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《天津大学》 2009年
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光敏玻璃紫外脉冲激光微加工理论与技术的研究

邬泳  
【摘要】: 随着MEMS和微流控芯片技术的快速发展,光敏玻璃凭借其特有的优点,在微器件领域开始得到广泛应用。本论文即针对光敏玻璃的形状精密加工需求,自主设计完成了一套紫外波长的纳秒脉冲激光精密加工系统,利用此系统实现了对FOTURAN光敏玻璃的微结构加工。 本文主要完成的工作如下: 1.以电子和晶格中的能量传递理论为基础,分析了纳秒脉冲激光和固体材料的作用机理。在激光脉冲宽度为纳秒条件下,简化了电子和晶格相互独立的双温模型,得到纳秒脉冲激光作用于材料的热传导方程。通过理论分析,证实了纳秒脉冲激光加工中,热效应是存在的。 2.论文选用FOTURAN光敏玻璃为加工材料。其内部掺杂了Ag+和Ce3+,使其不同于普通玻璃,具有了金属材料的部分特性。从激光和透明材料、金属材料的作用机理出发,初步分析了FOTURAN玻璃在光照过程中的反应,并结合后续的处理流程,全面分析了FOTURAN玻璃整个加工流程的作用机理。 3.根据FOTURAN玻璃的光学特性和激光作用机理,自主设计和搭建了激光精密加工系统。该系统包括激光器、光路系统、机械结构、上位机图形平台和控制系统。其中激光器选择355nm波长的紫外光源,结合光路系统和“龙门式”机械结构,构建了整个微加工系统的硬件平台。图形化的上位机软件平台,可满足加工图形的可视化编辑和图形文件的解析。并且按照由里到外寻找最短路径的方法,以直线段为单位对图形进行了加工路径的优化。先进的数字信号处理芯片和现场可编程门阵列的配合使用,实现了二维运动系统的精密联动控制,使得整个系统完全满足FOTURAN玻璃的精密加工需求。 4.以表面粗糙度为评价指标,在每道工序后用原子力显微镜对FOTURAN玻璃表面进行表征,根据测量结果完善了典型光敏玻璃的加工工艺流程,创新性地提出了四步工艺流程:光照-加热-腐蚀-再加热,最终样品再经过10分钟去离子水的超声振荡后即可呈现较好的加工效果。 5.利用搭建好的紫外纳秒脉冲激光微加工系统对FOTURAN玻璃进行了微加工实验,制作了浅坑、垂直深坑、微通道等基本结构。实验中探索了腐蚀液浓度、腐蚀时间、激光能量、运动速度等参数对加工深度和线宽的影响。 6.基于激光能量与加工结果的关系,提出了同心圆的加工轨迹结合变激光能量的方法,在FOTURAN玻璃表面进行了可控形状的加工,实现了平底和碗形底面的圆形微结构,并且进一步探索了通过加工速度的调整,实现不同曲形底面的微结构加工的可行性。此外,通过和上位机图形软件的结合,实现了较为复杂三维结构的加工。 上述理论分析和实验表明了纳秒脉冲激光微加工系统可以实现对FOTURAN玻璃的精密加工,通过对系统参数的实时调整,实现了可控形状的加工,得到了较好的加工效果。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN249

【引证文献】
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【同被引文献】
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