本發(fā)明涉及一種超快激光同時(shí)實(shí)現(xiàn)3塊及以上玻璃封裝（焊接）及內(nèi)部加工的方法。

背景技術(shù)：

玻璃由于其在電子、機(jī)械、化學(xué)，尤其是光學(xué)方面的優(yōu)異性能，使得玻璃封裝及內(nèi)部加工被廣泛的應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)及日常生活。超快激光由于其高精度、高速度和對(duì)材料加工熱變形小已成為玻璃加工的一種優(yōu)越及首選加工方法。超快激光玻璃焊接和內(nèi)部加工在制造超精密機(jī)械、電子、電子機(jī)械、醫(yī)療、微流體和光電子設(shè)備，及傳感器、小型人造衛(wèi)星方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外超快激光對(duì)玻璃的焊接技術(shù)只針對(duì)2塊玻璃進(jìn)行了研究，且不能同時(shí)進(jìn)行玻璃內(nèi)部加工，需分多步完成，效率低且加工誤差大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述研究中存在的不足，本發(fā)明提供了一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)3塊及以上玻璃封裝與內(nèi)部加工的方法，極大地提高加工精度及效率。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：將超快激光焦點(diǎn)聚焦在第2塊或中間塊玻璃的中間或界面處，在鏡面接觸和非鏡面接觸兩種機(jī)理下，對(duì)3塊及以上玻璃同時(shí)進(jìn)行焊接和內(nèi)部加工。

一方面，超快激光聚焦在玻璃內(nèi)部可以依據(jù)加工路線加工出局部永久的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及通道，此方法可以在玻璃內(nèi)部用來(lái)三維制造光子器件和內(nèi)部通道（微流體通道及醫(yī)用培養(yǎng)皿等）；另一方面，在內(nèi)部加工的同時(shí)可以焊接3塊及以上玻璃，此方法用于微光子系統(tǒng)集成等玻璃元器件的組裝技術(shù)。與普通的玻璃界面直接焊接不同，本發(fā)明焊接機(jī)理是基于玻璃的內(nèi)部改性和熱傳遞，使得界面處玻璃局部熔化凝固而實(shí)現(xiàn)焊接。

本發(fā)明提供了一種可靠的機(jī)理和有效的方法在玻璃中一次性三維制造微光子設(shè)備和集成微系統(tǒng)的方法。玻璃內(nèi)部微加工和玻璃組裝同時(shí)進(jìn)行。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的玻璃超快激光加工實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖。

圖2是本發(fā)明超快激光加工線路圖，激光線路可以依據(jù)內(nèi)部加工通道需要改變，本發(fā)明實(shí)例只是其中1種情況。

圖3是加工3塊玻璃激光焦點(diǎn)位置示意圖。當(dāng)超快激光聚焦在第2塊玻璃的中間時(shí)，一次實(shí)現(xiàn)玻璃鏡面焊接及內(nèi)部加工(a)和非鏡面焊接及內(nèi)部加工(b)圖。

圖4是加工5塊玻璃鏡面接觸時(shí)激光焦點(diǎn)位置示意圖。焦點(diǎn)位置可以放置在12界面1處/13第3塊玻璃中間處/14界面2處;非鏡面接觸同樣適用。

圖中，1是pharos超快激光系統(tǒng)，2是衰減器，3是反射鏡1，4是反射鏡2，

5是反射鏡3，6是光闌，7是物鏡，8是玻璃1，9是玻璃2，10是玻璃3，11是三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（型號(hào):zolixtsmt-4），12是界面1（第2塊玻璃與第3塊玻璃交界面）,13是第3塊玻璃中間處，14是界面2（第3塊玻璃與第4塊玻璃交界面）。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1為超快激光加工（焊接和內(nèi)部加工同時(shí)完成）玻璃實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖。pharos飛秒脈沖激光系統(tǒng)1由yb:kgw振蕩器和再生式放大器組成。實(shí)例設(shè)定脈寬為1000fs，頻率變化范圍為200-600khz,波長(zhǎng)為1030nm，平均功率為8w。光束通過(guò)一個(gè)放大倍數(shù)為20倍，數(shù)值孔徑為0.4的物鏡聚焦在第2塊玻璃中間，聚焦后的光斑直徑為6μm。激光焦點(diǎn)位置不變，通過(guò)型號(hào)為zolixtsmt-4三維電動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)加工動(dòng)作。

圖2為激光內(nèi)部加工和焊接線路圖。通過(guò)三維電動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)不同的加工線路。實(shí)例中激光焦點(diǎn)相對(duì)于玻璃以2mm/s的速度沿著x軸及y軸移動(dòng)。加工線路始于“s”點(diǎn)，結(jié)束于“e”點(diǎn)。內(nèi)部通道和焊接區(qū)域可以通過(guò)改變“barnumbers”、“bardistance”、“matrixnumbers”和“matrixdistance”來(lái)調(diào)節(jié)。實(shí)例中其對(duì)應(yīng)值分別設(shè)置為“2”、“1000μm”、“3”和“2000μm”。在特定的應(yīng)用領(lǐng)域，不同的內(nèi)部加工和焊接要求不同的加工線路，加工線路可以依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合改變。

圖3是以3塊玻璃為例，當(dāng)激光聚焦在第2塊玻璃的中間處時(shí)，一次實(shí)現(xiàn)玻璃鏡面焊接及內(nèi)部加工(a)和非鏡面焊接及內(nèi)部加工(b)圖。邊長(zhǎng)為30mm、厚度為1mm的商用方形石英玻璃(jgs2)為實(shí)例所采用樣品。樣品加工前被拋光，平整度和粗糙度分別達(dá)到120nm和2nm。圖3(a)中鏡面接觸通過(guò)使用兩塊強(qiáng)磁鐵（具有3500高斯磁場(chǎng)強(qiáng)度的釹鐵硼）和一塊鐵板實(shí)現(xiàn)?？梢酝ㄟ^(guò)觀察光干涉條紋（牛頓環(huán)）來(lái)確定是否達(dá)到鏡面接觸（衡量標(biāo)準(zhǔn)為小于λ/4,λ為波長(zhǎng)）。非鏡面接觸如圖3(b)所示，3塊玻璃自然放置，不施加任何壓力。圖3中激光聚焦在第2塊玻璃的中間，焦點(diǎn)大約低于第1個(gè)界面（玻璃1與玻璃2接觸面）500μm；高于第2個(gè)界面（玻璃2與玻璃3接觸面）500μm。由于焦點(diǎn)直徑遠(yuǎn)小于500μm，激光不能入射到任意界面，因此，3塊及以上玻璃焊接機(jī)理完全不同于常規(guī)超快激光玻璃焊接。前者是基于玻璃的內(nèi)部加工和熱傳遞過(guò)程；而后者是基于界面焊接。

超快激光由于加工玻璃的非線性吸收性可以使得玻璃在焦點(diǎn)處及附近局部熔化和改性。如果采用高重頻超快激光，連續(xù)脈沖則可能產(chǎn)生熱量累積效應(yīng)。由超快激光聚焦在玻璃內(nèi)部引起的非線性吸收（多光子電離和隧道電離）很大程度上取決于激光強(qiáng)度。當(dāng)激光強(qiáng)度大于臨界值時(shí)（臨界值由脈寬和玻璃的特性決定），發(fā)生非線性吸收。當(dāng)具有足夠大的脈沖能量時(shí)，激光強(qiáng)度超過(guò)臨界值，非線性吸收發(fā)生，且加工區(qū)域被限制在焦點(diǎn)及附近區(qū)域。

本發(fā)明實(shí)例所述可以用來(lái)在第2塊玻璃內(nèi)部實(shí)現(xiàn)改性及微結(jié)構(gòu)制造。在焊接過(guò)程中，熱量從第2塊玻璃同時(shí)連續(xù)向上和向下傳遞，因此在界面處產(chǎn)生了熔池，熔池填滿界面，冷卻后凝固，焊接成功。因此，玻璃的內(nèi)部加工和焊接在極短時(shí)間內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要方法及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，大于3塊玻璃時(shí)焦點(diǎn)位置可以依據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)3塊及以上玻璃封裝與內(nèi)部加工的方法，以3塊玻璃加工為例，通過(guò)超快激光聚焦在第2塊玻璃正中間，使得3塊玻璃焊接與內(nèi)部加工一步完成。與普通玻璃界面焊接機(jī)理不同，本發(fā)明焊接機(jī)理是基于玻璃內(nèi)部改性。一方面超快激光聚焦在第2塊玻璃內(nèi)部產(chǎn)生局部永久結(jié)構(gòu)變化，可以用來(lái)在玻璃內(nèi)部制造微光子器件及微流體通道；另一方面，由于界面的局部熔化和凝固可以同時(shí)成功焊接3塊玻璃，實(shí)現(xiàn)微光子系統(tǒng)集成等玻璃器件的微組合。本發(fā)明首次提出了超過(guò)兩塊玻璃的焊接及同時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部加工的方法，實(shí)現(xiàn)了高效率、高精度加工。

技術(shù)研發(fā)人員：譚華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖南理工學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.05
技術(shù)公布日：2017.07.07