一种适用于活性易氧化材料的飞秒激光纯净增材装置

1.本发明属于活性材料微米尺度增材制造领域，具体涉及一种适用于活性易氧化材料的飞秒激光纯净增材装置。


背景技术：

2.微米尺度的增材是近年来出现的一种新型微米级加工技术，该技术可以精度达微米级别的结构或者具有微米级结构的功能性产品。与传统的微挤出机、微热压、激光蚀刻等微纳米加工不同，微米尺度的增材没有模型和材料的局限性，并且具有高精度、高质量、高度自动化、低成本等优点。广泛应用于微集成电路、微传感器、生物医疗芯片等诸多领域。
3.但是现有的微米尺度的增材方式的成本高、工序复杂且不易于活性易氧化材料的增材。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种适用于活性易氧化材料的飞秒激光纯净增材装置。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于活性易氧化材料的飞秒激光纯净增材装置，包括飞秒激光系统，真空系统，供体，受体和微米级增材工装；
6.供体和受体相对的装夹在微米级增材工装，且设置在真空系统的真空室内，供体下表面上镀有活性易氧化材料薄膜，供体和受体之间的距离为20um～1mm，飞秒激光系统对供体上的活性易氧化材料进行烧蚀，活性易氧化材料气化后沉积于受体上，通过控制供体和受体的移动，实现活性易氧化材料的微米尺度的增材。
7.进一步的，真空室配设入射窗，飞秒激光系统包括设置在真空室外的飞秒激光器、真空室外光路子系统和真空室内光路子系统；
8.飞秒激光器依次通过真空室外光路子系统、反射镜和真空室内光路子系统照射在供体上。
9.进一步的，真空室外光路子系统包括沿光路设置的扩束镜，聚束镜和反射镜；
10.真空室内光路子系统包括沿光路设置的振镜和物镜。
11.进一步的，真空系统还包括真空泵，真空泵用于对真空室进行抽真空。
12.进一步的，微米级增材工装包括x-y微位移平台，“l”型支架，受体固定机构和供体固定机构；受体固定机构和供体固定机构分别通过安装板安装在“l”型支架的竖板上，供体固定机构通过间隙调整螺栓调整受体固定机构在“l”型支架上的位置，从而调整供体和受体之间的间距。
13.进一步的，活性易氧化材料通过溅射镀膜法镀在供体表面，镀膜的厚度为20-60nm。
14.一种采用上述的装置进行活性易氧化材料进行增材的方法，包括如下步骤：
15.步骤(1)：采用磁控溅射将活性易氧化材料镀在供体表面；
16.步骤(2)：安装供体和受体，并调整两者之间的距离；
17.步骤(3)：将真空室抽真空至10-3
pa；
18.步骤(4)：使用飞秒准分子激光器作为试验的激光源，激光束聚焦在供体表面上，激光光斑尺寸在5
×
5和30
×
30um2之间变化，平均入射能量保持在170mjcm-2
；
19.步骤(5)：移动供体，重复步骤(4)实现对活性易氧化材料的增材。
20.进一步的，步骤(4)中激光源的脉宽为50～1000fs，功率为10～40w，重复频率100khz～50mhz。
21.一种上述的方法的用途，用于锌的增材，供体为石英晶片，受体为硅片。
22.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
23.(1)本技术由于采用了真空系统，分子泵可将真空室抽至10-3
pa，飞秒激光经专用光路系统导入真空室内，通过安装于真空室内部的振镜扫描位于供体工装上的活性易氧化材料，可避免活性易氧化材料在烧蚀气化过程中的氧化现象，保证微米级增材构件的纯净。
24.(2)本技术由于采用了真空系统，在沉积易氧化材料时，避免了空气中羽流的影响，使沉积的图案更加清晰，提高增材质量。
25.(3)本技术由于采用了微米级增材专用工装，可以调整供体与受体间的间隙，间隙可调范围20um～1mm连续可调，简化了实验流程。
附图说明
26.图1为本技术的增材装置整体结构示意图。
27.图2为本技术的供体与受体间微米级增材工装结构示意图。
28.图3为通过试验si上获得的锌图案：(a)在真空中，(b)在空气中。
29.附图标记说明：
30.1-飞秒激光器，2-扩束镜，3-聚束镜，4-反射镜，5-振镜，6-物镜，7-供体，8-受体，9-x-y微位移平台，10-真空室，11-入射窗，12-真空泵，13-固定螺栓，14-间隙调整螺栓。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
32.如图1-3所示，一种适用于活性易氧化材料的飞秒激光纯净增材装置，包括：飞秒激光器1、真空系统、专用激光光路系统、微米级增材专用工装等部件。脉冲时间为飞秒的激光经真空室外的子光路系统导入真空室10内，通过真空室内的子光路系统的振镜5扫描实现对微米级增材专用工装内部的活性易氧化材料供体的烧蚀，供体7上的活性易氧化材料气化后沉积于微米级增材专用工装内部的受体8上，实现活性易氧化材料的微米尺度的增材。
33.所述的飞秒激光器1的参数范围如下：脉宽为50～1000fs，功率为10～40w，重复频率100khz～50mhz；
34.所述的真空系统包括真空室10、入射窗、分子泵，真空室材料为钢化玻璃，激光通过入射窗进入真空室内的子光路系统，分子泵可将真空室抽至10-3
pa。
35.所述的专用光路系统包括真空室外的子光路系统和真空室内的子光路系统，其中真空室外的子光路系统包括扩束镜2、反射镜4、聚束镜3等模块，真空室内的子光路系统包括物镜6、振镜5等模块。
36.所述的微米级增材专用工装包括供体装夹模块、受体装夹模块、供体与受体间隙调整模块，通过固定螺栓将供体和受体进行装夹。
37.微米级增材专用工装的供体与受体间隙调整模块的间隙可调范围20um～1mm连续可调。
38.使用时，首先通过固定螺栓13将供体7与受体8固定在微米级增材专用工装上，并通过间隙调整螺栓14将供体7与受体8间的具体调整好。使用分子泵12将真空室抽至10-3
pa，启动飞秒激光器1，激光在真空室外的子光路系统通过扩束镜2进行扩束，通过聚束镜3进行聚束，通过反射镜4从入射窗11进入真空室内的子光路系统，激光通过振镜5扫描实现对微米级增材专用工装内部的活性易氧化材料供体7的烧蚀，供体7气化后沉积于微米级增材专用工装内部的供体8上，通过移动x-y微位移平台9进行反复沉积，达到增材效果。
39.实施例1
40.对锌薄膜分别在真空和空气中进行转移沉积增材试验，供体为石英晶片，通过溅射法将锌镀在供体上形成40nm厚的锌薄膜，作为转移材料，受体为硅片，供体受体之间的距离为100um。供体和受体被夹持固定在x-y微位移平台上，放置在一个真空室内，使用分子泵将真空室抽至10-3
pa。使用飞秒准分子激光器(λ＝248nm和τ
fwhm
＝450fs)作为试验的激光源，激光束聚焦在目标表面上，激光光斑尺寸(像素)在5
×
5和30
×
30um2之间变化，平均入射能量保持在170mj cm-2，在沉积过程中，通过ccd相机观察目标区域。在真空室内沉积之后，对zn图案化的si基板(zn/si图案)进行化学处理以合成zno纳米结构阵列。试验结果表明，在真空中的沉积图案质量较好，而在空气中的沉积图案基本模糊，如图3所示。另外，在真空中试验避免了zn在烧蚀气化过程中的氧化现象，没有产生杂质，保证了增材构件的纯净。