偏振态对飞秒激光加工石英玻璃表面质量的影响-论文.pdf

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1、第26卷第2期强激光与粒子束Vo1．26，No．22014年2月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSFeb．，20I4偏振态对飞秒激光加工石英玻璃表面质量的影响吴东江，姚龙元，马广义，郭东明(精密与特种加工教育部重点实验室(大连理工大学)，辽宁大连116024)摘要：为研究线偏振和圆偏振对飞秒激光烧蚀加工石英玻璃表面质量的影响，开展不同扫描速度的线烧蚀试验和不同线重叠率的面烧蚀试验。研究了线、圆偏振光对烧蚀线宽度的影响，利用光学显微镜和环境扫描电子显微镜观察烧蚀形貌，并使用三维表面轮廓仪进行烧蚀面粗糙度分析。结果表明：线偏

2、振光烧蚀线宽度大于圆偏振光，且激光功率越大，线宽差异越明显；当线重叠率在65～9O时，线偏振光烧蚀表面粗糙度随重叠率增大而增大，在重叠率为65时达到i．33m；线轮廓算术平均偏差随重叠率增大先减小后增大，并在重叠率为8o时达到较小值1．05m；当重叠率不到8O时，线偏振光烧蚀面线轮廓算术平均偏差比圆偏振光小；重叠率为9O时，其线轮廓算术平均偏差反而比圆偏振光大。关键词：飞秒激光；偏振态；烧蚀形貌；线重叠率；表面粗糙度中图分类号：TN249；0437文献标志码：Adoi：10．3788／HPLPB201426．021006飞秒激光与物质相互作用时具

3、有加工精度高、作用区域小、可突破衍射极限等特点，另外，其与物质作用时间极短，可有效抑制烧蚀过程中的热学效应，从而使得激光精密加工成为学者广泛研究的课题n。石英玻璃具有优良的高温使用性能和低热膨胀系数，同时在紫外区具有较高的透过率，因此成为光刻印刷、空间光学、激光核聚变系统中不可缺少的光学材料；而在这些应用领域中，有较多涉及到对石英玻璃表面进行精密加工，且对表面质量要求较高，因此，研究其表面的去除加工则更具实际应用价值。但由于石英玻璃属于高硬易碎材料，现有方法很难对沟槽类等复杂结构表面进行精密加工，而飞秒激光由于其独特的加工特征，使得精密烧蚀石英玻

4、璃成为可能。由于不同偏振态的飞秒激光与材料作用机理的不同[5]，从而可能对烧蚀质量产生不同影响，因此，为研究不同激光偏振态烧蚀所产生的规律，相关学者做了大量研究。M．Amsl6在熔融石英内部进行直写光波导试验，结果表明圆偏振光诱导产生的光波导传输损耗比线偏振光低；C．Hnatovskyf利用偏振选择性腐蚀方法进行微流道制备研究，得出腐蚀速率与线偏振角度有关的结论，且偏振方向垂直于扫描速度方向时的腐蚀速率最大；Y．Shimotsuma_8。。在石英玻璃上诱导出周期约为20nm的自组织纳米光栅结构，并发现其方向与偏振方向垂直；钟敏建对硒化锌晶体表面自

5、组织纳米结构进行了研究，结果表明线偏振光诱导会产生周期性纳米光栅，而圆偏振光诱导则产生纳米颗粒。这些研究大都侧重于激光诱导条纹结构、光波导及光栅的讨论，并分析不同偏振模式对微结构的影响规律，而利用飞秒激光烧蚀石英玻璃来制备大面积平面结构的研究还较少，且很少有关于线偏振和圆偏振激光对烧蚀面加工质量影响差异性的研究。相关文献报道中，M．Huang~研究了不同烧蚀线间距对烧蚀表面形貌的影响，并分析偏振方向与表面微结构的关系；H．Y．ZhengE“利用P偏振光进行线烧蚀微流道试验，认为扫描方向对试验结果影响不明显；T．Kiml1同样研究了飞秒激光对线烧蚀

6、质量的影响，但并没有进一步对面烧蚀进行研究。本文基于飞秒激光与电介质材料作用的理论基础，为研究不同偏振态激光对石英玻璃烧蚀质量的影响，分别开展线烧蚀和面烧蚀试验研究，对烧蚀形貌和烧蚀表面粗糙度进行讨论，并分析差异性产生的原因。1试验步骤1．1飞秒加工系统试验装置示意图如图1所示，主要包括飞秒激光产生系统、外光路系统和工作台三部分。掺钛蓝宝石再生放大器(LegendElite—USP—HE，CoherentInc．)输出中心波长一800nm，脉冲宽度r一100fs，重复频率／’一1kHz，线偏振，光强近高斯分布；利用1／4波片可将线偏振光转换为圆偏

7、振，利用衰减片、半波片和偏振片使激*收稿日期：20130702；修订日期：2013一i015基金项目：国家自然科学基金项目(51175061)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(DUT12ZD(G)01)作者简介：吴东江(1964一)，男，教授，主要从事激光精密制造技术领域的研究；djwudut@dlut．edu．cn。O2lOO61强激光与粒子束3结论基于不同偏振态激光与材料作用机理的不同，研究石英玻璃在不同扫描速度下的烧蚀线宽度和不同线重叠率下的烧蚀面粗糙度，并对线偏振和圆偏振光的烧蚀形貌进行对比分析，得到以下结论：(1)当扫描速度相同时，

8、线宽随激光功率增大而增大；当功率相同时，线宽随扫描速度增大而减小，但线宽变化量并不明显；由于线偏振光多光子电离速率大于圆偏振光，最终导致