本申請涉及激光微納加工領(lǐng)域，尤其是涉及一種飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法。

背景技術(shù)：

1、金剛石因其高楊氏模量、高熱導(dǎo)率和極低的熱膨脹系數(shù)，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱、電及力學特性。在超高精度加工工具、微機電系統(tǒng)(mems)及其組件、堅固的光柵、惰性且環(huán)境穩(wěn)定的醫(yī)療涂層以及適用于惡劣環(huán)境的電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于金剛石的極高硬度、脆性及化學穩(wěn)定性，加工過程尤為困難。傳統(tǒng)加工方法，如研磨和磨削、電火花加工、磨料水射流加工等，在處理這種超硬材料時效率低下，耗時且費力。

2、激光加工作為一種非接觸加工方式，已被證明是金剛石加工的有效手段之一。其中，納秒激光進行金剛石鉆孔、切割等工藝已相對成熟。然而，在光學和電子器件等精細應(yīng)用中，納秒激光因其熱影響區(qū)域較大和熱損傷問題難以進一步推廣。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于上述相關(guān)技術(shù)的不足，本申請?zhí)峁┮环N飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法。本申請通過控制激光波長、激光能量密度和加工次數(shù)對金剛石樣品表面加工圖案結(jié)構(gòu)，得到溝槽寬度在1-4μm且邊緣形貌規(guī)整，無裂紋和熔融殘渣的圖案結(jié)構(gòu)，提高了激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的精度。

2、本申請?zhí)峁┑囊环N飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法采用如下的技術(shù)方案：

3、一種飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：采用飛秒激光加工系統(tǒng)控制激光的波長和激光能量密度并將激光聚焦于樣品表面，激光加工出溝槽結(jié)構(gòu)，在樣品表面得到圖案結(jié)構(gòu)；所述波長為513-1026nm，所述激光能量密度為1-15j/cm2。

4、優(yōu)選地，所述激光能量密度為1-11j/cm2。

5、優(yōu)選地，所述波長為513nm，所述激光能量密度為1-11j/cm2。

6、優(yōu)選地，所述波長為513nm，所述激光加工溝槽的加工次數(shù)為1-10。

7、優(yōu)選地，所述激光能量密度為5.5j/cm2時，加工次數(shù)為1-10，所述激光能量密度大于5.5j/cm2時，加工次數(shù)為1-3。

8、優(yōu)選地，所述激光能量密度為2.868j/cm2時，加工次數(shù)為1-10。

9、優(yōu)選地，所述激光能量密度為6.020j/cm2時，加工次數(shù)為1-3。

10、優(yōu)選地，所述控制激光的波長和激光能量密度包括收集加工參數(shù)、與之對應(yīng)圖案結(jié)構(gòu)的形貌和與之對應(yīng)的圖案結(jié)構(gòu)的拉曼光譜的表征結(jié)果，建立加工參數(shù)和圖案結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)加工需求從數(shù)據(jù)庫中選取對應(yīng)的激光的波長和激光能量密度。

11、優(yōu)選地，所述圖案結(jié)構(gòu)的拉曼光譜的表征結(jié)果包括圖案結(jié)構(gòu)的特征峰和半高寬。

12、優(yōu)選地，所述激光加工的加工速度為0.2-0.4mm/s。

13、優(yōu)選地，所述樣品為高溫高壓合成的ⅱa型單晶金剛石，其(001)晶面經(jīng)過拋光處理，表面粗糙度小于1nm，尺寸為3mm×3mm×0.3mm。

14、一種飛秒激光加工系統(tǒng)，包括用于發(fā)生激光的飛秒激光器、用于調(diào)節(jié)激光波長的諧波再生器、用于控制激光能量密度的二維能量衰減器、用于放置金剛石樣品的電動載物臺和用于將激光聚焦在電動載物臺上的聚焦物鏡。

15、優(yōu)選地，所述飛秒激光器發(fā)生的激光的波長為1026nm，重復(fù)頻率為200khz，輸出功率為200mw脈寬為190fs。

16、綜上所述，本申請包括以下至少一種有益技術(shù)效果：

17、1.本申請通過控制激光波長對金剛石樣品表面加工圖案結(jié)構(gòu)，降低了金剛石表面圖案結(jié)構(gòu)的溝槽寬度，得到溝槽寬度在1-4μm且邊緣形貌規(guī)整，無裂紋和熔融殘渣的圖案結(jié)構(gòu)，提高了激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的精度。

18、2.本申請通過控制激光能量密度對金剛石樣品表面加工圖案結(jié)構(gòu)，改善了金剛石表面圖案結(jié)構(gòu)的溝槽的形貌，得到溝槽寬度在1-4μm且邊緣形貌規(guī)整，無裂紋和熔融殘渣的圖案結(jié)構(gòu)，提高了激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的精度；

19、3.本申請通過飛秒激光加工系統(tǒng)對激光的波長和激光能量密度進行調(diào)控，并通過固定掃描速度下，控制單位時間內(nèi)的飛秒激光脈沖數(shù)量，以確保單個脈沖之間的時間間隔相等，從而調(diào)節(jié)光斑之間的重疊率，提高了激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的精度和效率。

技術(shù)特征：

1.一種飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于：包括以下步驟：采用飛秒激光加工系統(tǒng)控制激光的波長和激光能量密度并將激光聚焦于樣品表面，激光加工出溝槽結(jié)構(gòu)，在樣品表面得到圖案結(jié)構(gòu)；所述波長為513-1026nm，所述激光能量密度為1-15j/cm2。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于：所述激光能量密度為1-11j/cm2。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于：所述波長為513nm，所述激光加工溝槽的加工次數(shù)為1-10。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于：所述激光能量密度不大于5.5j/cm2時，加工次數(shù)為1-10，所述激光能量密度大于5.5j/cm2時，加工次數(shù)為1-3。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于：所述控制激光的波長和激光能量密度包括收集加工參數(shù)、與之對應(yīng)圖案結(jié)構(gòu)的形貌和與之對應(yīng)的圖案結(jié)構(gòu)的拉曼光譜的表征結(jié)果，建立加工參數(shù)和圖案結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)加工需求從數(shù)據(jù)庫中選取對應(yīng)的激光的波長和激光能量密度。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于：所述圖案結(jié)構(gòu)的拉曼光譜的表征結(jié)果包括圖案結(jié)構(gòu)的特征峰和半高寬。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于：所述激光加工的加工速度為0.2-0.4mm/s。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于：所述樣品為高溫高壓合成的ⅱa型單晶金剛石，其(001)晶面經(jīng)過拋光處理，表面粗糙度小于1nm，尺寸為3mm×3mm×0.3mm。

9.一種如權(quán)利要求1-8任一項所述的飛秒激光加工系統(tǒng)，其特征在于：包括用于發(fā)生激光的飛秒激光器、用于調(diào)節(jié)激光波長的諧波再生器、用于控制激光能量密度的二維能量衰減器、用于放置金剛石樣品的電動載物臺和用于將激光聚焦在電動載物臺上的聚焦物鏡。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種飛秒激光加工系統(tǒng)，其特征在于：所述飛秒激光器發(fā)生的激光的波長為1026nm，重復(fù)頻率為200khz，輸出功率為200mw脈寬為190fs。

技術(shù)總結(jié)
本申請公開了一種飛秒激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的方法，涉及激光微納加工領(lǐng)域，包括以下步驟：采用飛秒激光加工系統(tǒng)控制激光的波長和激光能量密度并將激光聚焦于樣品表面，激光加工出溝槽結(jié)構(gòu)，在樣品表面得到圖案結(jié)構(gòu)；所述波長為513?1026nm，所述激光能量密度為1?15J/cm<supgt;2</supgt;。本申請通過控制激光波長、激光能量密度和加工次數(shù)對金剛石樣品表面加工圖案結(jié)構(gòu)，得到溝槽寬度在1?4μm且邊緣形貌規(guī)整，無裂紋和熔融殘渣的圖案結(jié)構(gòu)，提高了激光加工金剛石圖案結(jié)構(gòu)的精度。

技術(shù)研發(fā)人員：曹強,鄒俊杰
受保護的技術(shù)使用者：武漢大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6