一種基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法，屬于激光應用領域。所述方法包括：1)將過渡金屬離子或稀土離子摻入待加工玻璃中，離子摻雜的濃度達到使待加工玻璃的吸收光譜發(fā)生改變并形成吸收峰，得到顏色玻璃；2)測量第1)步得到的顏色玻璃的吸收光譜，將該吸收光譜中吸收峰的波長作為共振吸收波長；3)采用飛秒激光工藝對所述顏色玻璃的表面或內部進行加工，其中采用的飛秒激光的波長等于共振吸收波長。本發(fā)明的方法與傳統(tǒng)的飛秒激光加工方法相比，能夠實現對材料的高效率和波長選擇性加工。
【專利說明】一種基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及激光應用領域，尤其涉及一種基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法。

【背景技術】
[0002]在微納制造領域，飛秒激光擁有非常高的能量密度和超短的脈沖寬度，可以完全電離幾乎所有材料，非常適合加工透明的玻璃材料。然而受到光子吸收效率的限制，飛秒激光加工效率很低，并不適合應用于工業(yè)領域。共振吸收可以有效地提高光子的吸收效率，當激光光子能量h V等于被加工材料的電子躍迀能級差時，會發(fā)生共振吸收效應，此時材料對激光的吸收效率會有數倍提高。在文獻H.P.Liu, S.H.Yin, J.Y.Zhang, L.Wang, B.Jiang, and N.Q.Lou:Phys.Rev.A 74,053418(2006)中，作者實現了超快激光光電子能譜中的共振增強多光子電離，氨分子同時吸收兩個265nm的光子從下態(tài)共振躍迀到中間態(tài)后，再吸收一個401nm的光子產生電離。但是，對于玻璃這種寬禁帶材料，在激光波長的調諧范圍內，并不存在可以調控的中間能級，實現對光子的共振吸收。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決飛秒激光工藝在對玻璃材料進行加工時，存在加工效率低的問題，而提供一種基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現:
[0005]本發(fā)明的一種基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法，所述方法包括以下步驟:
[0006]I)將過渡金屬離子或稀土離子摻入待加工玻璃中，離子摻雜的濃度達到使待加工玻璃的吸收光譜發(fā)生改變并形成吸收峰，得到顏色玻璃；
[0007]2)測量第I)步得到的顏色玻璃的吸收光譜，將該吸收光譜中吸收峰的波長作為共振吸收波長；
[0008]3)采用飛秒激光工藝對所述顏色玻璃的表面或內部進行加工，其中采用的飛秒激光的波長等于共振吸收波長。
[0009]所述加工方法中，第I)步的離子摻入方法優(yōu)選為高溫熔融法。
[0010]所述加工方法中，第2)步的中測量顏色玻璃的吸收光譜方法采用紫外-可見-近紅外光譜儀在室溫下測量。
[0011]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明通過向玻璃中摻入過渡金屬離子或稀土離子，選擇性地在能帶結構中添加中間能級，從而改變材料的光學吸收特性和對應的顏色，使其對特定能量光子產生共振吸收。與傳統(tǒng)的飛秒激光加工方法相比，能夠實現對材料的高效率和波長選擇性加工。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明實施例所述的摻雜玻璃和未摻雜玻璃的吸收光譜，以及吸收峰對應的電子躍迀能級。

【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的內容作進一步說明。
[0014]所有實例中采用的飛秒激光器為美國光譜物理(spectrum physics)公司生產，激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復頻率lkHZ，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。所有實例中采用的光學參量放大器為立陶宛LightConvert1n公司生產的TOPAS-C，可以使波長800nm激光脈沖在波長290_2600nm范圍內連續(xù)可調；
[0015]實施例1:
[0016]以采用本發(fā)明的基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法，向玻璃中摻入Co2+離子并在材料表面打孔為例，
[0017]具體加工步驟如下:
[0018](I)將過渡金屬離子Co2+摻入玻璃中。在本實施例中使用高溫熔融法將金屬離子以氧化物CoO的形式摻入玻璃基質中，摻雜濃度為3.0mass %。玻璃基質的成分為70Si02-20Na20-10Ca0 (mass % )，屬于硅酸鹽玻璃；
[0019](2)使用紫外-可見-近紅外光譜儀在室溫下測量Co2+摻雜玻璃的吸收光譜，如圖1所示。Co2+摻雜玻璃在波長600nm存在吸收峰，此為共振吸收波長，對應的Co2+的電子躍迀能級為12至4T1;
[0020](3)使用光學參量放大器調節(jié)，使飛秒激光輸出波長為600nm。
[0021](4)將材料固定在移動平臺上，聚焦上述激光于材料的表面進行加工。入射激光脈沖個數為50時，材料的燒蝕閾值為1.47J/cm2;當脈沖能量密度為3.78J/cm 2時，燒蝕深度為 0.79 μπι。
[0022]實施例2:
[0023]以采用傳統(tǒng)的飛秒激光加工的方法，在未摻雜玻璃表面打孔為例，具體加工步驟如下:
[0024]其它步驟與實施例1相同，不同之處在于:不經過步驟(I) (2)中的摻雜過程，所使用的樣品為未摻雜玻璃，玻璃的成分為70Si02-20Na20-10Ca0(mass% )，屬于硅酸鹽玻璃。入射激光脈沖個數為50時，材料的燒蝕閾值為2.33J/cm2;當脈沖能量密度為3.78J/cm 2時，燒蝕深度為0.43 μ mo
[0025]實施例3:
[0026]以采用本發(fā)明的基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法，向玻璃中摻入Cu2+離子并在材料表面打孔為例，具體加工步驟如下:
[0027](I)將過渡金屬離子Cu2+摻入玻璃中。在本實施例中使用高溫熔融法將金屬離子以氧化物CuO的形式摻入玻璃基質中，摻雜濃度為2.0mass %。玻璃基質的成分為70Si02-20Na20-10Ca0 (mass % )，屬于硅酸鹽玻璃；
[0028](2)使用紫外-可見-近紅外光譜儀在室溫下測量Cu2+摻雜玻璃的吸收光譜，如圖1所示。Cu2+摻雜玻璃在波長SOOnm存在吸收峰，此為共振吸收波長，對應的Cu2+的電子躍迀能級為2E至2T2;
[0029](3)使用光學參量放大器調節(jié)飛秒激光波長為800nm。
[0030](4)將材料固定在移動平臺上，聚焦激光于材料的表面進行加工。入射激光脈沖個數為50時，材料的燒蝕閾值為2.13J/cm2;當脈沖能量密度為3.78J/cm2時，燒蝕深度為
0.51 μ m0
[0031]實施例4:
[0032]以采用傳統(tǒng)的飛秒激光加工的方法，在未摻雜玻璃表面打孔為例，具體加工步驟如下:
[0033]其它步驟與實施例3相同，不同之處在于:不經過步驟(I) (2)中的摻雜過程，所使用的樣品為未摻雜玻璃，玻璃的成分為70Si02-20Na20-10Ca0(mass% )，屬于硅酸鹽玻璃。入射激光脈沖個數為50時，材料的燒蝕閾值為2.98J/cm2;當脈沖能量密度為3.78J/cm 2時，燒蝕深度為0.22 μ mo
[0034]由實施例1-4比較可見:
[0035](I)向玻璃中摻入Co2+離子后，在共振吸收波長600nm處，材料的燒蝕閾值下降了36.8%，燒蝕深度提高了 81.5%。
[0036](2)向玻璃中摻入Cu2+離子后，在共振吸收波長SOOnm處，材料的燒蝕閾值下降了28.4%，燒蝕深度提高了 128.9%。
[0037](3)材料的燒蝕閾值隨著離子摻雜濃度升高而下降，由此導致更高的加工效率。
[0038]本發(fā)明不局限于上述最佳實施方式，任何人在本發(fā)明的啟示下都可得出其他各種形式的產品，但不論其在形狀或結構上作任何變化，凡是具有與本申請相同或相近似的技術方案，均落在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: 1)將過渡金屬離子或稀土離子摻入待加工玻璃中，離子摻雜的濃度達到使待加工玻璃的吸收光譜發(fā)生改變并形成吸收峰，得到顏色玻璃； 2)測量第I)步得到的顏色玻璃的吸收光譜，將該吸收光譜中吸收峰的波長作為共振吸收波長； 3)采用飛秒激光工藝對所述顏色玻璃的表面或內部進行加工，其中采用的飛秒激光的波長等于共振吸收波長。
2.根據權利要求1所述的基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法，其特征在于:所述加工方法中，第I)步的離子摻入方法為高溫熔融法。
3.根據權利要求1所述的基于離子著色的飛秒激光加工玻璃的方法，其特征在于:所述加工方法中，第2)步的中測量顏色玻璃的吸收光譜方法采用紫外-可見-近紅外光譜儀在室溫下測量。
【文檔編號】C03C4/02GK104475982SQ201410586823
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權日:2014年10月28日
【發(fā)明者】姜瀾, 房巨強, 曹強, 王青松, 余彥武 申請人:北京理工大學