一種雙激光束序列掃描精密加工藍(lán)寶石的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙激光束序列掃描精密加工藍(lán)寶石的方法，包括：安裝藍(lán)寶石工件和激光加工頭，輸出納秒脈沖激光束，按照待加工軌跡進(jìn)行一次掃描運(yùn)動(dòng)；之后關(guān)閉納秒脈沖激光束，開啟超聲波發(fā)生器進(jìn)行化學(xué)腐蝕；再輸出皮秒脈沖激光束，進(jìn)行一次掃描運(yùn)動(dòng)，薄層材料得到快速去除；重復(fù)執(zhí)行直至藍(lán)寶石工件表面的孔或槽深度滿足加工要求；最后采用超聲波驅(qū)動(dòng)磨粒拋光液對藍(lán)寶石工件表面進(jìn)行超聲波磨料拋光。本發(fā)明結(jié)合了納秒激光熱處理、超聲化學(xué)腐蝕預(yù)處理、皮秒激光精密加工、超聲磨粒拋光后處理，一共四種精密加工工藝的序列復(fù)合加工效果，在同等刻蝕加工效率要求下有效降低了所需皮秒激光器的功率需求，降低了皮秒激光加工時(shí)間和設(shè)備成本。
【專利說明】一種雙激光束序列掃描精密加工藍(lán)寶石的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種納秒與皮秒雙激光束序列掃描精密加工藍(lán)寶石的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人造藍(lán)寶石的化學(xué)成分為氧化鋁(A1203)，是α-Α1203單晶體，俗稱剛玉晶體。藍(lán)寶石晶體硬度僅次于金剛石，具有優(yōu)異的光學(xué)性能、機(jī)械性能、電學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。藍(lán)寶石化學(xué)惰性好、熔點(diǎn)高、抗電磁干擾，可工作于惡劣環(huán)境；強(qiáng)度高，藍(lán)寶石元件可以做的更薄，促進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的小型化和輕量化，相比塑料、樹脂、玻璃等透明材料有不可比擬的優(yōu)勢，因此在軍事國防、航空航天及民用等眾多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。發(fā)展高效率、高精密、低成本的藍(lán)寶石加工技術(shù)，對推進(jìn)生命科學(xué)、生化分析、醫(yī)療檢測、光子通訊和生物傳感等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用有著重要意義。
[0003]對于高亮度LED、手機(jī)顯示蓋板等應(yīng)用場合所采用的藍(lán)寶石，以往的主流加工方法是使用金剛石劃片 機(jī)等進(jìn)行掰片。但是，隨著市場的擴(kuò)大，對提高生產(chǎn)率、成品合格率提出了更高的要求，加之激光加工的迅速普及，激光加工在藍(lán)寶石加工中逐漸成為主流工藝。
[0004]現(xiàn)有的藍(lán)寶石激光精密加工，一般采用高功率超快激光(皮秒激光、飛秒激光)直接加工，即逐層燒蝕或切割加工的方式，高脈沖能量的激光束聚焦在藍(lán)寶石表面，通過材料的熔化、氣化等方式得以去除，從而獲得孔、槽、切割邊等精細(xì)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):藍(lán)寶石加工質(zhì)量和效率與激光波長、激光脈寬、重復(fù)頻率、掃描速度以及材料表面狀況等有關(guān)。特別是藍(lán)寶石材料表面粗糙度對吸收率有重要影響，粗糙的表面與鏡面相比，粗糙的表面吸收率大、激光加工效率更高。而日本理化所(RIKEN)、美國倫斯勒理工學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對藍(lán)寶石、玻璃工件進(jìn)行適當(dāng)熱處理，高溫作用將使藍(lán)寶石外表面產(chǎn)生斑點(diǎn)，可以大幅提高熱處理區(qū)的腐蝕速率，藍(lán)寶石相變區(qū)和未相變區(qū)化學(xué)腐蝕速率比可達(dá)到10000:1。
[0005]然而，現(xiàn)有的超快激光直接刻蝕加工方法具有以下不足:一是加工精度不夠高，加工部位難以達(dá)到光學(xué)元件表面粗糙度要求，從而導(dǎo)致了其不能作為高精密度光學(xué)器件使用；二是效率低，對超快激光束的能量密度要求很高，只有目前市面上的高端皮秒或飛秒激光器才可用于工業(yè)加工用途，從而推高了設(shè)備成本、限制了藍(lán)寶石的產(chǎn)品推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對以上不足，本發(fā)明通過將納秒與皮秒脈沖激光束復(fù)合，輔以超聲波化學(xué)腐蝕和超聲波磨粒拋光處理，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石表面的超精密加工，相比現(xiàn)有領(lǐng)域技術(shù)方法，其加工精度更高、加工效率更高、設(shè)備和工藝成本更低。
[0007]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一種雙激光束序列掃描精密加工藍(lán)寶石的方法，包括如下步驟:
[0009](I)在工作臺(tái)上安裝超聲波發(fā)生器，并在超聲波發(fā)生器的上方固定安裝一具有凹型開口的容器，所述容器內(nèi)設(shè)有夾持裝置，將藍(lán)寶石工件通過夾持裝置固定在所述容器內(nèi)；
[0010]所述容器內(nèi)裝有藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液，藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液的液面高度與藍(lán)寶石工件的上表面平齊或低0.01mm~0.2mm ；
[0011](2)安裝激光加工頭，所述激光加工頭能夠切換輸出納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束；所述納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束的波長均為1064nm ;其中，激光加工頭與藍(lán)寶石工件的相對方位應(yīng)使得激光加工頭輸出的納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束垂直入射到藍(lán)寶石工件表面，并聚焦在藍(lán)寶石工件表面上；
[0012](3)開啟納秒脈沖激光器，控制激光加工頭輸出納秒脈沖激光束，按照待加工軌跡控制納秒脈沖激光束在藍(lán)寶石工件表面進(jìn)行一次掃描運(yùn)動(dòng)，使得藍(lán)寶石工件表面的激光光斑照射區(qū)域溫度升高到比藍(lán)寶石工件的熔點(diǎn)低10~50攝氏度；
[0013](4)關(guān)閉納秒脈沖激光器，使激光加工頭停止輸出納秒脈沖激光束；
[0014](5)開啟超聲波發(fā)生器，使得容器內(nèi)藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液的液面發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)的液面在超聲波驅(qū)動(dòng)下漫過并沖刷藍(lán)寶石工件表面，使得步驟(3)中藍(lán)寶石工件表面的激光光斑照射區(qū)域發(fā)生化學(xué)腐蝕；
[0015](6)關(guān)閉超聲波發(fā)生器，等待藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液的液面平靜下來，即不再漫過或沖刷藍(lán)寶石工件表面；
[0016](7)開啟皮秒脈沖激光器，控制激光加工頭輸出皮秒脈沖激光束，按照待加工軌跡控制皮秒脈沖激光束在藍(lán)寶石工件表面進(jìn)行一次掃描運(yùn)動(dòng)，使得藍(lán)寶石工件表面的激光光斑照射區(qū)域發(fā)生熔化和蒸發(fā)，其表面薄層材料得到快速去除；
[0017](8)關(guān)閉皮秒脈沖激光器，使激光加工頭停止輸出皮秒脈沖激光束；
[0018](9)重復(fù)步驟(3)-(8)，直至藍(lán)寶石工件表面的孔或槽深度滿足加工要求；
[0019](10)將容器內(nèi)的藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液更換為磨粒拋光液，更換后的液面超過藍(lán)寶石工件表面，將藍(lán)寶石工件完全浸沒；
[0020](11)開啟超聲波發(fā)生器，超聲波驅(qū)動(dòng)磨粒拋光液對藍(lán)寶石工件表面進(jìn)行超聲波磨料拋光，直到表面粗糙度滿足加工要求。
[0021]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0022]1、本發(fā)明結(jié)合了納秒激光熱處理、超聲化學(xué)腐蝕預(yù)處理、皮秒激光精密加工、超聲磨粒拋光后處理，一共四種精密加工工藝的序列復(fù)合加工效果，其中納秒脈沖激光束用于對藍(lán)寶石工件進(jìn)行快速熱處理(納秒激光的熱效應(yīng)顯著，雖不適合直接刻蝕精密加工藍(lán)寶石，但適合用于熱處理)，獲得局部區(qū)域高的化學(xué)腐蝕速率，然后通過超聲化學(xué)腐蝕預(yù)處理將納秒脈沖激光束熱處理區(qū)域初步形成微觀腐蝕的粗糙結(jié)構(gòu)，從而使得后續(xù)的皮秒激光精密刻蝕加工效率大大提高，在同等刻蝕加工效率要求下有效降低了所需皮秒激光器的功率需求,降低了皮秒激光加工時(shí)間和設(shè)備成本。
[0023]2、本發(fā)明通過整合超聲磨粒拋光后處理操作，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石工件的在線原位拋光處理，相比傳統(tǒng)拋光方法，工序簡化，時(shí)間縮短，成本降低。而相比傳統(tǒng)針對藍(lán)寶石工件的超快激光直接刻蝕加工方法，本發(fā)明的在線原位拋光處理使得藍(lán)寶石加工精度大大提高。
[0024] 3、本發(fā)明的技術(shù)方法可以通過自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行程序化，操作簡易，適合大規(guī)模生產(chǎn)。[0025]4、本發(fā)明的技術(shù)方法采用的是相同波長、不同脈寬的納秒和皮秒激光，因此可以共用同一套光路聚焦系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的雙光束集成加工方式，加工頭的結(jié)構(gòu)簡單、成本更低；并且采用同一套超聲波發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了超聲化學(xué)腐蝕預(yù)處理和超聲磨粒拋光后處理，結(jié)構(gòu)緊湊，有效節(jié)約了設(shè)備成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明所述雙激光束序列掃描精密加工藍(lán)寶石的工藝原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0028]本發(fā)明提供了一種雙激光束序列掃描精密加工藍(lán)寶石的方法，包括如下步驟:
[0029](I)如圖1所示，在工作臺(tái)I上安裝超聲波發(fā)生器2，并在超聲波發(fā)生器2的上方固定安裝一具有凹型開口的容器3，所述容器3內(nèi)設(shè)有夾持裝置4，將藍(lán)寶石工件5通過夾持裝置4固定在所述容器內(nèi)；夾持裝置4設(shè)置的目的是固定藍(lán)寶石工件5，其結(jié)構(gòu)可以采用現(xiàn)有技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
[0030]所述容器3內(nèi)裝有藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液，藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液的液面高度與藍(lán)寶石工件5的上表面平齊或低0.01mm~0.2mm;其中，藍(lán)寶石工件5的上表面要為一平面。這種液面高度使得既可以對藍(lán)寶 石工件5的上表面進(jìn)行激光加工，又可以方便的進(jìn)行超聲波腐蝕。
[0031]所述藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液可以是HF、H3P04、H3P04和H2S04的混合溶液，也可以是其他腐蝕液，只要其可對藍(lán)寶石工件5進(jìn)行腐蝕，但不腐蝕容器3的材質(zhì)即可。
[0032](2)安裝激光加工頭，所述激光加工頭能夠切換輸出納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束；所述激光加工頭的一種實(shí)現(xiàn)方式為:包括兩個(gè)相對設(shè)置的納秒脈沖激光器8和皮秒脈沖激光器9，納秒脈沖激光器8和皮秒脈沖激光器9的輸出光路上設(shè)置有一可旋轉(zhuǎn)的45度反射鏡6，45度反射鏡6的下方設(shè)置有聚焦透鏡7，通過調(diào)整45度反射鏡6的位置，即可以控制是輸出納秒脈沖激光束，還是輸出皮秒脈沖激光束，即能夠切換輸出納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束。當(dāng)然激光加工頭也可以采用其他方式實(shí)現(xiàn)，只要其能夠切換輸出納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束即可。
[0033]所述納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束的波長均為1064nm ;其中，激光加工頭與藍(lán)寶石工件的相對方位應(yīng)使得激光加工頭輸出的納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束垂直入射到藍(lán)寶石工件表面，并聚焦在藍(lán)寶石工件表面上；
[0034](3)開啟納秒脈沖激光器，控制激光加工頭切換輸出納秒脈沖激光束，使納秒脈沖激光束與藍(lán)寶石工件發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，按照待加工軌跡(孔或槽等)控制納秒脈沖激光束在藍(lán)寶石工件表面進(jìn)行一次掃描運(yùn)動(dòng)，通過控制激光脈沖重復(fù)頻率、脈沖能量和掃描速度，使得納秒脈沖激光束掃描路徑上的藍(lán)寶石工件表面激光光斑照射區(qū)域升溫到接近藍(lán)寶石工件的熔點(diǎn)(比熔點(diǎn)低10~50攝氏度)，從而大幅提高該激光光斑照射區(qū)域的化學(xué)腐蝕速率。
[0035]其中，納秒激光工藝參數(shù)可以采用波長1064nm，脈沖寬度IOns~1000ns，重復(fù)頻率 IKHz ~300KHz，功率 IW ~300W，掃描速度 lmm/s ~300mm/s。[0036](4)關(guān)閉納秒脈沖激光器，使激光加工頭停止輸出納秒脈沖激光束；(5)開啟超聲波發(fā)生器，使得容器內(nèi)藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液的液面發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)的液面在超聲波驅(qū)動(dòng)下漫過并沖刷藍(lán)寶石工件表面，使得步驟(3)中藍(lán)寶石工件表面的激光光斑照射區(qū)域發(fā)生快速化學(xué)腐蝕，其表面形成一定的微觀粗糙結(jié)構(gòu)；
[0037](6)關(guān)閉超聲波發(fā)生器，等待藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液的液面平靜下來，即不再漫過或沖刷藍(lán)寶石工件表面；
[0038](7)開啟皮秒脈沖激光器，控制激光加工頭切換輸出皮秒脈沖激光束，并使皮秒脈沖激光束與藍(lán)寶石工件發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，皮秒脈沖激光束在藍(lán)寶石表面的聚焦光斑按照待加工孔、槽的加工軌跡進(jìn)行一次掃描運(yùn)動(dòng)，通過控制激光脈沖重復(fù)頻率、脈沖能量和掃描速度，使得皮秒脈沖激光束掃描路徑上的藍(lán)寶石工件表面激光光斑照射區(qū)域發(fā)生熔化和蒸發(fā)，其表面薄層材料得到快速去除。
[0039]其中，皮秒激光工藝參數(shù)可以采用:波長1064nm，脈沖寬度IOps~lOOps，重復(fù)頻率 IKHz ~500KHz，功率 IW ~300W，掃描速度 100mm/s ~1000mm/s。
[0040](8)關(guān)閉皮秒脈沖激光器，使激光加工頭停止輸出皮秒脈沖激光束；(9)重復(fù)步驟(3)-(8)，直至藍(lán)寶石工件表面的孔或槽深度滿足加工要求；
[0041](10)將容器內(nèi)的藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液更換為磨粒拋光液，液面超過藍(lán)寶石工件表面，將藍(lán)寶石工件完全浸沒；其中，磨粒拋光液采用常見的玻璃拋光液均可，常用的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨料系及軟磨料系等四類。
[0042](11)開啟超聲波發(fā)生器，通過調(diào)節(jié)超聲波功率、磨粒尺寸、拋光液pH值等參數(shù)，超聲波驅(qū)動(dòng)磨粒拋光液對藍(lán)寶石工件表面進(jìn)行超聲波磨料拋光，直到表面粗糙度滿足加工要求。
[0043]本發(fā)明可改變?yōu)槎喾N方式對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，這樣的改變不認(rèn)為脫離本發(fā)明的范圍。所有這樣的對所述領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的修改，將包括在本權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種雙激光束序列掃描精密加工藍(lán)寶石的方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)在工作臺(tái)上安裝超聲波發(fā)生器，并在超聲波發(fā)生器的上方固定安裝一具有凹型開口的容器，所述容器內(nèi)設(shè)有夾持裝置，將藍(lán)寶石工件通過夾持裝置固定在所述容器內(nèi)； 所述容器內(nèi)裝有藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液，藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液的液面高度與藍(lán)寶石工件的上表面平齊或低0.01mm~0.2mm ； (2)安裝激光加工頭，所述激光加工頭能夠切換輸出納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束；所述納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束的波長均為1064nm ;其中，激光加工頭與藍(lán)寶石工件的相對方位應(yīng)使得激光加工頭輸出的納秒脈沖激光束和皮秒脈沖激光束垂直入射到藍(lán)寶石工件表面，并聚焦在藍(lán)寶石工件表面上； (3)開啟納秒脈沖激光器，控制激光加工頭輸出納秒脈沖激光束，按照待加工軌跡控制納秒脈沖激光束在藍(lán)寶石工件表面進(jìn)行一次掃描運(yùn)動(dòng)，使得藍(lán)寶石工件表面的激光光斑照射區(qū)域溫度升高到比藍(lán)寶石工件的熔點(diǎn)低10~50攝氏度； (4)關(guān)閉納秒脈沖激光器，使激光加工頭停止輸出納秒脈沖激光束； (5)開啟超聲波發(fā)生器，使得容器內(nèi)藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液的液面發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)的液面在超聲波驅(qū)動(dòng)下漫過并沖刷藍(lán)寶石工件表面，使得步驟(3)中藍(lán)寶石工件表面的激光光斑照射區(qū)域發(fā)生化學(xué)腐蝕； (6)關(guān)閉超聲波發(fā)生器，等待藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液的液面平靜下來，即不再漫過或沖刷藍(lán)寶石工件表面； (7)開啟皮秒脈沖激光器，控制激光加工頭輸出皮秒脈沖激光束，按照待加工軌跡控制皮秒脈沖激光束在藍(lán)寶石工件表面進(jìn)行一次掃描運(yùn)動(dòng)，使得藍(lán)寶石工件表面的激光光斑照射區(qū)域發(fā)生熔化和蒸發(fā)，其表面薄層材料得到快速去除； (8)關(guān)閉皮秒脈沖激光器，使激光加工頭停止輸出皮秒脈沖激光束； (9)重復(fù)步驟(3)-(8)，直至藍(lán)寶石工件表面的孔或槽深度滿足加工要求； (10)將容器內(nèi)的藍(lán)寶石化學(xué)腐蝕液更換為磨粒拋光液，更換后的液面超過藍(lán)寶石工件表面，將藍(lán)寶石工件完全浸沒； (11)開啟超聲波發(fā)生器，超聲波驅(qū)動(dòng)磨粒拋光液對藍(lán)寶石工件表面進(jìn)行超聲波磨料拋光，直到表面粗糙度滿足加工要求。
【文檔編號】C30B33/10GK103952767SQ201410204028
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】鄭長和, 潘洪武 申請人:浙江嘉泰激光科技有限公司