專利名稱：一種對透明材料進行焊接的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對材料的焊接，特別涉及一種對透明材料進行焊接的方法。
背景技術(shù)：
透明材料在光學、電子器件、生物醫(yī)藥和微光電子機械系統(tǒng)(MOEMS)領(lǐng)域有著廣泛應用。但是，透明材料的連接問題一直沒有得到很好的解決，現(xiàn)在主要是利用化學黏接劑或中間層，這樣的連接，不能保證良好的機械性能，以及良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。最近人們提出了超短脈沖激光焊接方法。超短脈沖激光峰值功率極高，可以實現(xiàn)多光子吸收(電離)，即激光束可以透過材料表面，在激光焦點處的能流密度可以達到或超過多光子吸收(電離)閾值，材料發(fā)生熔化，如果激光聚焦在兩塊透明材料分界面上，隨激光焦點的移動，材料發(fā)生再凝固，實現(xiàn)激光焊接。但是，超短脈沖激光成本高、功率較小，焊接效率受到限制，成為實際應用的瓶頸。長脈沖激光技術(shù)已經(jīng)成熟應用于工業(yè)生產(chǎn)，但是，峰值功率較低，在透明材料內(nèi)部聚焦后，不足以實現(xiàn)多光子吸收(電離)，只能利用透明材料內(nèi)的金屬雜質(zhì)吸收長脈沖激光，而金屬雜質(zhì)分布無法得到有效控制，因此長脈沖激光在不填加吸收層的情況下，不能進行有效的材料內(nèi)部處理，只能進行材料表面處理
發(fā)明內(nèi)容
·本發(fā)明提供了一種對透明材料進行焊接的方法，降低了成本，提高了焊接效率，詳見下文描述一種對透明材料進行焊接的方法，所述方法包括以下步驟( I)選擇兩種能透過待焊接透明材料的激光，一種是超短脈沖激光，另一種是長脈沖激光，兩束激光的功率相匹配，調(diào)節(jié)兩束激光同步后并束；(2)將兩塊待焊接透明材料疊放在一起，其中，兩塊待焊接透明材料相同或不同；(3)調(diào)節(jié)激光光路，使得激光通過物鏡聚焦在兩塊待焊接透明材料的分界面上；(4)當超短脈沖激光能量(或功率)大于等于多光子吸收閾值光強時，(兩束脈沖激光的)焦點中心附近發(fā)生多光子吸收(電離)，產(chǎn)生自由電子，即種子電子，種子電子吸收長脈沖激光；(5)當種子電子吸收的長脈沖激光的能量達到熔化閾值時，焦點中心附近的材料發(fā)生熔化并融合，隨著激光焦點的移動，熔化的材料降溫，凝固，連接在一起，實現(xiàn)連接或焊接。兩塊待焊接透明材料之間不使用吸收層，透明材料包括玻璃、晶體或聚合物，兩種激光透過率均大于50%。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是利用超短脈沖激光在透明材料內(nèi)部產(chǎn)生多光子吸收(電離)，提供種子電子，利用種子電子就可以吸收長脈沖激光，當達到熔化閾值時，實現(xiàn)碰撞電離，便可以實現(xiàn)焊接。本方法降低了只使用超短脈沖激光的成本，并提高了焊接效率，實現(xiàn)了對材料內(nèi)部的焊接。


圖I為激光光強分布曲線圖；圖2為本發(fā)明采用裝置的示意圖；圖3為本發(fā)明提供的一種對透明材料進行焊接的方法的流程圖。
附圖中，各標號所代表的部件列表如下I:多光子吸收閾值光強； 2:光斑直徑；3:激光光強分布曲線； 4:飛秒激光光束；5 :物鏡；6 :第一片透明材料；7:第二片透明材料；8:焊接區(qū)。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。為了降低成本，提高焊接效率，本發(fā)明實施例提供了一種對透明材料進行焊接的方法，參見圖I、圖2和圖3，該方法包括以下步驟101 :選擇兩種能透過待焊接透明材料的激光，一種是超短脈沖激光，另一種是長脈沖激光，兩束激光的功率相匹配，調(diào)節(jié)兩束激光同步后并束；具體實現(xiàn)時，根據(jù)實際應用中的材料需要確定兩種激光的功率，超短脈沖激光通常選取脈沖寬度為飛秒或皮秒數(shù)量級；長脈沖激光通常選取納秒、微秒、毫秒或連續(xù)激光中的任意一種，本發(fā)明實施例對此不做限制。其中，透明材料包括玻璃、晶體和聚合物，對兩種激光具有較高的透過率，通過率通常大于50%。其中，對兩種脈沖激光進行調(diào)節(jié)使得激光脈沖同步，以及并束的步驟為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本發(fā)明實施例在此不做贅述。102 :將兩塊待焊接透明材料6和7疊放在一起，其中，兩塊待焊接透明材料6和7相同或不同；103 :調(diào)節(jié)激光光路，使得激光通過物鏡5聚焦在兩塊待焊接透明材料的分界面上；104 :當超短脈沖激光能量(或功率)對應的光強大于等于多光子吸收閾值光強I時，兩束脈沖激光的焦點中心附近發(fā)生多光子吸收(電離)，產(chǎn)生自由電子，即種子電子，種子電子吸收長脈沖激光；具體實現(xiàn)時，當超短脈沖激光能量(或功率)達到(或超過)多光子吸收(電離)閾值時，在焦點中心附近的(大于多光子吸收閾值)部分區(qū)域會發(fā)生多光子吸收(電離)，在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生自由電子。105:當種子電子吸收的長脈沖激光的能量達到材料熔化閾值時，焦點中心附近的材料發(fā)生熔化并融合，隨著激光焦點的移動，熔化的材料降溫，凝固，連接在一起，實現(xiàn)連接或焊接。
其中，熔化閾值根據(jù)實際應用中的材料需要進行設定，具體實現(xiàn)時本發(fā)明實施例對此不做限制。下面以具體的實施例對本方法進行詳細的描述將石英 玻璃作為待焊接透明材料6和7，首先將兩片石英玻璃基片疊在一起，實現(xiàn)緊密接觸。其次，超短脈沖激光采用脈沖寬度為f 10000飛秒、重復頻率為O. 00ΓIOOMHz,功率為O. orioow、波長為1040nm的飛秒或皮秒激光振蕩器(或放大器)；長脈沖(納秒/微秒/毫秒/連續(xù))激光(重復頻率與超短脈沖激光匹配、功率為flOOOW、波長為1040nm)作為激光源，調(diào)節(jié)兩束激光同步后，并束；使并束后激光通過數(shù)值孔徑為0. Of 2. O物鏡5聚焦在待焊接的兩片石英玻璃(基片)分界面上，調(diào)節(jié)激光能量使得靠近焦點中心處達到石英玻璃多光子吸收電離閾值光強1，產(chǎn)生自由電子，即種子電子，這些種子電子吸收長脈沖激光，當吸收的長脈沖激光的能量(或功率)大于等于石英玻璃熔化閾值時，(石英玻璃分界面兩偵D焦點中心附近(即達到多光子吸收閾值)區(qū)域內(nèi)石英玻璃發(fā)生熔化并融合，隨著激光焦點的移動，熔化的石英玻璃迅速降溫，凝固，連接在一起，實現(xiàn)連接或焊接。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種對透明材料進行焊接的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (1)選擇兩種能透過待焊接透明材料的激光，一種是超短脈沖激光，另一種是長脈沖激光，超短脈沖激光通常選取脈沖寬度為飛秒或皮秒數(shù)量級；長脈沖激光通常選取納秒、微秒、毫秒或連續(xù)激光中的任意一種，兩束激光的功率相匹配，調(diào)節(jié)兩束激光同步后并束； (2)將兩塊待焊接透明材料疊放在一起，其中，兩塊待焊接透明材料相同或不同； (3)調(diào)節(jié)激光光路，使得激光通過物鏡聚焦在兩塊待焊接透明材料的分界面上； (4)當超短脈沖激光能量或功率大于等于多光子吸收閾值光強時，兩束脈沖激光的焦點中心附近發(fā)生多光子吸收電離，產(chǎn)生自由電子，即種子電子，種子電子吸收長脈沖激光； (5)當種子電子吸收的長脈沖激光的能量達到材料熔化閾值時，焦點中心附近的材料發(fā)生熔化并融合，隨著激光焦點的移動，熔化的材料降溫，凝固，連接在一起，實現(xiàn)連接或焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種對透明材料進行焊接的方法，其特征在于，兩塊待焊接透明材料之間不使用吸收層，透明材料包括玻璃、晶體或聚合物，兩種激光透過率均大于50%。
全文摘要
一種對透明材料進行焊接的方法，選擇兩種能透過待焊接透明材料的激光，一種是超短脈沖激光，另一種是長脈沖激光，調(diào)節(jié)兩束激光同步后并束；將兩塊待焊接透明材料疊放在一起；使激光通過物鏡聚焦在兩塊待焊接透明材料的分界面上；當超短脈沖激光能量(或功率)大于等于多光子吸收閾值光強時，(兩束脈沖激光的)焦點中心附近發(fā)生多光子吸收(電離)，產(chǎn)生自由電子，即種子電子，種子電子吸收長脈沖激光；當(種子電子吸收的)長脈沖激光的能量達到待焊接材料熔化閾值時，焦點中心附近的材料發(fā)生熔化并融合，連接在一起，實現(xiàn)連接或焊接。本方法與單獨采用超短脈沖激光焊接方法相比，降低了成本，并提高了焊接效率，實現(xiàn)了對透明材料的焊接。
文檔編號B23K26/20GK102909474SQ20121041070
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者賈威, 于儉, 劉博文, 胡明烈, 柴路, 王清月 申請人:天津大學