CN104475982A - 一种基于离子着色的飞秒激光加工玻璃的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于离子着色的飞秒激光加工玻璃的方法，属于激光应用领域。所述方法包括：1)将过渡金属离子或稀土离子掺入待加工玻璃中，离子掺杂的浓度达到使待加工玻璃的吸收光谱发生改变并形成吸收峰，得到颜色玻璃；2)测量第1)步得到的颜色玻璃的吸收光谱，将该吸收光谱中吸收峰的波长作为共振吸收波长；3)采用飞秒激光工艺对所述颜色玻璃的表面或内部进行加工，其中采用的飞秒激光的波长等于共振吸收波长。本发明的方法与传统的飞秒激光加工方法相比，能够实现对材料的高效率和波长选择性加工。
Description
技术领域
本发明涉及激光应用领域，尤其涉及一种基于离子着色的飞秒激光加工玻璃的方法。
背景技术
在微纳制造领域，飞秒激光拥有非常高的能量密度和超短的脉冲宽度，可以完全电离几乎所有材料，非常适合加工透明的玻璃材料。然而受到光子吸收效率的限制，飞秒激光加工效率很低，并不适合应用于工业领域。共振吸收可以有效地提高光子的吸收效率，当激光光子能量hν等于被加工材料的电子跃迁能级差时，会发生共振吸收效应，此时材料对激光的吸收效率会有数倍提高。在文献H.P.Liu,S.H.Yin,J.Y.Zhang,L.Wang,B.Jiang,and N.Q.Lou:Phys.Rev.A 74,053418(2006)中，作者实现了超快激光光电子能谱中的共振增强多光子电离，氨分子同时吸收两个265nm的光子从下态共振跃迁到中间态后，再吸收一个401nm的光子产生电离。但是，对于玻璃这种宽禁带材料，在激光波长的调谐范围内，并不存在可以调控的中间能级，实现对光子的共振吸收。
发明内容
本发明的目的是为了解决飞秒激光工艺在对玻璃材料进行加工时，存在加工效率低的问题，而提供一种基于离子着色的飞秒激光加工玻璃的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
本发明的一种基于离子着色的飞秒激光加工玻璃的方法，所述方法包括以下步骤：
1)将过渡金属离子或稀土离子掺入待加工玻璃中，离子掺杂的浓度达到使待加工玻璃的吸收光谱发生改变并形成吸收峰，得到颜色玻璃；
2)测量第1)步得到的颜色玻璃的吸收光谱，将该吸收光谱中吸收峰的波长作为共振吸收波长；
3)采用飞秒激光工艺对所述颜色玻璃的表面或内部进行加工，其中采用的飞秒激光的波长等于共振吸收波长。
所述加工方法中，第1)步的离子掺入方法优选为高温熔融法。
所述加工方法中，第2)步的中测量颜色玻璃的吸收光谱方法采用紫外-可见-近红外光谱仪在室温下测量。
本发明的有益效果为：本发明通过向玻璃中掺入过渡金属离子或稀土离子，选择性地在能带结构中添加中间能级，从而改变材料的光学吸收特性和对应的颜色，使其对特定能量光子产生共振吸收。与传统的飞秒激光加工方法相比，能够实现对材料的高效率和波长选择性加工。
附图说明
图1是本发明实施例所述的掺杂玻璃和未掺杂玻璃的吸收光谱，以及吸收峰对应的电子跃迁能级。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明。
所有实例中采用的飞秒激光器为美国光谱物理(spectrum physics)公司生产，激光波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率1kHZ，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯型，线偏振。所有实例中采用的光学参量放大器为立陶宛LightConvertion公司生产的TOPAS-C，可以使波长800nm激光脉冲在波长290-2600nm范围内连续可调；
实施例1：
以采用本发明的基于离子着色的飞秒激光加工玻璃的方法，向玻璃中掺入Co2+离子并在材料表面打孔为例，
具体加工步骤如下：
(1)将过渡金属离子Co2+掺入玻璃中。在本实施例中使用高温熔融法将金属离子以氧化物CoO的形式掺入玻璃基质中，掺杂浓度为3.0mass％。玻璃基质的成分为70SiO2-20Na2O-10CaO(mass％)，属于硅酸盐玻璃；
(2)使用紫外-可见-近红外光谱仪在室温下测量Co2+掺杂玻璃的吸收光谱，如图1所示。Co2+掺杂玻璃在波长600nm存在吸收峰，此为共振吸收波长，对应的Co2+的电子跃迁能级为4A2至4T1；
(3)使用光学参量放大器调节，使飞秒激光输出波长为600nm。
(4)将材料固定在移动平台上，聚焦上述激光于材料的表面进行加工。入射激光脉冲个数为50时，材料的烧蚀阈值为1.47J/cm2；当脉冲能量密度为3.78J/cm2时，烧蚀深度为0.79μm。
实施例2：
以采用传统的飞秒激光加工的方法，在未掺杂玻璃表面打孔为例，具体加工步骤如下：
其它步骤与实施例1相同，不同之处在于：不经过步骤(1)(2)中的掺杂过程，所使用的样品为未掺杂玻璃，玻璃的成分为70SiO2-20Na2O-10CaO(mass％)，属于硅酸盐玻璃。入射激光脉冲个数为50时，材料的烧蚀阈值为2.33J/cm2；当脉冲能量密度为3.78J/cm2时，烧蚀深度为0.43μm。
实施例3：
以采用本发明的基于离子着色的飞秒激光加工玻璃的方法，向玻璃中掺入Cu2+离子并在材料表面打孔为例，具体加工步骤如下：
(1)将过渡金属离子Cu2+掺入玻璃中。在本实施例中使用高温熔融法将金属离子以氧化物CuO的形式掺入玻璃基质中，掺杂浓度为2.0mass％。玻璃基质的成分为70SiO2-20Na2O-10CaO(mass％)，属于硅酸盐玻璃；
(2)使用紫外-可见-近红外光谱仪在室温下测量Cu2+掺杂玻璃的吸收光谱，如图1所示。Cu2+掺杂玻璃在波长800nm存在吸收峰，此为共振吸收波长，对应的Cu2+的电子跃迁能级为2E至2T2；
(3)使用光学参量放大器调节飞秒激光波长为800nm。
(4)将材料固定在移动平台上，聚焦激光于材料的表面进行加工。入射激光脉冲个数为50时，材料的烧蚀阈值为2.13J/cm2；当脉冲能量密度为3.78J/cm2时，烧蚀深度为0.51μm。
实施例4：
以采用传统的飞秒激光加工的方法，在未掺杂玻璃表面打孔为例，具体加工步骤如下：
其它步骤与实施例3相同，不同之处在于：不经过步骤(1)(2)中的掺杂过程，所使用的样品为未掺杂玻璃，玻璃的成分为70SiO2-20Na2O-10CaO(mass％)，属于硅酸盐玻璃。入射激光脉冲个数为50时，材料的烧蚀阈值为2.98J/cm2；当脉冲能量密度为3.78J/cm2时，烧蚀深度为0.22μm。
由实施例1-4比较可见：
(1)向玻璃中掺入Co2+离子后，在共振吸收波长600nm处，材料的烧蚀阈值下降了36.8％，烧蚀深度提高了81.5％。
(2)向玻璃中掺入Cu2+离子后，在共振吸收波长800nm处，材料的烧蚀阈值下降了28.4％，烧蚀深度提高了128.9％。
(3)材料的烧蚀阈值随着离子掺杂浓度升高而下降，由此导致更高的加工效率。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论其在形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于离子着色的飞秒激光加工玻璃的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)将过渡金属离子或稀土离子掺入待加工玻璃中，离子掺杂的浓度达到使待加工玻璃的吸收光谱发生改变并形成吸收峰，得到颜色玻璃；
2)测量第1)步得到的颜色玻璃的吸收光谱，将该吸收光谱中吸收峰的波长作为共振吸收波长；
3)采用飞秒激光工艺对所述颜色玻璃的表面或内部进行加工，其中采用的飞秒激光的波长等于共振吸收波长。
2.根据权利要求1所述的基于离子着色的飞秒激光加工玻璃的方法，其特征在于：所述加工方法中，第1)步的离子掺入方法为高温熔融法。
3.根据权利要求1所述的基于离子着色的飞秒激光加工玻璃的方法，其特征在于：所述加工方法中，第2)步的中测量颜色玻璃的吸收光谱方法采用紫外-可见-近红外光谱仪在室温下测量。
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