專利名稱：使用激光對熱敏介電材料進行精拋光/精密結構化的方法
使用激光對熱敏介電材料進行精拋光/精密結構化的方法 本發明涉及一種使用激光對熱敏介電材料迸行精拋光/精密結構化的方法。
超精密技術包括對物體及其表面以宏觀尺寸對形狀和光滑度進行極其精 密加工的加工方法。表面被平整和成形得越精密，其光學性能就越好。為 此，就必須研究對各種不同材料的加工，因為光學可用波長的光譜相當寬。 除了能夠生產更為光滑平整和成形更為精確的用于可見光范圍的透鏡外，還
越來越多地要求用于紅外線-乃至紫外線和X光領域的鏡組。為此必須通過
把常規的和全新制造工藝相結合，提高拋光技術的完美化水平。
除了傳統的機械方法，目前基本上公開了兩種利用輻射對材料拋光的方法。
一種是使用離子束對介電材料做精拋光的方法，另一種則是使用co2-
激光方法。再有就是近來出現了一種用YAG-激光進行金屬拋光的方法。
這兩種激光方法都需要短時間地熔化表面，以將不平整部位處理光滑平 整，達到拋光效果。其間，表面的能量密度必須選擇得只出現顯微小峰值的 瑢化和氣化，而不會產生破壞結構的處理。例如對于光導纖維的末端使用 CCV激光進行加工以傳播更高的激光功率，應用光學雜志第39巻33， 20 期，2000年11月，第6136-6143頁對此已有說明。使用YAG-激光對外形復 雜的金屬材料進行拋光(參見DGM AKTUELL雜志2001年3月第12期"激 光拋光金屬"和/或DE 102 28 743 Al)，對此先前大部分需要通過手工操作。 這兩種激光工藝由于它們的熔化過程都不適合對溫度敏感的材料，像微晶玻 璃(Zerodur)。在這些材料上，對表面的平整處理只能在溫度沒有顯著升高 的條件下才能進行。
所以對此類材料的精密拋光，目前只使用離子束。可是它的缺點是必須 要有一臺真空設備，需要處理的工件越大，設備的耗費也就越高。
本發明的目的在于提出一種使用激光輻射對熱敏介電材料，特別是對熱膨脹系數小的材料進行精拋光/精密結構化的方法。
上述目的根據本發明通過一種方法得以解決。使用這種方法，將強超短
波激光照射到材料待加工的表面上，激光對材料表面的作用時間在io-13秒
至io-"秒范圍內，激光脈沖能量控制在電蝕極限以下，但是足可以調節庫
侖爆炸的發生。
采用按照本發明的方法，納米范圍內的材料去除量用超短波激光脈沖在 皮秒和亞皮秒時間范圍里就可以實現，其中在前電蝕工藝步驟過程中(去除 量在電蝕極限以下)，材料表面被精拋光。由于對待加工表面的激光輻射作
用時間極短，溫升很小，僅僅在幾個io度以內。所以，這種按照本發明的
方法也可以說成是一種冷加工方法。這種方法可在空氣中進行，意味著不再 需要耗費很大的真空設備，而且還可以根據樣品去除量實施在線聯機控制。 采用按照本發明的解決辦法，可以利用上面已經提到過的庫侖爆炸效應
(在物理學周報(Phys. Rev.) B 62 (2000) 13167-13173頁，物理學周報信函 (Phys. Rev. Letters ) 88 (2002 ) 097603;應用物理雜志A 79 (2004) 1153-1155頁里已經舉例說明)。利用這種效應，強超短波激光對材料表面的輻射 只會在接近表面的區域內剝蝕掉極其微少的材料(0,1到不多的幾個納米)。 其間，通過光化電離測定表面的電子，電子數目之多，致使接近表面區域中 殘留的離子處于相當高的靜電應力之下，從而造成這些離子分離。
為了調節到需要的能量密度，已經在一種實施方式中把激光向待加工表 面的輻射流通量調整在極限流通量的70%和95%之間。將待加工的表面安置 在激光光束的焦點之前，就可以做到這點。
在另外一種實施形式下，利用激光束對待加工表面用進行掃描。由于根 據本發明的工藝是在空氣中操作的，所以這通過公知的手段就可以相對簡單 地實施。
下面，結合附圖來詳細說明一個實施例。


圖1:本發明實施例原理示意圖
圖2:經過按照本發明的方法加工后的表面
實施例中，微晶玻璃(Zerodur)的表面已經用本發明的方法加工。在此 過程中，激光束借助一個透鏡在試樣方向聚焦，其中如圖1中所示，試樣表
面處于焦點前。試樣表面的位置要選擇得讓激光流通量F達到極限流通量 的約70%至95%。不可以在焦點后定位，因為很高的激光強度可能使得 等離子體在空氣中在焦點區域被擊穿，致使破壞光束的輪廓，造成能量損 耗。此外，在激光束里還裝上了一個矩形光闌，以盡量模擬出一種禮帽 (Tophat-)輪廓。雖然試樣內部(干擾部位)也出現了變形，但是太深，對試 樣表面不起作用。由于掃描方法的剝蝕量就其與成像法相比所達到的粗糙度 要小，從而被證實是一種更有希望的工藝方法，因此才選中這種禮帽 (Tophat-)輪廓。在這個實施例中，試樣表面用激光束做條帶狀照射， 一條緊 挨著一條。在采用超短波激光原始輪廓(高斯輪廓)的情況下，條帶重疊因 試樣表面的粗糙度而不夠充分，所以也采用了這種模擬的禮帽(Tophat-)輪 廓。
這種類型的禮帽(Tophat-)輪廓也可以通過一個可控衍射光學元件 (DOE)制造出來，說得更確切些，使用這種DOE，同樣可以在待加工表 面上制做出一個理想的禮帽(Tophal-)輪廓。
曾經使用過一種商業上通用的波長800納米脈沖寬度50飛秒的加強 TlSa-系統做為激光系統。至今沒有進行過波長變動的嘗試，只考慮起始輻射 的第二諧波(大約400納米)的波長為可用波長，因為采用這種波長才能有 足夠的能量供使用。
圖2顯示了一條使用本發明的方法在剝蝕極限以下用運行速度0,1mm/s 電蝕制造出來的寬條帶。這里，流通量F為大約80%的極限流動量，就是 說，1,6 J/cm2即為材料剝蝕最理想的流通量值。試樣距一個50 mm-透鏡的焦 點為3,9mm。每次脈沖的激光能量在矩形光闌后為0，9 mJ，激光的重復脈沖 頻率為700Hz。這就意味著，在按照本發明的方法中，大約有500次脈沖沖 擊到試樣差不多同一部位上。共并排拉了 20條線，相互之間的間距Az = 70^m。附圖顯示出一種對稱均勻的剝蝕狀況，看不出一道道的線條。當然 還可以并排設置更多條的直線。其結果就是在試樣整個面上的電蝕。按照本 發明的方法加工的表面的粗糙度為mis-粗糙度=1 ±0,15 nm。
權利要求
1、使用激光對熱敏介電材料進行精拋光/精密結構化的方法，其特征在于將強超短波激光照射到材料待加工的表面上，激光對材料表面的作用時間在10-13秒至10-11秒范圍內，激光脈沖能量控制在電蝕極限以下，但是足可以調節庫侖爆炸的發生。
2、 如權利要求1所述的方法，其特征在于待加工表面上激光輻射的流通量應調節在電蝕極限的70%和95%之間。
3、 如權利要求2所述的方法，其特征在于待加工的表面置放于激光 束焦點的前面。
4、 如權利要求1所述的方法，其特征在于用激光束對待加工表面進 行掃描。
5、 如權利要求4所述的方法，其特征在于向待加工表面發射的激光束的外形，應調整成一種禮帽(Tophat-)輪廓。
全文摘要
本發明涉及一種對熱敏介電材料特別是熱膨脹系數小的介電材料使用激光輻射進行精拋光/精密結構化的方法。使用這種方法，將強超短波激光照射到材料待加工的表面上，激光對材料表面的作用時間在10^-13秒至10^-11秒范圍內，激光脈沖能量控制在燒蝕極限以下，但是足可以調節庫侖爆炸的發生。采用按照本發明的方法，材料在納米范圍內的去除量利用超短波激光脈沖在皮秒和亞皮秒時間范圍中就可以完成，其間，在精密燒蝕工藝步驟(去除量在燒蝕極限以下)，材料表面即被精拋光。由于對等待加工表面的激光輻射作用時間極短，溫升很小，僅在十幾度左右。
文檔編號B23K26/06GK101198433SQ200680013349
公開日2008年6月11日 申請日期2006年3月21日 優先權日2005年4月22日
發明者盧茨·埃倫特勞特, 因戈爾夫·赫特爾, 阿爾卡季·羅森費爾德 申請人:柏林聯合研究院