石英由于其優(yōu)異的熱、力、光以及化學特性被廣泛應用于微機電系統(tǒng)（MEMS）器件、光電器件以及微流控器件中。石英器件的生產包括單元部件的制作、組合以及整體測試等多個環(huán)節(jié),其中部件之間的組合是通過鍵合方法完成。而傳統(tǒng)鍵合方法中器件常受到加工條件的影響,比如需要將待加工器件置于高溫環(huán)境中,可對器件內部造成不可逆的損壞,或者加工后器件鍵合強度不高,從而限制了器件的應用范圍,亟需新的有效的鍵合方法。因此本課題利用飛秒激光加工技術,進行石英器件鍵合方法的研究。本文首先依據(jù)非線性光學和固體物理理論,分析了飛秒激光和石英介質相互作用的物理過程。研究了基于光電離效應和雪崩效應的自由電子產生過程,分析了自由電子能量傳遞至晶格的升溫過程以及飛秒激光對石英材料的加工效果。采用基于激光脈沖包絡傳輸方程以及自由電子密度演變方程的傳播模型,計算了激光脈沖在石英內部的傳播通量、激發(fā)的自由電子濃度的分布以及脈沖能量沉積的分布。根據(jù)計算結果,分析了非線性效應以及不同加工參數(shù)對脈沖傳播和能量沉積的影響。驗證了克爾效應對激光脈沖的聚焦效應,以及等離子體吸收為激光能量沉積到石英內部的主要機制。進一步分析了數(shù)值孔徑的大小對能量沉積... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學位級別】：碩士

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飛秒激光焊接玻璃示意圖[16]

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-6-2012年，Huang等人通過重頻為1MHz，波長為1030nm，脈寬為750fs的飛秒激光脈沖進行熔融石英的焊接實驗和密封的驗證[20]。采用的加工速度為1mm/s，對兩塊石英玻璃的四周通過激光掃描進行焊接，來達到邊緣密封的目的，如圖1-3所示，可以觀察到加工后玻璃的四周為焊接線，并且界面出現(xiàn)明顯且稀疏的干涉條紋，作者利用水浸的方式來簡單地驗證密封效果，焊接線外部的干涉條紋由于水浸入而消失，內部干涉條紋依然保留，說明具有一定的密封性。圖1-3經過飛秒激光焊接后的石英玻璃樣片[20]Hélie等人在2012年采用飛秒激光成絲來進行熔融石英的焊接[21]。作者提出除了利用高重頻脈沖產生局部熱量累積形成熔池的方式進行焊接，也可以利用激光光絲穿過玻璃界面，使能量沉積在界面處導致材料的熔融和固化來達到鍵合的目的。研究者在單脈沖能量為0.6μJ，重復頻率為250kHz，加工速度為1mm/s和數(shù)值孔徑為0.16的條件下，對兩塊熔融石英玻璃進行焊接。如圖1-4所示，當調整激光光束的位置來調整光絲在材料內部的位置，從而對界面的熔接寬度造成影響。a)b)c)Laser圖1-4飛秒激光成絲焊接石英玻璃的截面圖[21]a)焊接界面的掃描電鏡圖像，ABC分別代表不同的聚焦位置b)焊接界面的放大圖c)界面細節(jié)，不連續(xù)處代表焊接點

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-8-圖1-6在玻璃表面經過飛秒激光誘導形成的凸塊[25]2017年，Gstalter等人利用偏振顯微鏡研究了飛秒激光焊接玻璃后在加工區(qū)域產生的殘余應力[26]。可通過偏振顯微鏡觀察焊縫處的雙折射率現(xiàn)象，間接地得到殘余應力值。作者采用了脈寬為300fs，重頻為500kHz的激光脈沖，以及100mm焦距的掃描透鏡對硼硅酸鹽玻璃進行焊接。發(fā)現(xiàn)應力沿著激光掃描方向在焊縫周圍分布�？赏ㄟ^消減應力的方式去進一步提高鍵合的質量。Kim等人在2018年將飛秒激光應用到微流控芯片的鍵合和封裝上[27]。作者首先用飛秒激光在石英玻璃表面燒蝕產生微流控通道，然后利用氫氟酸對激光燒蝕通道進行腐蝕以去除燒蝕的顆粒，最后將兩塊石英玻璃通過飛秒激光進行鍵合，加工后器件的鍵合強度達到1.4MPa。2019年，該團隊利用飛秒激光進行血壓傳感器的封裝[28]，封裝的傳感器具有輕便和生物兼容性的特點，使飛秒激光技術逐漸地應用到功能器件鍵合上。1.2.2國內研究狀況國內研究學者在該方向的研究中，主要集中在實驗方面并通過改進工藝方法來提高鍵合指標，例如鍵合強度或加工效率。2013年，吉林大學吳思竹采用雙脈沖對玻璃進行焊接[29]。通過控制脈沖的延時來調控材料內部電子激發(fā)過程，基本原理是在第一個脈沖照射后，在內部激發(fā)出的自由電子來使材料對第二個脈沖的吸收率增高，該方法相對于傳統(tǒng)的單脈沖序列焊接，能夠將焊接效率提高了22%。2015年，北京航空航天大學程戰(zhàn)等人利用飛秒激光焊接石英玻璃與硅，研究了激光功率、掃描速度和離焦量對焊接強度的影響，通過適當?shù)墓に噮?shù)組合，焊接強度可達54MPa[30]。中國科學院西安光機所在2015年通過重頻為1kHz的飛秒激光脈沖，對玻璃和銅進行焊接，并研究了激光脈沖能量以及加工速度對剪

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]基于激光-物質相互作用的超短脈沖激光微焊接研究[D]. 張國棟.中國科學院大學(中國科學院西安光學精密機械研究所) 2019

碩士論文
[1]高重復頻率飛秒激光誘導玻璃相變的研究[D]. 程晨.華南理工大學 2014
[2]石英玻璃低溫連接技術與性能表征[D]. 蔣晨晨.哈爾濱工業(yè)大學 2013



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