[发明专利]一种热辅助的飞秒激光加工方法

说明书

本发明提供了一种热辅助飞秒激光加工的方法，属于光学技术领域。该方法利用温控系统对材料预热，精确控制材料的温度，随后将聚焦后的飞秒激光作用于预热的材料，进而高效的加工样品。本发明属于实时在位热辅助方式。在飞秒激光烧蚀材料的同时，温度可调的均匀预热样品材料，从而使材料在高于常温的条件下被加工，更加有利于飞秒激光烧蚀样品。该方法对金属、半导体和绝缘体均有效，经过上述方法加工之后的样品均匀性好，低功率密度的飞秒激光仍然可以高效加工材料，使在样品表面烧蚀出的微孔具有更大的深度。该方法在激光制造领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种飞秒激光高效加工材料表面微孔结构的方法。

背景技术

利用聚焦后的高能量密度激光束飞秒激光与传统的长脉冲激光比较而言，其脉冲持续时间极短，峰值功率极高，热效应小可实现冷加工，广泛的应用于各种材料如金属，半导体和绝缘体的加工中。其激光脉冲经物镜聚焦在微小区域内可以获得极高的功率密度，与材料作用时表现出强烈的非线性现象，通过雪崩电离和光致电离过程可以在极短的时间内将能量沉积在材料聚焦的区域，产生局部等离子体膨胀，导致材料的有效折射率改变，实现材料的改性或是去除。但通常飞秒激光在加工材料表面微孔结构时，受限于表面等离子屏蔽作用，加工出的微孔深度不大。若需要加工较深的微孔，则需要提高入射激光的能量。但较高的激光能量会导致样品表面喷溅物增多，这样不利于均匀微孔结构的加工。因此，本发明为解决传统的飞秒激光加工方法经常会出现加工区域的不均匀，且烧蚀效率不高，加工较大尺寸的微孔结构往往需要较大的激光能量，这一技术难题。提出采用温控系统对样品材料进行预热，使其内部体积膨胀，材料密度下降，从而有效降低激光烧蚀阈值。另外预热还可以有效增加晶格声子的振动，捕获光子的能力变强。这样能够在较小的激光能量下同样可以加工出较深的微孔结构。该飞秒激光热辅助加工方法可以广泛应用到微制造加工领域中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够高效加工材料表面微孔结构的飞秒激光制造方法。

本发明的具体步骤如下。

1、将加热板固定在三维平台上，然后在加热板上放置样品。

2、利用温控系统控制加热板表面的温度，进而控制样品表面的温度。实现对样品的预热处理。

3、通过飞秒激光加工系统中的衰减片调节入射激光能量，利用光闸控制入射激光的脉冲数。实现固定激光能量和脉冲数对样品表面微孔结构的加工。

4、利用温控系统控制不同温度的预热环境，配合三维平台是移动，最终实现不同深度的微孔结构高效加工。

本发明利用温控系统实现了被加工材料的不同温度下的预热处理，具有降低材料加工阈值的特性。利用外界温度的升高，使材料内部的声子剧烈振动，进而更加有利于捕获入射光子。加剧了激光与材料的相互作用，使表面微孔结构的深度在相同激光参数条件下进一步加深，促进飞秒激光的高效加工。

本发明的基本原理如下。

加热板对样品起到预热处理的作用。随着加热板温度的升高，样品的内部不断地热膨胀，导致样品的密度不断下降。而样品的激光加工阈值与其密度密切相关。密度的下降直接导致加工阈值的降低。这样就能更好的节约入射激光能量实现微孔结构的加工。另一方面，随着外界温度的升高，样品晶格声子的能量也会增加，表现为内部声子的振动更加剧烈。剧烈振动的声子可以更多的捕获入射光子，实现声子与光子的相互作用。这样就使聚焦后的飞秒激光能够更多的去除材料，实现深孔结构的加工。不仅如此，飞秒激光加工表面微结构还存在等离子屏蔽现象。在飞秒激光与材料的相互作用时，样品表面会产生表面等离子体。这种等离子体能够阻止激光能量进入材料内部，所以加工深孔结构是飞秒激光的一大难题。但本发明可以有效提高声子捕获光子的能力，从而更多的激光能量进入样品内部，实现相同激光参数条件下，样品表面深孔结构加工。