一種陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法
【專利摘要】本發明公開了一種陶瓷表面精細結構激光加工方法，將光纖上的涂覆層剝離后鋪設于陶瓷表面上；通過皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上的光纖覆蓋區進行掃描輻照，皮秒級脈寬激光通過陶瓷表面上的光纖引導產生局域光場增強效應，在陶瓷表面上加工出溝槽；根據步驟二中加工溝槽的情況設置激光器參數，使用皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上鋪設的光纖覆蓋區進行掃描輻照，在陶瓷表面上加工出與光纖排布相同的精細凹槽陣列。本發明通過采用光纖引導皮秒級脈寬激光光束，實現在具有高熔點、高硬脆物理特性的陶瓷表面可以同時獲得多條精細刻線，刻線邊緣光滑無裂紋和熱影響區，線徑尺寸均勻，刻線尺寸突破聚焦光束最小直徑限制。
【專利說明】一種陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種陶瓷表面加工【技術領域】，特別涉及一種陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法及其系統，適合于陶瓷表面二維精細刻線結構的加工。
【背景技術】
[0002]陶瓷材料具有輕質，耐高溫，耐腐蝕，高強度和化學穩定性好的特性，正是由于其良好的物理性質和化學性質，被廣泛應用在電子，航空，機械和生物醫學等領域。如作為柔版印刷心臟的陶瓷網紋輥是保證傳墨、勻墨質量最為關鍵的部件，需要在陶瓷表面加工出網穴或直線凹槽等精細刻線結構。諸如此類的材料表面微結構制造目前在生物醫學，微電子，能源和機械等領域應用相當廣泛，在材料表面加工出的微條紋形貌等的仿生改形可以有效起到降噪效果；規則或隨機分布的坑、槽等有助于在接觸表面間建立或局部形成潤滑薄膜，從而達到減阻效果。生物陶瓷表面人造微細結構對于細胞的粘附、生長等具有重要作用。TEIXEIRA等在脊寬70nm，槽深600nm的溝槽微結構表面成功種植了角膜上皮細胞(Journal of cell science; 2003，116 (10) 1881-1892)。但由于陶瓷材料是共價鍵,離子鍵或兩者混合化學鍵結合的物質，晶體間的化學鍵方向性強，具有高硬度和高脆性的本征特性。基于機械磨削的傳統加工方式存在效率低，精度差和刀具磨損嚴重等問題，限制了其在工業領域中的應用。激光加工是一種無接觸式的加工方法，在加工過程中不存在應力損傷，可以在一定程度上改善這些問題。Manabu Wakuda等人用準分子激光在氮化硅陶瓷表面加工微凹坑陣列，使其的摩擦系數從0.12降低到0.10 (Wear254 (2003) 356-363)。目前材料表面精細結構的激光加工一般是采用激光束直接輻照加工，結構的線寬精度受光斑尺寸限制，結構質量因脈寬的影響往往無法避免微細裂紋、重凝層等的存在。王鑫等人使用60ns準分子激光器在Y-ZTP陶瓷上刻蝕一系列微凹槽，線寬約20 μ m,深度約10 μ m,在凹槽兩側出現了重凝層(J.Am.Ceram.Soc, 91 [2] 391-397 (2008))。長脈沖(脈寬≥ns)激光與材料的相互作用機制是熱燒蝕效應，因此熱影響不可避免。

【發明內容】

[0003]為了解決現有技術的問題，實現具有高熔點、高硬脆物理特性的陶瓷表面上的高精微細加工刻蝕，本發明提供了一種陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法。采用皮秒脈寬激光作為能量源抑制刻線區域熱影響區，消除重凝層，從而顯著提高刻線質量和精度。使用光纖引導激光的加工方法突破了光斑尺寸的限制，從而獲得對具有高熔點、高硬脆性陶瓷材料的高精微細加工效果。
[0004]所述技術方案如下:
[0005]本發明提供了一種陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法，所述方法包括如下步驟:
[0006]步驟一，將光纖上的涂覆層剝離后鋪設于陶瓷表面上；
[0007]步驟二，通 過皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上的光纖覆蓋區進行掃描輻照，皮秒級脈寬激光通過陶瓷表面上的光纖引導產生局域光場增強效應，在陶瓷表面上加工出溝槽；
[0008]步驟三，根據步驟二中加工溝槽的情況設置激光器參數，使用皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上鋪設的光纖覆蓋區進行掃描輻照，在陶瓷表面上加工出與光纖排布相同的精細凹槽陣列。
[0009]所述步驟一中所用光纖為單模光纖，包括纖芯和包層，所述纖芯的折射率高于所述包層的折射率。
[0010]所述步驟一中光纖在陶瓷表面上的鋪排采用單根或多根密排方式。
[0011]所述步驟三中的皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上鋪設的光纖覆蓋區進行掃描輻照，其具體方法是:所述激光垂直或平行于光纖鋪設方向掃描。
[0012]陶瓷表面距離皮秒級脈寬激光的焦點為3mm?12mm ;皮秒級脈寬激光的掃描速度為100mm/s?1000mm/s，功率為8?12W，重復頻率為IOOkHz?500kHz。
[0013]所述皮秒級脈寬激光的焦點距離陶瓷的表面為9mm ;皮秒級脈寬激光的掃描速度為300mm/s，平均功率為10W，重復頻率為IOOKHz。
[0014]所述步驟二和步驟三中設置的皮秒級脈寬激光光束掃描間隔小于皮秒級脈寬激光焦點處光斑直徑。
[0015]本發明提供的技術方案帶來的有益效果是:
[0016]本發明通過皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上的光纖覆蓋區進行掃描輻照，利用皮秒級激光光束在光纖引導作用下所產生的局域光場增強效應，在具有高熔點、高硬脆物理特性的陶瓷表面實現精細刻線，通過調整光纖的鋪設根數及方式，獲得不同的二維刻線結構。此方法可以同時獲得多條精細刻線，刻線邊緣光滑無裂紋和熱影響區，線徑尺寸均勻；線寬尺寸突破聚焦光束最小直徑50 μ m的限制，可達15.5 μ m ;刻線圖案由排布的光纖數量及排布方式而定；激光束掃描方向與光纖鋪設方向垂直或平行與否不影響刻線的加工質量；此方法操作簡單，成本低，不需要復雜的光路及實驗儀器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]圖1是本發明所提供的加工精細凹槽流程圖；
[0019]圖2是優選參數下激光加工精細凹槽的共聚焦圖像；
[0020]圖3a是陶瓷表面獲得直線陣列精細刻線結果示意圖；
[0021]圖3b陶瓷表面獲得網格陣列精細刻線結果示意圖；
[0022]圖4a是第一種激光光束掃描方式；
[0023]圖4b是第二種激光光束掃描方式；
[0024]圖5不同掃描速度加工出溝槽的線寬及深度對比圖。
[0025]圖中:
[0026]1-激光光束；2_光纖；3_陶瓷。【具體實施方式】
[0027]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0028]本發明提供了一種利用光纖引導皮秒級脈寬激光在陶瓷表面可以實現精細刻線結構的方法。如圖1所示:所述方法包括如下步驟:
[0029]【101】將單模光纖上的涂覆層剝離后鋪設于陶瓷表面上，單根鋪設或是多根密排的方式；
[0030]【102】通過皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上的光纖覆蓋區進行激光掃描，皮秒級脈寬激光在陶瓷表面上的光纖引導下產生局域光場增強效應，并加工出溝槽；其中陶瓷表面距離皮秒級脈寬激光的焦點為3mm~12mm ;皮秒級脈寬激光的掃描速度為100mm/S~1000mm/s，平均功率為8-12W，重復頻率為IOOkHz~500kHz。
[0031]【103】根據步驟二中加工溝槽的情況設置激光器參數，使用皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上密排的多根光纖覆蓋區域進行動態激光掃描，由于光纖對激光的局域光場增強效應，在陶瓷表面加工出與光纖排布相同的精細凹槽陣列。
[0032]其中的皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上的光纖覆蓋區進行動態激光掃描，其具體方法是:所述激光平行或垂直于光纖鋪設方向進行動態掃描。
[0033]其中優選的陶瓷表面距離皮秒級脈寬激光的焦點為9mm。
[0034]本發明中優選采用的皮秒級脈寬激光的掃描速度為300mm/s，平均功率為10W。
[0035]圖2是在本發明所提供優選參數下加工的精細凹槽共聚焦示意圖。
`[0036]具體描述如下:
[0037]將標準的單模光纖剝了涂覆層的光纖擦拭干凈后直接鋪在陶瓷表面，光纖包括纖芯和包層，直徑為125 μ m，通過控制激光器的激光頭移動，掃描陶瓷表面的光纖覆蓋區，激光光束在光纖引導作用下產生局域光場增強效應，加工出精細溝槽，通過這種光纖引導激光并行加工方法，在具有高熔點、高硬脆物理特性的陶瓷表面可以同時獲得多條精細刻線，線徑尺寸均勻，尺寸突破聚焦光束最小直徑限制，可達15.5μπι，刻線圖案可由排布的光纖數量及排布方式而定，如圖3a是陶瓷表面獲得直線陣列精細刻線結果示意圖，而圖3b是陶瓷表面獲得網格陣列精細刻線結果示意圖。
[0038]本發明中激光掃描方式分為兩種，激光光束垂直于陶瓷表面，可以沿著光纖鋪設的方向移動，如圖4a所不,也可以垂直于光纖鋪設的方向移動,如圖4b所不,激光掃描方向的不同對刻線結果是不存在影響的。
[0039]光纖引導皮秒激光加工的精細結構，可一次實現數條均勻刻線和網狀結構；線槽邊緣整齊，沒有熱影響區和陶瓷的重凝層。取線槽15個不同的點進行線寬及深度測量，共15個值，如表1所列。計算出線寬平均值為17.923 μ m，深度平均值為7.753 μ m。
[0040]表1:15個不同位置的凹槽線寬、深度(μπι)[0041]
【權利要求】
1.一種陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 步驟一，將光纖上的涂覆層剝離后鋪設于陶瓷表面上； 步驟二，通過皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上的光纖覆蓋區進行掃描輻照，皮秒級脈寬激光通過陶瓷表面上的光纖引導產生局域光場增強效應，在陶瓷表面上加工出溝槽； 步驟三，根據步驟二中加工溝槽的情況設置激光器參數，使用皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上鋪設的光纖覆蓋區進行掃描輻照，在陶瓷表面上加工出與光纖排布相同的精細凹槽陣列。
2.根據權利要求1所述的陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法，其特征在于，所述步驟一中所用光纖為單模光纖，包括纖芯和包層，所述纖芯的折射率高于所述包層的折射率。
3.根據權利要求1所述的陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法，其特征在于，所述步驟一中光纖在陶瓷表面上的鋪排采用單根或多根密排方式。
4.根據權利要求1所述的陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法，其特征在于，所述步驟三中的皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上鋪設的光纖覆蓋區進行掃描輻照，其具體方法是:所述激光垂直或平行于光纖鋪設方向掃描。
5.根據權利要求1所述的陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法，其特征在于，陶瓷表面距離皮秒級脈寬激光的焦點為3mm?12mm ;皮秒級脈寬激光的掃描速度為lOOmm/s?1000mm/s，功率為8?12W，重復頻率為IOOkHz?500kHz。
6.根據權利要求5所述的陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法，其特征在于，所述皮秒級脈寬激光的焦點距離陶瓷的表面為9mm ;皮秒級脈寬激光的掃描速度為300mm/s，平均功率為10W，重復頻率為IOOKHz。
7.根據權利要求1-6任一所述的陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法，其特征在于，所述步驟二和步驟三中設置的皮秒級脈寬激光光束掃描間隔小于皮秒級脈寬激光焦點處光斑直徑。
【文檔編號】B23K26/402GK103862179SQ201410090887
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月12日 優先權日:2014年3月12日
【發明者】季凌飛, 李健, 胡炎, 吳燕, 鮑勇 申請人:北京工業大學