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玻璃加工

脉冲 CO 激光提高消融速率
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实现改进的玻璃加工

文/Gail Overton

熔 融石英和其他玻璃材料的 Amplitude (%) Mode 1 Amplitude (%) Mode 2 可以优化激光的重复频率和能量密度，
a)
Modulated pulse
Q-switched pulse
消融可以使用 CO 2 激光器
以最大限度地进行材料去除。
100
或超快激光器来实现。然 Internal 100 在第二个基于激光的工艺步骤
AOM Time (µs)
而，之前典型的调 Q CO 2 激光器的 0 τ 1 T 1 T 1 +τ 1 T 2 T 2 +τ 1 0 中，消融加工之后的高粗糙度得以降
Amplitude (%) Amplitude (%)
低峰值功率（<50W）限制了消融速 100 100 低。使用连续 CO 2 激光辐射，表面通
External
率，仅允许对光学材料进行微小的形 AOM T 2 T 2 +τ 1 0 Time (µs) 过重熔工艺得以平滑，微观粗糙度可
0 τ 1 τ 1 T 2 T 2 +τ 1
状校正和表面处理。但是，由德国弗 Power (W) Power (W) 以降低到 <0.1nm。
P p t pulse (FWHM) P avg
劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer Signal 为了减少残余波纹，需要第三
pulse
output 0 τ 1 T 2 T 2 +τ 1 0 τ 1 T 2 T 2 +τ 1 Time (µs)
ILT）的研究人员开发的更强大的调 步工艺 ：使用矩形脉冲和仅 50W 的
Q CO 2 激光加工正在改变这种情况， b) P avg , f rep , t pulse 功率水平，来校正抛光。该过程限
仅通过三个步骤就可以将块体玻璃转 制了消融以降低材料去除速率，允
d x
换成精密、复杂甚至自由形状，这三 许在称为“激光束雕刻（Laser Beam
个步骤分别是消融、表面抛光和最终 v s Figuring）”的最终误差校正步骤中，
的选择性激光形状校正。 [1] d s 选择性地雕刻玻璃表面。通过控制每
d y 个激光脉冲的脉冲持续时间，可以选
Glass material
强大的脉冲 择性地对玻璃材料进行消融，消融深
c)
与传统的 CO 2 激光器相比， 度低至 3nm。消融工艺的横向分辨率
Fraunhofer ILT 使用平均功率 200W、 为 100μm，垂直分辨率约为 3nm。
2
峰值功率 40kW、M = 1.33、脉冲 Fraunhofer ILT 的 Christian
持续时间≥ 250ns、最大重复频率为 Weingarten 说 ：“基于激光的工艺链，
150kHz 的调 Q 脉冲 CO 2 激光器。由 使仅用单个激光光源制造由熔融石英
1 mm
于使用两个声光调制器，激光辐射能 制成的复杂形状的光学元件成为可
以两种模式传送 ：用于消融的调 Q 脉 图1：不同的CO 2 激光脉冲模式（调Q和调制激光脉 能。所制造的光学元件的表面质量对
冲（模式 1）和用于最终表面校正的 冲）实现加工光学玻璃材料的不同功能，从消融到表 照明光学元件已经足够，但随着基于
面校正抛光（a）。这其中的秘密在于精心构造的扫
调制脉冲（模式 2）（见图 1）。 描图案和优化的激光参数（b），允许激光产生复杂 激光的校正抛光工艺的发展，未来我
的自由形式结构，如图中的蜂窝状玻璃元件（c）。
和 们将会制造更高质量的照明光学元
使用如下扫描策略 ：以速度 v s
3
，将脉宽 t pulse 和重复频率 2.35mm /s，允许在熔融石英或甚至自 件。”
脉冲距离 d x
f rep 的脉冲功率 P avg 沿着块体玻璃材料 由形状光学元件上制造粗糙的玻璃光
参考文献
传递，使用模式 1 操作可实现 z ab 的消 学元件，如蜂窝结构（用于减轻重量）。
1. C. Weingarten et al., Appl. Opt., 56, 4,
融深度。实验计算表明材料去除率为 白光干涉测量最初消融的光学表面， 777–783 (2017).

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