光敏玻璃紫外脈沖激光微加工理論與技術(shù)的研究.pdf

1、隨著MEMS和微流控芯片技術(shù)的快速發(fā)展，光敏玻璃憑借其特有的優(yōu)點(diǎn)，在微器件領(lǐng)域開始得到廣泛應(yīng)用。本論文即針對(duì)光敏玻璃的形狀精密加工需求，自主設(shè)計(jì)完成了一套紫外波長(zhǎng)的納秒脈沖激光精密加工系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)FOTURAN光敏玻璃的微結(jié)構(gòu)加工。
　　 本文主要完成的工作如下：
　　 1.以電子和晶格中的能量傳遞理論為基礎(chǔ)，分析了納秒脈沖激光和固體材料的作用機(jī)理。在激光脈沖寬度為納秒條件下，簡(jiǎn)化了電子和晶格相互獨(dú)立的雙溫模

2、型，得到納秒脈沖激光作用于材料的熱傳導(dǎo)方程。通過(guò)理論分析，證實(shí)了納秒脈沖激光加工中，熱效應(yīng)是存在的。
　　 2.論文選用FOTURAN光敏玻璃為加工材料。其內(nèi)部摻雜了Ag+和Ce3+，使其不同于普通玻璃，具有了金屬材料的部分特性。從激光和透明材料、金屬材料的作用機(jī)理出發(fā)，初步分析了FOTURAN玻璃在光照過(guò)程中的反應(yīng)，并結(jié)合后續(xù)的處理流程，全面分析了FOTURAN玻璃整個(gè)加工流程的作用機(jī)理。
　　 3.根據(jù)FOTURAN

3、玻璃的光學(xué)特性和激光作用機(jī)理，自主設(shè)計(jì)和搭建了激光精密加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括激光器、光路系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、上位機(jī)圖形平臺(tái)和控制系統(tǒng)。其中激光器選擇355nm波長(zhǎng)的紫外光源，結(jié)合光路系統(tǒng)和“龍門式”機(jī)械結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了整個(gè)微加工系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。圖形化的上位機(jī)軟件平臺(tái)，可滿足加工圖形的可視化編輯和圖形文件的解析。并且按照由里到外尋找最短路徑的方法，以直線段為單位對(duì)圖形進(jìn)行了加工路徑的優(yōu)化。先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理芯片和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的配合使用，實(shí)現(xiàn)了二

4、維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精密聯(lián)動(dòng)控制，使得整個(gè)系統(tǒng)完全滿足FOTURAN玻璃的精密加工需求。
　　 4.以表面粗糙度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在每道工序后用原子力顯微鏡對(duì)FOTURAN玻璃表面進(jìn)行表征，根據(jù)測(cè)量結(jié)果完善了典型光敏玻璃的加工工藝流程，創(chuàng)新性地提出了四步工藝流程：光照-加熱-腐蝕-再加熱，最終樣品再經(jīng)過(guò)10分鐘去離子水的超聲振蕩后即可呈現(xiàn)較好的加工效果。
　　 5.利用搭建好的紫外納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)對(duì)FOTURAN玻璃進(jìn)行了微加工

5、實(shí)驗(yàn)，制作了淺坑、垂直深坑、微通道等基本結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中探索了腐蝕液濃度、腐蝕時(shí)間、激光能量、運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)對(duì)加工深度和線寬的影響。
　　 6.基于激光能量與加工結(jié)果的關(guān)系，提出了同心圓的加工軌跡結(jié)合變激光能量的方法，在FOTURAN玻璃表面進(jìn)行了可控形狀的加工，實(shí)現(xiàn)了平底和碗形底面的圓形微結(jié)構(gòu)，并且進(jìn)一步探索了通過(guò)加工速度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同曲形底面的微結(jié)構(gòu)加工的可行性。此外，通過(guò)和上位機(jī)圖形軟件的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了較為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的加工。