CN102909474B - 一种对透明材料进行焊接的方法 - Google Patents

Abstract

一种对透明材料进行焊接的方法，选择两种能透过待焊接透明材料的激光，一种是超短脉冲激光，另一种是长脉冲激光，调节两束激光同步后并束；将两块待焊接透明材料叠放在一起；使激光通过物镜聚焦在两块待焊接透明材料的分界面上；当超短脉冲激光能量（或功率）大于等于多光子吸收阈值光强时，（两束脉冲激光的）焦点中心附近发生多光子吸收（电离），产生自由电子，即种子电子，种子电子吸收长脉冲激光；当（种子电子吸收的）长脉冲激光的能量达到待焊接材料熔化阈值时，焦点中心附近的材料发生熔化并融合，连接在一起，实现连接或焊接。本方法与单独采用超短脉冲激光焊接方法相比，降低了成本，并提高了焊接效率，实现了对透明材料的焊接。

Description

一种对透明材料进行焊接的方法

技术领域

本发明涉及对材料的焊接，特别涉及一种对透明材料进行焊接的方法。

背景技术

透明材料在光学、电子器件、生物医药和微光电子机械***（MOEMS）领域有着广泛应用。但是，透明材料的连接问题一直没有得到很好的解决，现在主要是利用化学黏接剂或中间层，这样的连接，不能保证良好的机械性能，以及良好的热稳定性和化学稳定性。

最近人们提出了超短脉冲激光焊接方法。超短脉冲激光峰值功率极高，可以实现多光子吸收（电离），即激光束可以透过材料表面，在激光焦点处的能流密度可以达到或超过多光子吸收（电离）阈值，材料发生熔化，如果激光聚焦在两块透明材料分界面上，随激光焦点的移动，材料发生再凝固，实现激光焊接。但是，超短脉冲激光成本高、功率较小，焊接效率受到限制，成为实际应用的瓶颈。

长脉冲激光技术已经成熟应用于工业生产，但是，峰值功率较低，在透明材料内部聚焦后，不足以实现多光子吸收（电离），只能利用透明材料内的金属杂质吸收长脉冲激光，而金属杂质分布无法得到有效控制，因此长脉冲激光在不填加吸收层的情况下，不能进行有效的材料内部处理，只能进行材料表面处理。

发明内容

本发明提供了一种对透明材料进行焊接的方法，降低了成本，提高了焊接效率，详见下文描述：

一种对透明材料进行焊接的方法，所述方法包括以下步骤：

（1）选择两种能透过待焊接透明材料的激光，一种是超短脉冲激光，另一种是长脉冲激光，两束激光的功率相匹配，调节两束激光同步后并束；

（2）将两块待焊接透明材料叠放在一起，其中，两块待焊接透明材料相同或不同；

（3）调节激光光路，使得激光通过物镜聚焦在两块待焊接透明材料的分界面上；

（4）当超短脉冲激光能量（或功率）大于等于多光子吸收阈值光强时，（两束脉冲激光的）焦点中心附近发生多光子吸收（电离），产生自由电子，即种子电子，种子电子吸收长脉冲激光；

（5）当种子电子吸收的长脉冲激光的能量达到熔化阈值时，焦点中心附近的材料发生熔化并融合，随着激光焦点的移动，熔化的材料降温，凝固，连接在一起，实现连接或焊接。

两块待焊接透明材料之间不使用吸收层，透明材料包括：玻璃、晶体或聚合物，两种激光透过率均大于50%。

本发明提供的技术方案的有益效果是：利用超短脉冲激光在透明材料内部产生多光子吸收（电离），提供种子电子，利用种子电子就可以吸收长脉冲激光，当达到熔化阈值时，实现碰撞电离，便可以实现焊接。本方法降低了只使用超短脉冲激光的成本，并提高了焊接效率，实现了对材料内部的焊接。

附图说明

图1为激光光强分布曲线图；

图2为本发明采用装置的示意图；

图3为本发明提供的一种对透明材料进行焊接的方法的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：多光子吸收阈值光强；    2：光斑直径；

3：激光光强分布曲线；      4：飞秒激光光束；

5：物镜；                  6：第一片透明材料；

7：第二片透明材料；        8：焊接区。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了降低成本，提高焊接效率，本发明实施例提供了一种对透明材料进行焊接的方法，参见图1、图2和图3，该方法包括以下步骤：

101：选择两种能透过待焊接透明材料的激光，一种是超短脉冲激光，另一种是长脉冲激光，两束激光的功率相匹配，调节两束激光同步后并束；

具体实现时，根据实际应用中的材料需要确定两种激光的功率，超短脉冲激光通常选取脉冲宽度为飞秒或皮秒数量级；长脉冲激光通常选取纳秒、微秒、毫秒或连续激光中的任意一种，本发明实施例对此不做限制。

其中，透明材料包括：玻璃、晶体和聚合物，对两种激光具有较高的透过率，通过率通常大于50%。

其中，对两种脉冲激光进行调节使得激光脉冲同步，以及并束的步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例在此不做赘述。

102：将两块待焊接透明材料6和7叠放在一起，其中，两块待焊接透明材料6和7相同或不同；

103：调节激光光路，使得激光通过物镜5聚焦在两块待焊接透明材料的分界面上；

104：当超短脉冲激光能量（或功率）对应的光强大于等于多光子吸收阈值光强1时，两束脉冲激光的焦点中心附近发生多光子吸收（电离），产生自由电子，即种子电子，种子电子吸收长脉冲激光；

具体实现时，当超短脉冲激光能量（或功率）达到（或超过）多光子吸收（电离）阈值时，在焦点中心附近的（大于多光子吸收阈值）部分区域会发生多光子吸收（电离），在该区域内产生自由电子。

105：当种子电子吸收的长脉冲激光的能量达到材料熔化阈值时，焦点中心附近的材料发生熔化并融合，随着激光焦点的移动，熔化的材料降温，凝固，连接在一起，实现连接或焊接。

其中，熔化阈值根据实际应用中的材料需要进行设定，具体实现时本发明实施例对此不做限制。

下面以具体的实施例对本方法进行详细的描述：

将石英玻璃作为待焊接透明材料6和7，首先将两片石英玻璃基片叠在一起，实现紧密接触。其次，超短脉冲激光采用脉冲宽度为1~10000飞秒、重复频率为0.001~100MHz、功率为0.01~100W、波长为1040nm的飞秒或皮秒激光振荡器（或放大器）；长脉冲（纳秒/微秒/毫秒/连续）激光（重复频率与超短脉冲激光匹配、功率为1~1000W、波长为1040nm）作为激光源，调节两束激光同步后，并束；使并束后激光通过数值孔径为0.01~2.0物镜5聚焦在待焊接的两片石英玻璃（基片）分界面上，调节激光能量使得靠近焦点中心处达到石英玻璃多光子吸收电离阈值光强1，产生自由电子，即种子电子，这些种子电子吸收长脉冲激光，当吸收的长脉冲激光的能量（或功率）大于等于石英玻璃熔化阈值时，（石英玻璃分界面两侧）焦点中心附近（即达到多光子吸收阈值）区域内石英玻璃发生熔化并融合，随着激光焦点的移动，熔化的石英玻璃迅速降温，凝固，连接在一起，实现连接或焊接。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种对透明材料进行焊接的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)选择两种能透过待焊接透明材料的激光，一种是脉冲宽度为皮秒数量级的超短脉冲激光，另一种是微秒或毫秒中的任意一种长脉冲激光，两束激光的功率相匹配，调节两束激光同步后并束；

(2)将两块待焊接透明材料叠放在一起，其中，两块待焊接透明材料不同；

(3)调节激光光路，使得激光通过物镜聚焦在两块待焊接透明材料的分界面上；

(4)当超短脉冲激光能量或功率大于等于多光子吸收阈值光强时，两束脉冲激光的焦点中心附近发生多光子吸收电离，产生自由电子，即种子电子，种子电子吸收长脉冲激光；

(5)当种子电子吸收的长脉冲激光的能量达到材料熔化阈值时，焦点中心附近的材料发生熔化并融合，随着激光焦点的移动，熔化的材料降温，凝固，连接在一起，实现连接。

2.根据权利要求1所述的一种对透明材料进行焊接的方法，其特征在于，两块待焊接透明材料之间不使用吸收层，透明材料包括：玻璃、晶体或聚合物，两种激光透过率均大于50％。