一种预测飞秒激光加工熔融石英的方法技术

本发明专利技术涉及一种预测飞秒激光加工熔融石英的方法，主要步骤包括：建立飞秒激光加工熔融石英的模型，对计算参数进行初始化；通过模型计算在不同激光参数下的加工阈值、加工深度、加工轮廓和去除体积；基于计算结果分析深度去除效率及加工效率，并给出指导参数。本发明专利技术可以避免通过反复实验获得加工参数的过程，利用预测结果可对加工参数进行优化，从而缩短产品周期，降低加工成本，提高生产效率和加工质量，因此对飞秒激光加工熔融石英的实际加工过程具有重要指导价值。过程具有重要指导价值。过程具有重要指导价值。

【技术实现步骤摘要】
一种预测飞秒激光加工熔融石英的方法


[0001]本专利技术涉及一种预测飞秒激光加工熔融石英的方法，属于飞秒激光微纳制造


技术介绍

[0002]飞秒激光脉冲与电介质的相互作用是基础物理的一个活跃研究领域，其中涉及一系列复杂过程，包括非线性电离产生自由电子、自由电子吸收激光能量以及材料去除。它同时也应用于工业领域，如MEMS石英器件的加工、高性能陶瓷的表面处理、光学元件的制造等等。而飞秒激光加工的最终结果取决于飞秒激光脉冲如何控制电子动态。对于飞秒激光与电介质的相互作用，光致电离导致自由电子的初始产生，这取决于电场和激光强度。导带中的激发电子可以进一步电离其他电子。如果自由电子密度接近临界密度，电介质材料将变得不透明。激光脉冲能量在极短时间内被非常浅的区域吸收，从而导致表面材料的烧蚀。有一系列材料机制共存并瞬态变化，如库仑爆炸、热熔化、静电去除等。现有的预测方法中(例如B.Chimier，et al.Damage and ablation thresholds of fused
‑
silica in femtosecond regime[J].Phys.Rev.B,2011,84:094104.)，仅仅能够预测飞秒激光加工熔融石英的加工阈值，而无法预测出更为全面的加工结果。而另一种预测方法(B.H.Christensen and P.Balling.Modeling ultrashort
‑
pulse laser ablation of dielectric materials[J]Physical Review B,2009,79:155424.)得到的加工深度与实际加工结果差距甚远。因此在实际的加工中，仍然无法摆脱通过反复试验加工参数的方法来得到理想的加工结果。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了解决飞秒激光加工熔融石英过程中去除精度不易控制和加工参数较难确定的问题，提供一种预测飞秒激光加工熔融石英的方法。通过模拟飞秒激光加工熔融石英过程中的自由电子密度，并与临界电子密度对比得到加工阈值。进而对加工区域进行网格划分，对所有网格节点进行模拟，获得加工深度、加工轮廓以及去除体积。最后根据模拟得到的深度去除效率和加工效率，同时结合实际的加工需求，给出合理的加工参数。不仅可以实现对加工精度的控制和工艺参数的优化，而且避免反复试验带来的盲目性，降低加工成本，提高生产效率。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]一种预测飞秒激光加工熔融石英的方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一、根据飞秒激光与熔融石英的相互作用过程，建立飞秒激光加工熔融石英的模型；自由电子密度n
e
的时间演变方程为：
[0007][0008]式中t对应时间，ω
PI
是光致电离速率，ω
II
是碰撞电离速率，τ
r
是衰减时间常数，
n
v0
是熔融石英中的电子密度总数；
[0009]随着电子的激发和密集等离子体的产生，等离子体的光学特性将发生瞬时变化，光学特性的演变过程由介电函数给出，表示为：
[0010][0011]式中等离子体频率n
e
为自由电子密度，e为电子电荷，m
e
是电子质量，∈0为自由空间的介电常数，τ
e
为自由电子弛豫时间；根据马西森定则同时考虑电子
‑
声子碰撞速率v
ep
和电子
‑
离子碰撞速率v
ei
，自由电子弛豫时间τ
e
表示为：
[0012][0013]式中，v
e
为电子散射速率，电子
‑
声子碰撞速率v
ep
和电子
‑
离子碰撞速率v
ei
均由电子温度决定；随着电子激发到导带，随着激光能量的吸收，电子动能将进一步增加，即电子温度进一步上升；飞秒激光加热自由电子过程中，电子温度T
e
的计算公式为
[0014][0015]式中，c
e
为电子热容，n
e
为自由电子密度，为电子导热系数，v
F
是费米速度，v
e
是电子散射速率，α为吸收系数，对应于复合过程中转移到电子的势能，以及光致电离和碰撞电离过程中的激光能量损失；所述高斯光束的激光强度I表示为
[0016][0017]式中F是入射激光通量，t
p
是脉冲持续时间，R是光学反射率，α是吸收系数；r是从给定点到激光束中心的距离；r0是激光束半径，定义为激光强度衰减为激光束中心最大强度的1/e2的半径；z是从给定点到上表面的距离；
[0018]E、数值程序，通过循环迭代计算直到自由电子密度和电子温度达到收敛，使得材料性质是自洽的，这确保了后续计算的准确性；
[0019]步骤二、对数值程序中的参数进行初始化设置，同时定义烧蚀判据，即当自由电子密度n
e
超过临界电子密度n
cr
时，熔融石英发生烧蚀，材料去除；其中临界电子密度表示为：
[0020][0021]式中λ是飞秒激光波长，c是光速，m
e
是电子质量，∈0是自由空间的介电常数，e为电子电荷；
[0022]确定激光波长λ；设定脉冲持续时间t
p
(也称“脉宽”)计算范围为10fs
‑
1000fs，对熔融石英加工阈值进行计算；给定初始的激光通量F(也称“激光能量密度”)为0.1J/cm2并开始计算；当计算过程中导带自由电子密度小于临界电子密度，即n
e
＜n
cr
，将激光通量增加0.1J/cm2并对所有参数进行初始化，重新进行计算；当计算过程中导带自由电子密度超过
临界电子密度，即n
e
≥n
cr
时，判定熔融石英发生烧蚀，记录对应的激光通量记为该脉冲持续时间下的加工阈值；选择下一个脉冲持续时间，对所有参数进行初始化设置，将激光通量重新设置为0.1J/cm2并开始新的一轮计算；直到获得所有设置的脉冲持续时间对应的加工阈值；
[0023]步骤三、给定预测的熔融石英加工范围，将加工范围设定为计算域并进行网格划分，标记所有网格节点(r,z)，选择一个固定的脉冲持续时间t
p
，设定激光能量密度取值范围为5
‑
16J/cm2，对所有网格节点同时计算自由电子密度、光学特性、电子温度、激光强度直到设置的时间结束；记录每一时刻下的数据得到自由电子密度时空分布、光学特性时空分布、激光强度的时空分布，根据烧蚀判据确定烧蚀位置的空间坐标，即不同半径位置处的加工深度；拟合各个烧蚀位置坐标点，进而得到加工轮廓和去除体积。
[0024]根据对应激光参数下的加工深度、去除体积得到深度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测飞秒激光加工熔融石英的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、根据飞秒激光与熔融石英的相互作用过程，建立飞秒激光加工熔融石英的模型；自由电子密度n
e
的时间演变方程为：式中t对应时间，ω
PI
是光致电离速率，ω
II
是碰撞电离速率，τ
r
是衰减时间常数，n
v0
是熔融石英中的电子密度总数；随着电子的激发和密集等离子体的产生，等离子体的光学特性将发生瞬时变化，光学特性的演变过程由介电函数给出，表示为：式中等离子体频率n
e
为自由电子密度，e为电子电荷，m
e
是电子质量，∈0为自由空间的介电常数，τ
e
为自由电子弛豫时间；根据马西森定则同时考虑电子
‑
声子碰撞速率v
ep
和电子
‑
离子碰撞速率v
ei
，自由电子弛豫时间τ
e
表示为：式中，v
e
为电子散射速率，电子
‑
声子碰撞速率v
ep
和电子
‑
离子碰撞速率v
ei
均由电子温度决定；随着电子激发到导带，随着激光能量的吸收，电子动能将进一步增加，即电子温度进一步上升；飞秒激光加热自由电子过程中，电子温度T
e
的计算公式为式中，c
e
为电子热容，n
e
为自由电子密度，为电子导热系数，v
F
是费米速度，v
e
是电子散射速率，α为吸收系数，对应于复合过程中转移到电子的势能，以及光致电离和碰撞电离过程中的激光能量损失；所述高斯光束的激光强度I表示为式中F是入射激光通量，t
p
是脉冲持续时间，R是光学反射率，α是吸收系数；r是从给定点到激光束中心的距离；r0是激光束半径，定义为激光强度衰减为激光束中心最大强度的1/e2的半径；z是从给定点到上表面的距离；E、数值程序，通过循环迭代计算直到自由电子密度和电子温度达到收敛，使得材料性质是自洽的，这确保了后续计算的...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，吉鹏飞，潘鹏晖，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：