CN106925891A - 一种同时实现多块玻璃封装与内部加工的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时实现3块及以上玻璃封装与内部加工的方法，以3块玻璃加工为例，通过超快激光聚焦在第2块玻璃正中间，使得3块玻璃焊接与内部加工一步完成。与普通玻璃界面焊接机理不同，本发明焊接机理是基于玻璃内部改性。一方面超快激光聚焦在第2块玻璃内部产生局部永久结构变化，可以用来在玻璃内部制造微光子器件及微流体通道；另一方面，由于界面的局部熔化和凝固可以同时成功焊接3块玻璃，实现微光子系统集成等玻璃器件的微组合。本发明首次提出了超过两块玻璃的焊接及同时实现内部加工的方法，实现了高效率、高精度加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种超快激光同时实现3块及以上玻璃封装（焊接）及内部加工的方法。
背景技术
玻璃由于其在电子、机械、化学，尤其是光学方面的优异性能，使得玻璃封装及内部加工被广泛的应用于科学研究、工业及日常生活。超快激光由于其高精度、高速度和对材料加工热变形小已成为玻璃加工的一种优越及首选加工方法。超快激光玻璃焊接和内部加工在制造超精密机械、电子、电子机械、医疗、微流体和光电子设备，及传感器、小型人造卫星方面独具优势。目前，国内外超快激光对玻璃的焊接技术只针对2块玻璃进行了研究，且不能同时进行玻璃内部加工，需分多步完成，效率低且加工误差大。
发明内容
针对上述研究中存在的不足，本发明提供了一种同时实现3块及以上玻璃封装与内部加工的方法，极大地提高加工精度及效率。
本发明采用的技术方案是：将超快激光焦点聚焦在第2块或中间块玻璃的中间或界面处，在镜面接触和非镜面接触两种机理下，对3块及以上玻璃同时进行焊接和内部加工。
一方面，超快激光聚焦在玻璃内部可以依据加工路线加工出局部永久的内部结构及通道，此方法可以在玻璃内部用来三维制造光子器件和内部通道（微流体通道及医用培养皿等）；另一方面，在内部加工的同时可以焊接3块及以上玻璃，此方法用于微光子系统集成等玻璃元器件的组装技术。与普通的玻璃界面直接焊接不同，本发明焊接机理是基于玻璃的内部改性和热传递，使得界面处玻璃局部熔化凝固而实现焊接。
本发明提供了一种可靠的机理和有效的方法在玻璃中一次性三维制造微光子设备和集成微系统的方法。玻璃内部微加工和玻璃组装同时进行。
附图说明
图1是本发明的玻璃超快激光加工实验设备图。
图2是本发明超快激光加工线路图，激光线路可以依据内部加工通道需要改变，本发明实例只是其中1种情况。
图3是加工3块玻璃激光焦点位置示意图。当超快激光聚焦在第2块玻璃的中间时，一次实现玻璃镜面焊接及内部加工(a)和非镜面焊接及内部加工(b)图。
图4是加工5块玻璃镜面接触时激光焦点位置示意图。焦点位置可以放置在12界面1处/13第3块玻璃中间处/14界面2处;非镜面接触同样适用。
图中，1是Pharos超快激光系统，2是衰减器，3是反射镜1，4是反射镜2，
5是反射镜3，6是光阑，7是物镜，8是玻璃1，9是玻璃2，10是玻璃3，11是三维运动平台（型号:Zolix TSMT-4），12是界面1（第2块玻璃与第3块玻璃交界面）,13是第3块玻璃中间处，14是界面2（第3块玻璃与第4块玻璃交界面）。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明进一步说明。
图1为超快激光加工（焊接和内部加工同时完成）玻璃实验设备图。Pharos飞秒脉冲激光系统1由Yb: KGW振荡器和再生式放大器组成。实例设定脉宽为1000fs，频率变化范围为200-600kHz, 波长为1030nm，平均功率为8W。光束通过一个放大倍数为20倍，数值孔径为0.4的物镜聚焦在第2块玻璃中间，聚焦后的光斑直径为6μm。激光焦点位置不变，通过型号为Zolix TSMT-4三维电动移动平台实现加工动作。
图2为激光内部加工和焊接线路图。通过三维电动移动平台相对于焦点运动，可以实现不同的加工线路。实例中激光焦点相对于玻璃以2 mm/s的速度沿着X轴及Y轴移动。加工线路始于“S”点，结束于“E”点。内部通道和焊接区域可以通过改变“bar numbers”、“bardistance”、“matrix numbers”和 “matrix distance”来调节。实例中其对应值分别设置为“2”、“1000μm”、“3”和 “2000μm”。在特定的应用领域，不同的内部加工和焊接要求不同的加工线路，加工线路可以依据应用场合改变。
图3是以3块玻璃为例，当激光聚焦在第2块玻璃的中间处时，一次实现玻璃镜面焊接及内部加工(a)和非镜面焊接及内部加工(b)图。边长为30mm、厚度为1mm的商用方形石英玻璃(JGS2)为实例所采用样品。样品加工前被抛光，平整度和粗糙度分别达到120 nm和2nm。图3(a)中镜面接触通过使用两块强磁铁（具有3500高斯磁场强度的钕铁硼）和一块铁板实现。可以通过观察光干涉条纹（牛顿环）来确定是否达到镜面接触（衡量标准为小于λ/4, λ为波长）。非镜面接触如图3(b)所示，3块玻璃自然放置，不施加任何压力。图3中激光聚焦在第2块玻璃的中间，焦点大约低于第1个界面（玻璃1与玻璃2接触面）500μm；高于第2个界面（玻璃2与玻璃3接触面）500μm。由于焦点直径远小于500μm，激光不能入射到任意界面，因此，3块及以上玻璃焊接机理完全不同于常规超快激光玻璃焊接。前者是基于玻璃的内部加工和热传递过程；而后者是基于界面焊接。
超快激光由于加工玻璃的非线性吸收性可以使得玻璃在焦点处及附近局部熔化和改性。如果采用高重频超快激光，连续脉冲则可能产生热量累积效应。由超快激光聚焦在玻璃内部引起的非线性吸收（多光子电离和隧道电离）很大程度上取决于激光强度。当激光强度大于临界值时（临界值由脉宽和玻璃的特性决定），发生非线性吸收。当具有足够大的脉冲能量时，激光强度超过临界值，非线性吸收发生，且加工区域被限制在焦点及附近区域。
本发明实例所述可以用来在第2块玻璃内部实现改性及微结构制造。在焊接过程中，热量从第2块玻璃同时连续向上和向下传递，因此在界面处产生了熔池，熔池填满界面，冷却后凝固，焊接成功。因此，玻璃的内部加工和焊接在极短时间内同时实现。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要方法及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，大于3块玻璃时焦点位置可以依据实际情况设定。上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种同时实现多块玻璃封装与内部加工的方法，其特征在于：
（1）在镜面接触和非镜面接触两种机理下，对3块及以上玻璃同时进行封装与内部加工，将超快激光焦点聚焦在第2块或者中间块玻璃的中间或界面处；
（2）一方面，超快激光聚焦在玻璃内部可以依据加工线路实现局部永久的内部微结构及通道，此方法可以在玻璃内部用来制造三维光子器件和内部通道；
（3）另一方面，在内部加工的同时可以焊接3块及以上玻璃，此方法用于微光子系统集成等玻璃元器件的组装技术，与普通玻璃界面直接焊接不同，本发明焊接机理是基于玻璃的内部改性和热传递，使得界面处玻璃局部熔化凝固，从而实现焊接。
2.根据权利要求1所述的同时实现3块及以上玻璃封装与内部加工的方法，其特征在于：所述激光器波长满足对玻璃透射性好，波长范围为185nm-3500nm，可以根据玻璃基材需要设定。
3.根据权利要求1所述的同时实现3块及以上玻璃封装与内部加工的方法，其特征在于：所述激光器为超快脉冲激光器，脉冲宽度为皮秒或飞秒数量级。
4.根据权利要求1所述的同时实现3块及以上玻璃封装与内部加工的方法，其特征在于：所述激光器频率和平均功率分别始于1kHz和0.3W，上限根据需要选择。
5.根据权利要求1所述的同时实现3块及以上玻璃封装与内部加工的方法，其特征在于：扫描路线可以根据内部加工及焊接线路需要通过自然语言编程或扫描振镜实现，扫描速度范围可以根据需要设定。
6.根据权利要求1所述的同时实现3块及以上玻璃封装与内部加工的方法，其特征在于：三维运动平台可以达到纳米量级。
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