[发明专利]一种高效的硬脆材料的三维微加工方法

说明书

本发明公开了一种基于硬脆材料表面的高效的三维可设计结构的制备方法，属于激光微纳加工技术领域，本发明的方法先通过激光对晶体材料预去除体积的轮廓进行改性扫描，在后续的腐蚀过程中，预去除的体积会随之脱落，留下的部分即为设计的结构。由于本发明使用的激光功率近似于阈值功率，大大的减小了激光加工时对材料的破坏程度，减小了制备完器件的粗糙度。本发明采用的飞秒激光壳层扫描策略，不同于传统的飞秒激光体扫描，该策略将扫描时间减低了一百倍，增加了加工效率。该方法明显降低了激光扫描时应力的积累，减小了裂纹产生的概率。扫描后的样品经过简单的湿法刻蚀，壳层内部的区域会从样品上脱落，得到表面光滑、三维可设计的微光学元件。

技术领域

本发明属于激光微纳加工技术领域，具体涉及湿法刻蚀辅助的飞秒激光直写技术实现介质材料表面三维微纳结构的制备，利用紧聚焦飞秒激光对硬质材料预去除部分的轮廓进行改性，随后经过湿法刻蚀处理，以实现硬脆材料表面真三维结构的高效稳定加工。

背景技术

随着光电子技术的快速蓬勃发展,以及当今光电一体化、协同化的发展趋势,对光学系统及其光学器件提出了微型化,阵列化与集成化的应用要求。目前光学元件大多为宏观尺寸，不再满足未来光电子芯片高集成度的应用需求。微光学元件具有质量小、重量轻、易于集成等特点，已然成为制造微光电芯片的至关重要的单元。

目前现有的主流加工方法大多只能实现材料表面的二维浮雕型器件，三维可设计微纳器件的制备一直是一个难点。飞秒激光双光子聚合技术被认为是一种针对聚合物材料的有前景的三维微纳器件的加工技术。但在实际应用中，聚合物材料的机械性能低、易被酸碱腐蚀，不适于苛刻环境的应用。玻璃、晶体等硬质透明材料具有高硬度、耐高温、耐酸碱腐蚀、宽光谱高透过率等特点，是制备微纳光学器件的理想材料。然而，飞秒激光传统体扫描技术为待去除体积全区域的逐点扫描技术，加工效率低，扫描时间过长，不利于工业化生产。同时全区域扫描会造成大量的应力积累，导致不必要的裂纹产生。所以，上述所提到的方法都不适用于硬质材料三维微光学器件的制备。基于上述问题，研究一种硬质材料三维微光学元件的高效制备方法已经迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种基于硬脆材料表面的高效的三维可设计结构的制备方法，即飞秒激光矢量减材法。在激光减材加工中，以激光对晶体材料的待去除体积的外部轮廓区域(即壳层)进行改性扫描，来替代对整个待去除体积进行完整体扫描的传统扫描方式；在后续的腐蚀过程中，待去除体积会随之整体脱落，整块材料上留下的部分即为目标结构。由于本发明使用的激光功率近似于阈值功率，大大的减小了激光加工时对材料的破坏程度，进而明显的减小了制备完器件的粗糙度。本发明采用的飞秒激光壳层扫描策略，不同于传统的飞秒激光体扫描，该策略将扫描时间减低了一百倍，大大的增加了加工效率。同时该方法明显降低了激光扫描时应力的积累，进而减小了裂纹产生的概率。扫描后的样品经过简单的湿法刻蚀，壳层内部的区域会从样品上脱落，得到表面光滑、三维可设计的微光学元件。

本发明通过如下技术方案实现：

一种高效的硬脆材料的三维微加工方法，具体步骤如下：

步骤一：待加工样品制备；

首先将待加工样片放置于丙酮中超声清洗1h后取出，依次经过乙醇和去离子水冲洗并吹干，样品制备完成；

步骤二：飞秒激光内部三维改性；

首先，将样品固定在三维加工平台上，平台由三维手动平台、二维振镜电控平台(X,Y轴)和一维压电位移平台(z轴)组成；随后，利用样品表面划线扫描的方法确认光斑位置，将飞秒激光聚焦在样品上表面处，然后将预先设计好的加工文件读入加工程序，加工文件由matlab软件编写，采用逐点、逐层扫描的方法进行直写加工；扫描的方式为自下而上的壳层扫描，以确保已扫描的部分不会影响后续扫描时激光的光场；

步骤三：样品刻蚀；