[发明专利]一种双激光束序列扫描精密加工蓝宝石的方法

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种纳秒与皮秒双激光束序列扫描精密加工蓝宝石的方法。

背景技术

人造蓝宝石的化学成分为氧化铝(Al2O3)，是α-Al203单晶体，俗称刚玉晶体。蓝宝石晶体硬度仅次于金刚石，具有优异的光学性能、机械性能、电学性能和化学稳定性。蓝宝石化学惰性好、熔点高、抗电磁干扰，可工作于恶劣环境；强度高，蓝宝石元件可以做的更薄，促进光学系统的小型化和轻量化，相比塑料、树脂、玻璃等透明材料有不可比拟的优势，因此在军事国防、航空航天及民用等众多领域有广泛应用。发展高效率、高精密、低成本的蓝宝石加工技术，对推进生命科学、生化分析、医疗检测、光子通讯和生物传感等众多领域的应用有着重要意义。

对于高亮度LED、手机显示盖板等应用场合所采用的蓝宝石，以往的主流加工方法是使用金刚石划片机等进行掰片。但是，随着市场的扩大，对提高生产率、成品合格率提出了更高的要求，加之激光加工的迅速普及，激光加工在蓝宝石加工中逐渐成为主流工艺。

现有的蓝宝石激光精密加工，一般采用高功率超快激光(皮秒激光、飞秒激光)直接加工，即逐层烧蚀或切割加工的方式，高脉冲能量的激光束聚焦在蓝宝石表面，通过材料的熔化、气化等方式得以去除，从而获得孔、槽、切割边等精细结构。实验研究发现：蓝宝石加工质量和效率与激光波长、激光脉宽、重复频率、扫描速度以及材料表面状况等有关。特别是蓝宝石材料表面粗糙度对吸收率有重要影响，粗糙的表面与镜面相比，粗糙的表面吸收率大、激光加工效率更高。而日本理化所(RIKEN)、美国伦斯勒理工学院等研究机构的实验研究发现，对蓝宝石、玻璃工件进行适当热处理，高温作用将使蓝宝石外表面产生斑点，可以大幅提高热处理区的腐蚀速率，蓝宝石相变区和未相变区化学腐蚀速率比可达到10000:1。

然而，现有的超快激光直接刻蚀加工方法具有以下不足：一是加工精度不够高，加工部位难以达到光学元件表面粗糙度要求，从而导致了其不能作为高精密度光学器件使用；二是效率低，对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飞秒激光器才可用于工业加工用途，从而推高了设备成本、限制了蓝宝石的产品推广。

发明内容

针对以上不足，本发明通过将纳秒与皮秒脉冲激光束复合，辅以超声波化学腐蚀和超声波磨粒抛光处理，实现了蓝宝石表面的超精密加工，相比现有领域技术方法，其加工精度更高、加工效率更高、设备和工艺成本更低。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种双激光束序列扫描精密加工蓝宝石的方法，包括如下步骤：

(1)在工作台上安装超声波发生器，并在超声波发生器的上方固定安装一具有凹型开口的容器，所述容器内设有夹持装置，将蓝宝石工件通过夹持装置固定在所述容器内；

所述容器内装有蓝宝石化学腐蚀液，蓝宝石化学腐蚀液的液面高度与蓝宝石工件的上表面平齐或低0.01mm～0.2mm；

(2)安装激光加工头，所述激光加工头能够切换输出纳秒脉冲激光束和皮秒脉冲激光束；所述纳秒脉冲激光束和皮秒脉冲激光束的波长均为1064nm；其中，激光加工头与蓝宝石工件的相对方位应使得激光加工头输出的纳秒脉冲激光束和皮秒脉冲激光束垂直入射到蓝宝石工件表面，并聚焦在蓝宝石工件表面上；

(3)开启纳秒脉冲激光器，控制激光加工头输出纳秒脉冲激光束，按照待加工轨迹控制纳秒脉冲激光束在蓝宝石工件表面进行一次扫描运动，使得蓝宝石工件表面的激光光斑照射区域温度升高到比蓝宝石工件的熔点低10～50摄氏度；

(4)关闭纳秒脉冲激光器，使激光加工头停止输出纳秒脉冲激光束；

(5)开启超声波发生器，使得容器内蓝宝石化学腐蚀液的液面发生波动，波动的液面在超声波驱动下漫过并冲刷蓝宝石工件表面，使得步骤(3)中蓝宝石工件表面的激光光斑照射区域发生化学腐蚀；

(6)关闭超声波发生器，等待蓝宝石化学腐蚀液的液面平静下来，即不再漫过或冲刷蓝宝石工件表面；

(7)开启皮秒脉冲激光器，控制激光加工头输出皮秒脉冲激光束，按照待加工轨迹控制皮秒脉冲激光束在蓝宝石工件表面进行一次扫描运动，使得蓝宝石工件表面的激光光斑照射区域发生熔化和蒸发，其表面薄层材料得到快速去除；

(8)关闭皮秒脉冲激光器，使激光加工头停止输出皮秒脉冲激光束；

(9)重复步骤(3)-(8)，直至蓝宝石工件表面的孔或槽深度满足加工要求；

(10)将容器内的蓝宝石化学腐蚀液更换为磨粒抛光液，更换后的液面超过蓝宝石工件表面，将蓝宝石工件完全浸没；