本發(fā)明屬于微細加工，具體涉及一種電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、透明硬脆材料具有高透光性、高耐熱性和良好的耐腐蝕性，被廣泛應用于航空航天、微電子器件和光學元件等領(lǐng)域。但透明硬脆材料因其高硬度、低韌性，在加工過程中容易發(fā)生脆性斷裂，使得透明硬脆材料的微結(jié)構(gòu)加工成為一項技術(shù)挑戰(zhàn)。

2、針對透明硬脆材料微結(jié)構(gòu)加工困難的情況，有學者提出激光誘導等離子體輔助燒蝕技術(shù)，該技術(shù)是將高能量激光束聚焦到透明硬脆材料下方的金屬靶材上激發(fā)出高溫高壓等離子體，等離子體向上膨脹，反向轟擊靶材上方的透明硬脆材料的背面，達到刻蝕材料的效果。激光誘導等離子體刻蝕技術(shù)具有更低的成本、更低的能耗、更少的表面堆積物，更小的熱應力，是一種新型且具備優(yōu)勢的透明硬脆材料微加工方法。但現(xiàn)有的激光誘導等離子體刻蝕技術(shù)依然存在等離子體不可控的問題。為此，許多學者利用電磁場來調(diào)控等離子體。中國專利cn?102064213a公開了透射式激光-電磁場耦合推力器，該專利通過電場的作用對等離子體進行加速，通過磁場對等離子體施加洛倫茲力，從而使等離子體獲得更高的電離率和噴射速率，進而形成推力脈沖。但是，該專利中，由于電極片為非透明材料，需要開孔或制槽使激光從孔或槽中入射，增加了裝置的復雜性。中國專利cn?107234342?b公開了一種激光誘導等離子體直寫沉積方法和裝置，該專利通過濾網(wǎng)、電/磁場等實現(xiàn)對等離子體的篩選，并通過高溫錐形噴嘴實現(xiàn)等離子體的聚焦噴射，結(jié)合直寫噴嘴與基板的相對運動，可實現(xiàn)圖形化薄膜涂層的直接制備。但是，該專利僅提到電場的設置為在加工頭內(nèi)設置電場發(fā)生裝置或者依靠外部裝置施加電場，并未對具體的電場發(fā)生裝置進行描述和說明。中國專利cn?113310969a公開了一種基于時間調(diào)制改善激光誘導擊穿光譜可重復性的方法，該專利通過電場、磁場或電磁聯(lián)合對等離子體進行調(diào)制，使得信號采集時間比常規(guī)方法提前10-500ns，進一步提高了測量精度。但是，該專利中電場設置為橫向電場，無法對產(chǎn)生的等離子體進行縱向加速。

3、因此非常有必要開發(fā)一種新的電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置及方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置及方法，通過改進電場施加方式縮短兩極板的間距，使電極間距可達微米級別，在低電壓下可以產(chǎn)生較大的電場力；將透明導電薄膜作為電極，可以使入射激光穿過電極進行加工而不被阻擋，使得加工裝置更為簡易、加工方式更加靈活。

2、為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案之一為：一種電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置，包括計算機、激光加工系統(tǒng)、縱向電場發(fā)生裝置，所述激光加工系統(tǒng)包括激光器、擴束器、反射鏡、掃描振鏡，所述縱向電場發(fā)生裝置包含電極片、直流穩(wěn)壓電源；所述計算機與激光加工系統(tǒng)中的激光器相連接；所述縱向電場發(fā)生裝置通過電極片與透明硬脆材料待加工面上的透明導電薄膜、金屬靶材相連接形成縱向電場。

3、金屬靶材在透明硬脆材料的下方。

4、在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，還包括夾具，用于夾持材料，并控制材料與金屬靶材的間距。

5、進一步優(yōu)選的，所述夾具可通過千分尺螺旋測微頭調(diào)整待加工材料的高度，達到控制加工材料和金屬靶材間距的效果。

6、在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述激光器的波長大于材料的吸收帶邊，可以使激光透過加工材料聚焦于金屬靶材，避免引起激光在材料表面發(fā)生燒蝕。

7、在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述縱向電場發(fā)生裝置中將材料待加工面鍍透明導電膜以此作為電極負極，將金屬靶材作為正極，且兩電極間距可達微米級別，該縱向電場發(fā)生裝置可以輸出不同電壓，可以產(chǎn)生最大1000kv/m的電場，通過電場力加速等離子體的運動。

8、在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述透明硬脆材料待加工面上的透明導電薄膜是一種具有高透過率且電阻率較低的薄膜材料，材料可以使用氧化銦錫、摻鋁的氧化鋅、摻氟的氧化錫、摻銻的氧化錫中的至少一種，通過噴涂、磁控濺射、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、分子束外延、溶膠-凝膠法等方法沉積在透明硬脆材料待加工面上。

9、為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案之二為：一種基于上述裝置加工透明硬脆材料的方法，具體步驟包括：將透明硬脆材料加工面鍍上透明導電薄膜后通過夾具固定于金屬靶材上方；將縱向電場發(fā)生裝置中負極通過電極片與加工材料面的透明導電薄膜相連接，正電極連接金屬靶材；打開電場發(fā)生裝置，透明硬脆材料鍍膜面和金屬靶材間產(chǎn)生縱向電場，電場力方向由金屬靶材指向待加工材料；打開激光器，激光器發(fā)射的激光經(jīng)擴束器增大光束直徑后，又經(jīng)反射鏡進入掃描振鏡后聚焦于金屬靶材表面，激發(fā)出高溫高壓金屬等離子體，等離子體迅速向上膨脹，反向轟擊待加工材料背面，在等離子體的機械轟擊和激光燒蝕的復合作用下實現(xiàn)透明硬脆材料的刻蝕。

10、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

11、1.本發(fā)明利用縱向電場提供的電場力將激光燒蝕靶材產(chǎn)生的等離子體進行縱向加速，加速后的等離子體具有更大的動能，從而提高材料的去除效率；

12、2.本發(fā)明改進了電場的施加方式，將材料的待加工面鍍上透明導電薄膜作為負極，將金屬靶材作為正極，上述電場施加方法縮短了兩極板的間距，使電極間距可達微米級別，在較低電壓下可以產(chǎn)生較大的電場力；

13、3.本發(fā)明將透明導電薄膜作為電極，可以使入射激光穿過電極進行加工而不被阻擋，使得加工裝置更為簡易、加工方式更加靈活并且裝置簡單；

14、4.本發(fā)明引入縱向電場調(diào)控等離子體的飛行速度和運動軌跡，可以加速激光誘導產(chǎn)生的等離子體的縱向動能，使加工過程更加高效。

技術(shù)特征：

1.一種電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置，其特征在于，包括計算機、激光加工系統(tǒng)、縱向電場發(fā)生裝置，所述激光加工系統(tǒng)包括激光器、擴束器、反射鏡、掃描振鏡，所述縱向電場發(fā)生裝置包含電極片、直流穩(wěn)壓電源；所述計算機與激光加工系統(tǒng)中的激光器相連接；所述縱向電場發(fā)生裝置通過電極片與透明硬脆材料待加工面上的透明導電薄膜、金屬靶材相連接形成縱向電場。

2.如權(quán)利要求1所述的電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置，其特征在于，還包括夾具。

3.如權(quán)利要求2所述的電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置，其特征在于，所述夾具通過千分尺螺旋測微頭調(diào)整待加工材料的高度。

4.如權(quán)利要求1所述的電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置，其特征在于，所述激光器的波長大于材料的吸收帶邊。

5.如權(quán)利要求1所述的電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置，其特征在于，所述縱向電場發(fā)生裝置中將透明硬脆材料待加工面上鍍的透明導電膜作為電極負極，將金屬靶材作為正極，且兩電極間距可達微米級別。

6.如權(quán)利要求5所述的電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置，其特征在于，所述縱向電場發(fā)生裝置可以輸出不同電壓。

7.如權(quán)利要求1或5所述的電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置，其特征在于，所述透明導電薄膜的材料為氧化銦錫、摻鋁的氧化鋅、摻氟的氧化錫、摻銻的氧化錫中的至少一種。

8.如權(quán)利要求1或5所述的電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置，其特征在于，所述透明導電薄膜的沉積方法為噴涂、磁控濺射、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、分子束外延、溶膠-凝膠法中的一種。

9.一種基于如權(quán)利要求1-8任一項所述的電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置的透明硬脆材料加工方法，其特征在于，包括如下步驟：將透明硬脆材料加工面鍍上透明導電薄膜后通過夾具固定于金屬靶材上方；將縱向電場發(fā)生裝置中負極通過電極片與加工材料面的透明導電薄膜相連接，正電極連接金屬靶材；打開電場發(fā)生裝置，透明硬脆材料鍍膜面和金屬靶材間產(chǎn)生縱向電場，電場力方向由金屬靶材指向待加工材料；打開激光器，激光器發(fā)射的激光經(jīng)擴束器增大光束直徑后，又經(jīng)反射鏡進入掃描振鏡后聚焦于金屬靶材表面，激發(fā)出高溫高壓金屬等離子體，等離子體迅速向上膨脹，反向轟擊待加工材料背面，在等離子體的機械轟擊和激光燒蝕的復合作用下實現(xiàn)透明硬脆材料的刻蝕。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于微細加工技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種電場輔助激光誘導等離子體加工透明硬脆材料裝置及方法，其中裝置包括計算機、激光加工系統(tǒng)、縱向電場發(fā)生裝置，所述激光加工系統(tǒng)包括激光器、擴束器、反射鏡、掃描振鏡，所述縱向電場發(fā)生裝置包含電極片、直流穩(wěn)壓電源；所述計算機與激光加工系統(tǒng)中的激光器相連接；所述縱向電場發(fā)生裝置通過電極片與透明硬脆材料待加工面上的透明導電薄膜、材料下方的金屬靶材相連接形成縱向電場。本發(fā)明改進電場施加方式縮短了兩極板的間距，使電極間距可達微米級別，在較低電壓下可以產(chǎn)生較大的電場力；將透明導電薄膜作為電極，可以使入射激光穿過電極進行加工而不被阻擋，使得加工裝置更為簡易、加工方式更加靈活。

技術(shù)研發(fā)人員：溫秋玲,胡佳鑫,徐西鵬,黃國欽,胡中偉,王曉光,楊少杰
受保護的技術(shù)使用者：華僑大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30