[发明专利]高真空磁控溅射界面辅助提高玻璃焊接强度的方法

说明书

本发明公开的一种高真空磁控溅射界面辅助提高玻璃焊接强度的方法，焊接质量稳定、焊缝形貌好、焊接成品率高。本发明通过下述技术方案实现：在高重频超快激光器的前端设置45°倾斜面的全反射镜，按45°倾斜分布镜像对称的八字俯视全反射镜组成反向U形光路；超短脉冲光束通过全反射镜传递到反向U形光路末端45°俯视全反射镜，传递到光阑，通过光阑调节光斑大小，经透镜聚焦到固定在电控三维运动平台定位夹具上的两叠合待焊玻璃片的交界面处，激光光束穿过装夹在上待焊玻璃叠合玻璃片与下待焊玻璃叠合玻璃片的金属膜，将产生的峰锥光丝通过预定的二维扫描轨迹，在金属膜扫描轨迹焦点界面上产生非线性吸收效应的熔池，冷却后形成致密的焊缝。

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，涉及一种利用特种激光束作为热源的局部热加工工艺，通过高真空磁控溅射在玻璃表面沉积纳米厚度薄膜以提高焊接强度的激光焊接系统。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)、新型传感器、航空航天等领域的发展，这些领域时常需要将玻璃材质的构件连接在一起，例如在新型传感器领域，将光纤端盖和光纤端面连接到一起可以起到增强组件损伤阈值以及保护、密封等作用，此外还能减少菲涅耳反射、密封微结构光纤中产生的超连续谱的空气孔，避免它们由于氢氧基在玻璃内部扩散进一步降解；在备制微流控芯片时，对于复杂的三维微流体通道，则可以在每片玻璃中刻蚀微型沟槽，之后将多片玻璃连接到一起以形成三维通道结构，此时需要将多片玻璃连接到一起。这些领域对玻璃连接的要求越来越严苛，对玻璃之间高强度、高可靠性的连接需求迫在眉睫，因此玻璃之间高强度的连接是一个亟待解决的问题。

目前，常用的玻璃连接方法有胶粘剂连接、光学贴合连接、阳极键合等。胶粘剂粘接一般是利用有机或无机胶粘剂的固化反应过程实现物体之间结合作用的技术。粘接技术操作过程相对简单，连接效率高、适用材料范围广泛，但是存在容易老化、易光漂白、释放有毒有害气体污染周围环境等缺点，难以在高温、高负载等严苛的条件下使用。阳极键合是指将抛光的玻璃和半导体等紧密贴合在一起，在300摄氏度至500摄氏度下通入200至2000伏特的直流电，等到电流稳定后再缓慢冷却至室温即可完成连接。阳极键合因其键合界面牢固、长期稳定性好等优点在微流体领域和微机电制造等得到了广泛应用，但其需要两键合材料的热胀系数相近，否则难以成功连接。

伴随激光技术的飞速发展，激光被广泛应用于焊接各种材料。玻璃作为一种透明易碎的脆性材料，传统激光光源不能轻易被其所吸收，而且吸热的玻璃由于不同部位的热膨胀程度不同，焊接时容易破裂，故难以用传统的激光焊接方式加工。目前激光焊接玻璃等透明材料主要有两种方法。一种是在焊接界面添加中间吸收层，中间吸收层吸收激光能量温度升高，之后通过热传导的方式将能量传至材料，材料融化后再凝固实现透明材料的连接。这种方法会在焊缝处产生大量的气孔影响焊接强度，此外该方法会产生较大的热影响区不适用于玻璃的精确连接。另一种方法是采用特种焊接光源进行焊接，高功率密度激光通过非线性吸收效应与透明材料之间发生作用从而形成有效焊点，越来越多的科研工作者和工程师将目光转向了特种光源的激光焊接加工应用。用特种激光焊接加工是利用高功率密度的激光束，经过光学系统聚焦后，其激光焦点的功率密度约10⁴～10⁷W/cm²，加工工件置于激光焦点附近进行加热熔化，熔化现象能否产生和产生的强弱程度主要取决于激光作用材料的时间和激光参数。近年来，利用特种光源相继实现了同种类型的玻璃、玻璃及单晶硅之间的焊接。美国PolaOnyx公司使用特种激光单线/多线扫描，实现了玻璃焊接及密封。Hélie等使用特种激光将100μm厚的玻璃端盖微焊接到微结构光纤上，成功为标准光纤和微结构光纤焊接端盖。Tamaki等在研究中使用波长为1558nm的激光成功实现了异种玻璃之间、玻璃与硅片之间的焊接，分别获得了9.87MPa和3.74MPa的焊接强度。