透明材料纳米孔加工方法和加工装置与流程

1.本发明属于材料加工技术领域，涉及一种透明材料纳米孔加工方法和加工装置。


背景技术：

2.超短贝塞尔光脉冲，是将超短激光脉冲和光束空间整形(零阶贝塞尔光束)相结合，它既保留了超短脉冲在微加工中面向材料广泛、超高加工精度(超衍射极限)、极好加工质量(低热影响)以及阈值高确定性等特有优势，同时又拥有贝塞尔光束的无衍射(长焦深)、传输稳健(自恢复)等优点。已有的研究结果表明：超短贝塞尔光脉冲激光在透明材料加工中具有以下的特点：(1)在材料表面加工上，由于非线性效应和阈值效应，激光将只对焦点区域的材料产生超衍射烧蚀去除作用，可获得清洁的加工表面；(2)在材料体内的加工上，通过调节压缩器使光脉冲产生啁啾(chirp)来调控激光脉冲宽度，进而确保超短脉冲贝塞尔光束在材料内部的非线性稳定传输，并在不同激光参数下对透明材料内部的任意区域进行折射率或密度调控，实现超衍射极限的纳米孔结构加工；(3)纳米孔的形成经历了材料的等离子态激发，高温熔融态，稀疏结构(气穴)产生，流体力学和分子动力学的退火过程，最终生成纳米孔结构的具体物理特征与初始激励能量和边界条件密切有关。
3.虽然现有的超短贝塞尔光脉冲激光能实现透明材料上纳米孔的加工，但是现有的激光钻孔存在以下问题：加工环境是空气，使得聚焦激光束的瑞丽长度缩短，制约纳米孔深度的提高，此外，不利于激光诱导热熔透明材料(玻璃介质)的喷射，影响纳米孔壁表面光滑度，制约纳米孔加工质量的提升。


技术实现要素：

4.为了解决现有纳米孔加工存在的技术问题，本发明提供一种透明材料纳米孔的加工方法和加工装置，装置结构简单，能增加聚焦激光束的瑞丽长度，有利于激光焦点区域的透明材料喷射，加工的通孔更深，孔壁更光滑，提高纳米孔的质量。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种透明材料纳米孔加工装置，包括壳体以及从下自上依次设置在壳体内的第一支撑件、第二支撑件和玻璃盖；待加工样品置于第一支撑件和第二支撑件之间并分别与第一支撑件和第二支撑件接触。
7.进一步的，所述第一支撑件为台阶，所述台阶为两个；两个台阶均置于壳体内底面上，两个台阶关于壳体中轴线对称设置，待加工样品架在两个台阶上。
8.进一步的，所述第一支撑件为夹持槽，所述夹持槽为两个，两个夹持槽对应设置在壳体两个相对侧壁上，待加工样品卡入两个夹持槽之间。
9.进一步的，所述第二支撑件为垫片，垫片为两个，所述两个垫片均置于待加工样品和玻璃盖之间。
10.一种基于透明材料纳米孔加工装置的加工方法，包括以下步骤：
11.1)将权利要求4所述的加工装置固定在电控位移工作台上；
12.2)向加工装置内加入浸没液，直至待加工样品完全浸在浸没液中；
13.3)在浸没液中，利用激光在待加工样品上加工出纳米孔。
14.进一步的，所述步骤2)中，浸没液的液面高度高于玻璃盖的下表面高度，低于玻璃盖的上表面高度。
15.进一步的，所述浸没液为水、石蜡、油、折射率匹配液或水凝胶。
16.进一步的，所述步骤3)中，浸没液为水时，激光将水电离形成等离子体，激光能量再通过等离子体转移到水中，水发生气化形成气泡，在待加工样品上形成真空，激光焦点区域的透明材料不断喷射，加工形成纳米孔。
17.进一步的，所述激光的光源为脉冲光源；所述脉冲光源的脉宽量级为纳秒、皮秒、飞秒或阿秒。
18.进一步的，所述激光的光束为高斯型、贝塞尔光束、径向偏振光束或涡旋光束。
19.本发明的有益效果是：
20.1、本发明与传统的激光钻孔相比，将待加工样品浸没在液体，如水、石蜡、油等透明液体之中，由于浸没介质的折射率大于空气，且聚焦激光束的瑞利长度(焦长)与浸没介质的折射率成正比，增加了聚焦激光束的瑞丽长度；更重要的是，浸没液体(水)的激光电离阈值一般低于玻璃介质，从超快激光纳米孔加工动力学过程看，浸没液体(水)首先电离形成等离子体，激光能量通过等离子体转移到水，导致水气化，形成气泡，在透明材料表明形成真空，有利于激光焦点区域的透明材料喷射，使得浸没在液体中加工的纳米孔更深，孔壁更光滑。
21.2、本发明中，玻璃盖的上表面必须低于液面高度，且玻璃盖的下表面必须高于液面的高度，确保玻璃盖的下表面与液体紧密接触，能避免样品运动或者环境振动产生的浸没液面涟漪，保证激光光束指向性变化和激光束腰能按照规律的变化，提高纳米孔的加工质量。
22.3、本发明中，通过在待加工样品的上下表面分别设置支撑件，在保证待加工样品的上下表面均与浸没接触的同时，待加工样品表面远离壳体的底部和玻璃盖的底部，避免激光对壳体和玻璃盖造成损伤，保证加工装置的为稳定性。
附图说明
23.图1为本发明提供的加工装置示意图；
24.图2为本发明提供的纳米孔加工位置示意图；
25.图3为加工纳米孔正面入口直径的sem示意图；
26.图4为加工纳米孔底面出口直径的sem示意图；
27.其中：
28.1—壳体；2—浸没液；3—台阶；4—玻璃盖；5—垫片；6—待加工样品；7—气泡；8—纳米孔。
具体实施方式
29.现结合附图以及实施例对本发明做详细的说明。
30.实施例1
31.参见图1，本实施例提供的透明材料纳米孔加工装置，包括壳体1以及从下自上依次设置在壳体1内的第一支撑件、第二支撑件和玻璃盖4；待加工样品6置于第一支撑件和第二支撑件之间并分别与第一支撑件和第二支撑件接触。
32.本实施例中，壳体1为玻璃材料制成，且顶部开口。
33.本实施例中，第一支撑件为台阶3，台阶3为两个；两个台阶3均置于壳体1内底面上，两个台阶3关于壳体1中轴线对称设置，待加工样品6架在两个台阶3上。
34.实施时，两个台阶3置于壳体1内底面上并分别与壳体1的两个对称内壁对应接触，待加工样品6架在两个台阶3上，且保证待加工的纳米孔8的位置不能与台阶3相接触，待加工样品6与两个台阶3形成t形结构。台阶3为正方体结构，台阶3的底面与壳体1内底面接触，台阶3的一个侧壁与壳体1侧壁接触，这样接触面大，当待加工样品6架在台阶3上表面上时，待加工样品6稳定，不易发生掉落。
35.本实施例中，第二支撑件为垫片5，垫片5为两个，两个垫片5均置于待加工样品和玻璃盖4之间。
36.本实施例中，台阶3和垫片5的设置，使得待加工样品6的上表面、下表面均能与浸没液2接触，加工样品6的下表面与壳体1的底部之间有距离，待加工样品6的上表面和玻璃盖4的底部之间有距离，没有直接接触，这样能避免激光对壳体1的底部和玻璃盖4的底部造成损伤，保证装置的稳固。
37.实施例2
38.与实施例1不同的是，本实施例提供的第一支撑件为夹持槽，夹持槽为两个，两个夹持槽对应设置在壳体1的两个相对侧壁上，待加工样品卡入两个夹持槽之间。
39.实施时，加持槽为c形槽，设两个c形槽分别设置在壳体1左右两个侧壁上，且槽口相对，待加工样品6置于壳体1内时，待加工样品6的侧壁卡入槽口内，待加工样品6的底部与壳体1内底面不接触。
40.进一步的，本实施例中为了保证待加工样品6的稳定性，在每个加持槽上设置紧固件件，紧固件选择销钉、螺栓等实现固定的配件，增加待加工样品6的稳固，防止加工纳米孔8时时待加工样品6在激光钻孔时从加持槽滑落。
41.实施例3
42.参见图2，本实施例提供的透明材料纳米孔加工方法，包括以下步骤：
43.1)将加工装置固定在电控位移工作台上；
44.2)向加工装置内加入浸没液2，直至待加工样品完全浸在浸没液2中；
45.3)在浸没液2中，利用激光在待加工样品上加工出纳米孔8。
46.本实施例步骤1)中，纳米孔加工过程中，壳体1固定在电控位移台上，通过电控位移台实现纳米孔的定位、纳米孔阵列的加工、或者差补实现微小孔的加工。
47.本实施例步骤2)中，浸没液2的液面高度高于玻璃盖4的下表面高度，低于玻璃盖4的上表面高度，这是因为玻璃盖4的功能是避免样品运动或者环境振动产生的浸没液面涟漪，液面涟漪会导致激光光束指向性变化和激光束腰无规律的变化，因此当浸没液2液面高度位于玻璃盖4的上表面和玻璃盖4的下表面之间时，能确保玻璃盖4的下表面与液体紧密接触，不产生涟漪，使得激光光束指向性变化和激光束腰规律的变化，保证纳米孔8的加工质量。
48.本实施例中，浸没液2为透明液体，便于激光的穿透，具体的，从水、石蜡、油、折射率匹配液或水凝胶中选择，优选的，本实施例浸没液2为水。
49.本实施例中，待加工样品6为透明材料，具体的为玻璃。激光的光源为脉冲光源，脉冲光源的脉宽量级为纳秒、皮秒、飞秒或阿秒；激光的光束为高斯型、贝塞尔光束、径向偏振光束或涡旋光束。
50.本实施例中，步骤3)中，浸没液2为水时，激光将水电离形成等离子体，激光能量再通过等离子体转移到水中，水发生气化形成气泡7，在待加工样品6上形成真空，激光焦点区域的透明材料不断喷射，加工形成纳米孔8。
51.下面以具体的实施例说明本实施例提供的加工方法。
52.利用实施例1提供的加工装置，利用激光波长1030nm、脉冲宽度1.5ps、脉冲能量20微焦的贝塞尔光束在厚度1mm的待加工样品6(石英玻璃)上加工纳米孔8。
53.加工时，将待加工样品6置于台阶3和垫片5之间，垫片5上面防止玻璃盖4，向壳体1内注入浸没液2(蒸馏水)，利用激光在石英玻璃上加工出纳米孔8，并纳米孔的正面入口和反面出口分别进行sem扫描试验，结果如图3和图4所示。
54.由图3和图4可知，通过扫描电子显微镜测量分析可以看出，纳米孔8贯穿了厚度为1.00mm石英玻璃基板，石英玻璃板上表面孔入口直径193nm，石英玻璃板底面孔出口直径230nm，按照公式深径比＝孔深
÷
孔直径计算，纳米孔的深径比≥4347：1。
55.上述实施例中，只列出了第一支撑件为台阶3或加持槽两种较优实施方式，但是不限于此。第一支撑件还可以采用支撑板或是其他能实现待加工样品6支撑固定的方式，从而使得待加工样品6下表面与壳体1底面之间有间距，避免加工纳米孔8时损伤壳体1，同时保证待加工样品6下表面与浸没液接触。
56.上述实施例中，只列出了第二支撑件为垫片5这一种较优实施方式，但是不限于此。第二支撑件还可以采用支撑柱等其他实现支撑玻璃盖4的方式，从而使得待加工样品6上表面与玻璃盖4下表面有间距，避免加工纳米孔8时损伤玻璃盖4，同时保证待加工样品6上表面与浸没液接触。
57.本实施例提供的加工装置和加工方法，能增加聚焦激光束的瑞丽长度，有利于激光焦点区域的透明材料喷射，加工的纳米孔更深，孔壁更光滑，提高纳米孔的质量。