點(diǎn)處的激光能量達(dá)到或超過超臨界流體多光子吸收閾值時(shí)，達(dá)到臨界點(diǎn)的焦點(diǎn)處，發(fā)生分解反應(yīng)，隨著激光焦點(diǎn)的移動(dòng)，在材料表面上產(chǎn)生需要的微加工形狀/結(jié)構(gòu)。本發(fā)明主要應(yīng)用于材料微加工。
文檔編號(hào)B23K26/00GK102601522SQ20121009052
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者于儉, 柴路, 王清月, 胡明烈, 賈威 申請(qǐng)人:天津大學(xué)