飞秒激光烧蚀加工与传统皮秒或纳秒激光加工相比, 具有热作用区域小、激光分辨率高、能够抑制等离子体的物理屏蔽效应等优势, 因而被广泛应用。基于雪崩电离和多光子电离效应, 阐述了飞秒激光烧蚀透明电介质材料机理, 介绍了飞秒激光烧蚀制备不同微结构件现状, 综述了近年来国内外飞秒激光微纳加工石英玻璃烧蚀点、烧蚀线和烧蚀面微特征的研究方法和研究进展, 对微功能结构件的实际应用情况进行了总结, 分析了现阶段飞秒激光在加工透明电介质领域存在的不足, 最后对该技术的发展进行了展望。
激光技术 飞秒激光 石英玻璃 烧蚀减薄 微特征 laser technique femtosecond laser quartz glass ablation thinning micro-features
1 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁 大连 6024
2 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，天津 300409
石英玻璃等光学硬脆材料在加工过程中不可避免地产生亚表面微裂纹，从而对光学元件的使役性能具有显著影响。因此，石英玻璃亚表面微裂纹的无损检测对于优化石英玻璃加工工艺进而提高加工质量具有十分重要的意义。提出了基于偏振激光散射（Polarized Laser Scattering， PLS）的石英玻璃亚表面微裂纹检测方法，搭建了PLS无损检测系统。通过压痕实验以20 mN，50 mN，100 mN压力制备亚表面微裂纹深度为5.27 μm，9.7 μm，15.42 μm的压痕试样，使用PLS检测系统对压痕试样进行无损检测，探究PLS信号与亚表面微裂纹深度的对应关系。通过不同粒径磨粒（1~20 μm）研磨制备亚表面微裂纹深度为1~10 μm的研磨试样，发现研磨PLS检测信号与亚表面裂纹深度之间呈幂函数关系。搭建的PLS检测系统可以对深度小于10 μm的石英玻璃亚表面微裂纹进行有效检测与量化。PLS检测系统检测结果可实现研磨石英玻璃微裂纹检测，进而为亚表面微裂纹控制及加工工艺优化提供指导。
偏振激光散射 亚表面微裂纹 压痕 研磨 石英玻璃 polarized laser scattering subsurface microcrack indentation grinding quartz glass 光学 精密工程
2023, 31(14): 2031
1 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070
2 中航光电科技股份有限公司，洛阳 471003
3 中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800
玻璃经常在溶液或者潮湿环境下使用，水的侵蚀会影响玻璃的物理和化学性质，甚至导致玻璃失效。近年来，通过采用多尺度计算机模拟方法，对简单玻璃体系与水相互作用过程和分子尺度反应机理的认识取得了较大进展。本文聚焦石英玻璃、钠硅玻璃和钠硼硅玻璃三个简单的模型玻璃体系，在阐明其耐水性起源的基础上，概述了玻璃与水分子相互作用过程和机理的最新进展，对进一步理解复杂体系玻璃的耐水性和开发新的功能玻璃具有重要的参考价值。
石英玻璃 钠硅玻璃 钠硼硅玻璃 耐水性 水侵蚀 侵蚀机理 quartz glass sodium silicate glass sodium borosilicate glass water resistance watercorrosion corrosion mechanism
武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070
空心玻璃微球因具有低密度、高强度、耐高温等优点而被广泛研究。采用喷雾造粒法与粉末法相结合，掺入发泡剂，以射频等离子体作为热源制备空心石英玻璃微球，研究了SiC、CaSO4、CaCO3三种发泡剂对制备空心石英玻璃微球的影响。结果表明，通过喷雾造粒法将发泡剂与SiO2充分混合形成粗坯颗粒，再利用射频等离子设备对粗坯粉末进行高温烧结，得到空心石英玻璃微球。其中CaSO4、CaCO3发泡剂效果较差，所产生的气体难以留在玻璃微球内部形成中空气泡；而SiC发泡剂效果最好，在射频等离子烧结过程中产生气体，被玻璃液包裹形成空心结构，得到的玻璃微球平均真密度为1.799 5 g/cm3。选用菲利华石英块状疏松体作为SiO2原料，当m(SiO2)∶m(SiC)∶m(H2O)为100∶3∶300时，可制备出平均真密度为0.72 g/cm3的空心多孔石英玻璃微球。
发泡剂 石英玻璃 空心微球 碳化硅 喷雾造粒法 射频等离子体 foaming agent quartz glass hollow microsphere silicon carbide spray granulation method radio frequency plasma
1 陕西科技大学材料科学与工程学院, 西安 710021
2 多伦多大学材料科学与工程系, 多伦多 M5S3E4
密封连接石英玻璃被广泛应用于航空航天、半导体加工以及微机电系统真空连接等领域。改进的低膨胀Li2O-Al2O3-SiO2(LAS)系微晶玻璃可以用于封接石英玻璃, 但存在流动性不佳的难题。本文通过掺入WO3对LAS系微晶玻璃进行改性, 利用线膨胀系数分析仪、差示扫描量热仪、X射线衍射仪、高温烧结影像仪、扫描电镜, 研究了掺入WO3后LAS玻璃封接石英玻璃的机理。结果表明: WO3对LAS玻璃的析晶产生先增强后削弱的影响; WO3掺量越大, 热膨胀系数越大, 当掺量达到5.0%(质量分数)时, 热膨胀系数提升至5.69×10-7 ℃-1; 流动性与润湿性随着掺量增加而提升, 铺展面积随掺量增加而增大, 润湿角随掺量增加而减小, 有效改善了LAS玻璃本身流动性不足的问题; LAS玻璃与石英玻璃之间主要是通过化学元素迁移实现封接。
石英玻璃 微晶玻璃 流动性 封接 表面张力 quartz glass glass-ceramics WO3 WO3 fluidity sealing surface tension
华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
石英玻璃是紫外光刻、激光核技术等精密光学系统的关键光学元件。石英玻璃在加工过程中易出现表面及亚表面损伤和蚀坑等缺陷问题, 化学抛光能有效消除石英玻璃的亚表面损伤。介绍了石英玻璃片的化学抛光工艺原理和过程, 利用正交实验法优化了石英玻璃化学抛光工艺参数, 分析了化学抛光过程中抛光液成分、抛光液温度和抛光时间对石英玻璃片表面粗糙度的影响。实验结果表明, 采用氟化氢铵、水和丙三醇配置的化学抛光液, 在最优化的工艺参数时, 石英玻璃片经过化学抛光, 表面粗糙度可降到100 nm左右, 可见光透过率最高可达到89%。为石英玻璃光学零件的化学抛光工艺提供了理论依据和技术支持。
石英玻璃 亚表面损伤层 化学抛光 表面粗糙度 工艺 quartz glass sub-surface damages chemical polishing surface roughness technology
1 中南民族大学激光与智能制造研究院，湖北 武汉 430074
2 中南民族大学电子信息工程学院，湖北 武汉 430074
透射式玻璃光栅可简化光学系统结构，降低调制难度和成本，在紧凑型微小型分光仪和光谱系统中应用广泛。因玻璃材料脆、硬等特点，传统加工技术已无法满足现代工业日益增长的需求。采用波长为1040 nm、重复频率为100 kHz、脉冲宽度为388 fs的飞秒激光刻蚀透射式石英玻璃光栅，重点研究了激光功率P、扫描速度v、重复扫描层数N对石英玻璃光栅刻痕宽度和深度的影响。此外，使用氦氖激光器（波长为632.8 nm）对已刻蚀石英玻璃光栅样品进行衍射效率测试，利用CCD记录光栅衍射图样，通过灰度重心法得到其衍射效率。在实验中，当激光功率为442 mW，扫描速度为380 mm/s，重复扫描层数为10时，刻蚀的光栅刻痕宽度d约为5.67 ，光栅周期D约为8.17 ，测得该石英玻璃光栅的0级、-1级和+1级衍射效率分别为24.98%、31.80%和31.04%。
飞秒激光加工 石英玻璃 透射式光栅 光栅衍射效率 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0714006
中南民族大学激光与智能制造研究院, 湖北 武汉 430074
采用波长为1040 nm、脉宽为388 fs、重复频率为100 kHz的飞秒激光对石英玻璃表面进行大深宽比微型凹槽的刻蚀。首先,通过面积推算法,实验测量得到石英玻璃的损伤阈值为10.61 J/cm 2。然后,采用单线刻蚀法,研究了激光单脉冲能量、扫描速度和扫描次数对微槽刻蚀深度和宽度的影响。最后,利用激光扫描振镜,使用螺旋环切法,有效地增大微槽深宽比。实验结果表明:激光单脉冲能量是影响微槽深宽比的主要因素,在激光单脉冲能量为110 μJ、扫描速度为100 mm/s、扫描次数为30的条件下,能够获得质量良好、槽宽50 μm且深宽比达5.4的石英玻璃微槽。
激光光学 飞秒激光加工 石英玻璃 微槽 损伤阈值 光学学报
2020, 40(23): 2314001
