[发明专利]磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于材料微加工领域，尤其是一种磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法和装置。

背景技术

由于激光具有强度高、亮度大、波长频率稳定，单色性好、相干性好、相干长度长及方向性好等优异性能，使其在工业加工领域中得到了广泛的应用。

进行激光加工时，一旦激光入射到被加工试样表面，其表面会吸收和反射激光，这种吸收和反射主要取决于试样表面的光学性质。试样表面吸收激光能量，使其表面温度上升，从而能够改变试样表面组织的结构和性能，甚至造成不可逆转的破坏作用。这一现象已在激光加工中，如切割、淬火、焊接、辐射以及靶材表面处理等方面，得到广泛的应用。试样在激光作用下，其表面物质迅速吸收激光能量，使得表面温度上升至汽化温度，从而出现汽化。试样表面蒸汽继续吸收激光能量，使其温度进一步升高，导致蒸汽分子电离，从而形成等离子体。等离子体自身对入射激光存在很强的吸收作用，其吸收后续激光能量并对外膨胀，高温高压等离子体在膨胀的过程中会发光并形成激光等离子体冲击波。

另外，在液体环境中，等离子体在对外膨胀过程中还将产生空泡现象。即：激光与液体相互作用发生光学击穿时，不仅产生激光等离子体和其膨胀冲击波，同时还产生特有的物理现象：空化。通常，在液体中，当局部压力低于该温度下的饱和蒸汽压或液体中局部温度高于常压下饱和蒸汽温度都会产生空化现象。液体中因某种扰动而出现空腔的现象称为空穴。球形空穴称之为空泡，由激光击穿液体产生的空泡就叫做激光空泡。

玻璃是一种常见的绝缘透明材料，由于其硬度高、脆性大，对其实现微小尺度的加工一直都具有很大的难度。玻璃对于可见光、近红外波段具有较高的透过率，使用脉冲激光器对玻璃进行刻蚀加工时，对于波长为1064纳米激光，当辐照能量较低时，由于玻璃的高透过率，激光会透过玻璃，很难在玻璃表面产生刻蚀效果；随着激光能量的逐步提高，在玻璃表面有等离子体形成，等离子体吸收激光能量形成等离子体冲击波，作用于玻璃表面，实现对玻璃的刻蚀。因此，在一般条件下，要想实现激光对玻璃的刻蚀加工，需要使用功率较高的激光器。但是高功率激光器成本高，操作复杂，并且高功率激光器使用时会产生大量的热，容易造成玻璃的热裂缺陷，制约了其加工应用。

发明内容

本发明的目的是为克服上述难题，提出了一种磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法，使用磁粉作为吸收层来吸收激光能量，使得能量主要集中辐照在溶液/材料界面上，从而击穿溶液产生等离子体，形成冲击应力和空化应力，作用在绝缘透明材料表面，实现材料去除。还提供了一种磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的装置。

磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)绝缘透明材料加工工件由夹具固定并置于工作腔内，所述工作腔内装有能够浸没工件的液体，液体中悬浮有磁粉；工件下方设有由夹具固定的电磁装置；

(2)电磁装置通电，悬浮在碱性溶液中的磁粉在电磁装置的磁场作用下被吸附在工件表面；

(3)脉冲激光聚焦辐照于绝缘透明材料表面，吸附在工件表面的磁粉作为吸收层吸收激光能量，使得激光能量主要集中在液体/工件界面上；激光焦点处的能量超过溶液的击穿阈值时，击穿液体，产生高温高压等离子体并对外膨胀，将磁粉冲开，形成直接作用于绝缘透明材料表面的冲击应力和空化应力，造成冲击空化效果，带动磁粉颗粒撞击工件，并使工件上激光照射的局部区域快速升温；当脉冲激光进入脉冲间歇时，工件在液体的对流传热作用下快速冷却，由于热胀冷缩作用，工件在很小的范围内产生应力集中，由此表面出现微小裂纹，同时磁粉颗粒在磁场作用下又吸附到工件表面；在脉冲激光的反复冲击空化效应作用及超声振动的热力复合作用下，工件表面不断产生微小裂纹、并扩展，实现工件表面材料的微量剥落，从而实现去除加工。

优选地，工作腔内装的液体为对所述绝缘透明材料具有腐蚀作用的腐蚀性溶液。

优选地，所述方法还包括以下步骤：

(5)工件与电磁装置一同移动，同时保持脉冲激光的聚焦光斑位置不变，实现对绝缘透明材料工件的二维或三维去除加工。

优选地，所述磁粉的粒径小于1μm。

优选地，所述脉冲激光的波长为1064纳米、脉冲宽度为10纳秒、频率10-100Hz、能量为1焦耳、激光的光斑模式为基模或多模。