基于MEMS工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元制备方法

基于mems工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元制备方法技术领域1.本发明属于激光火工品技术领域，涉及一种基于mems工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元制备方法。背景技术：2.激光飞片冲击起爆技术为激光火工品的一种重要起爆方式，其特点在于激光能量作为初始能源，通过高速飞片的撞击实现钝感装药爆轰，具有全钝感装药、起爆精度高、起爆威力大等优点。此系统使用光纤系统传能从而实现了含能材料和电系统的隔离，对静电泄放、电磁辐射等干扰钝感，故能够适应复杂电磁环境，是未来安全起爆技术的一个重要发展方向。目前国内在飞片换能元与光纤方面仍采用分体式设计，但这一设计带来飞片换能元与光纤末端能量耦合系数较低、飞片速度较低、可靠性差等问题，对与提升飞片换能效率、降低激光飞片起爆阈值极为不利。国外有光纤端面制备薄膜的相关报道，但是制备方法以薄膜涂覆为主，且无台阶，剪切飞片而造成的能量浪费也会导致换能元耦合效率降低。技术实现要素：3.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提出了基于mems工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元的制备方法。4.本发明的技术方案如下：5.步骤一：光纤清洗。利用超声仪对光纤端面用蒸馏水、有机溶剂依次进行超声清洗，进行烘干备用。6.步骤二：将光纤放入模具中。7.步骤三：制备烧蚀层和隔热层：在光纤端面光刻图形，磁控溅射、去胶。8.步骤四：制备飞片层：第二次光刻图形，磁控溅射、去胶。9.选用短石英光纤作为镀膜基底，结构采用烧蚀层-隔热层-冲击层，具体形状是台阶型，其中烧蚀层为al，隔热层为al2o3，飞片层(冲击层)为al。10.运用mems工艺中高度成熟的光刻工艺和磁控溅射技术，将台阶式激光飞片薄膜直接镀在光纤尾纤端面形成飞片换能元。11.以短石英光纤作为镀膜基底，能有效利用光纤传输的能量。在同样的注入激光能量条件下，减少通过其他介质时造成的激光能量衰减。激光从光纤输出端出射呈发散状，外层低能环区域呈扩散状，距光纤输出端2mm后的光斑面积比距光纤输出端0mm后的光斑面积大2.5倍左右。光纤式激光飞片换能元通过直接将换能元镀在光纤输出端，有效防止激光的发散、能量密度的下降。12.将激光飞片换能元形状制备为台阶型，减少加速膛剪切飞片造成的能量损失。传统激光飞片换能元无论单层膜还是复合膜，其形状均为等直径圆盘状，在激光等离子体驱动飞片时，隔热层和冲击层在经加速膛剪切过程中均会造成一定程度的能量损失。将飞片层设计为小于加速膛直径的圆，减少所需剪切薄膜的厚度，提高能量的利用效率，提高飞片速度。13.本发明的具有显著优点在于：14.1.利用mems工艺里的光刻加工技术和磁控溅射工艺，该方法可重复性好，成本低；15.2.台阶式激光飞片换能元需要剪切的金属膜厚度较薄，能在一定程度上降低等离子体驱动飞片时因剪切飞片造成的能量损失，有利于降低光纤式激光飞片的冲击起爆阈值；16.3.激光从光纤输出端出射呈发散状，光斑面积增大，激光能量密度下降。将换能元直接镀在飞片上，能有效减少激光能量的发散，保持激光的高能量密度，提高飞片整体的运动速度；17.4.直接将光纤作为基底，消除了激光通过其他介质时造成的干扰和衰减，提高了激光作用于飞片换能元的能量。附图说明18.图1为台阶式激光飞片换能元制备流程图。19.图2为台阶式激光飞片换能元示意图。20.图3为0.8mm芯径光纤、65mj激光能量光纤式激光飞片换能元与分离式激光飞片换能元飞片测试结果。21.图4为1.0mm芯径光纤、65mj激光能量光纤式激光飞片换能元与分离式激光飞片换能元飞片测试结果。22.图5为不同注入激光能量条件下，激光透过k9玻璃的能量损失测试结果。具体实施方式23.下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。24.一种基于mems工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元制备方法，包括具体步骤：25.1)光纤清洗。利用超声仪对光纤端面用蒸馏水、有机溶剂依次进行超声清洗，清洗完毕后用镊子取出基底，并进行烘干备用。26.2)将光纤放入设计好的模具中。27.3)在光纤端面进行均匀涂胶，涂胶后将光纤放入烘箱中进行烘干，以大于光纤芯径直径圆的掩模版为制版图形，在对涂有光刻胶的光纤端面进行曝光15-30s。28.4)将3)中获得的曝光后的光纤端面放入正性光刻胶显影液中进行显影，直到曝光区域的光刻胶溶解形成清晰光刻胶图形为止，并将显影后的光纤进行烘干。29.5)对显影后的光纤进行磁控溅射镀膜制备烧蚀层(al)和隔热层(al2o3)。30.6)对光刻胶显影，用有机溶剂去除光刻胶与表面多余薄膜形成薄膜图形。31.7)在第二层薄膜(隔热层)上进行均匀涂胶，涂胶后将光纤放入烘箱中进行烘干，以小于与之匹配的加速膛直径圆的掩模版为制版图形，在对涂有光刻胶的光纤端面进行曝光15-30s。32.8)将7)中获得的曝光后的光纤放入正性光刻胶显影液中进行显影，直到曝光区域的光刻胶溶解形成清晰光刻胶图形为止，并将显影后的光纤进行烘干。33.9)对显影后的光纤进行磁控溅射制备飞片层(al)。34.10)对光刻胶显影，用有机溶剂去除光刻胶与表面多余薄膜，得到最终成品。35.传统的分体式激光飞片换能元采用k9玻璃基底作为镀膜基底，激光飞片换能元镀在基底表面。激光能量经过光纤传输后透过k9玻璃基底作用于换能元。36.图5为不同注入激光能量条件下，激光透过k9玻璃的能量损失率测试。分体式激光飞片换能元由于基底为k9玻璃，激光通过玻璃基底时造成约11.9％～21.8％的能量衰减。而光纤式激光飞片换能元由于没有经过k9玻璃基底，光纤输出端能量即为耦合入换能元的能量，有效减少激光能量在传输中的衰减。37.图3-4分别为0.8mm与1.0mm芯径光纤传输条件下，对比光纤式激光飞片换能元与分体式激光飞片换能元在激光能量65mj时的飞片速度。38.0.8mm芯径光纤光纤式激光飞片换能元平均速度1648m/s，分体式激光飞片换能元平均速度1474m/s。1.0mm芯径光纤光纤式激光飞片换能元平均速度1735m/s，分体式激光飞片换能元平均速度872m/s。通过比较发现不论是1.0mm芯径光纤还是0.8mm芯径光纤进行能量传输，光纤式激光飞片换能元的飞片速度都高于分离式激光飞片换能元，最高飞片速度可达2485m/s。技术特征：1.一种基于mems工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：首先将光纤端面预处理：抛光、清洗、烘干；再将光纤放入模具中，对光纤端面依次经过一次光刻：涂胶、曝光、显影，进行磁控溅射、去胶，制备出烧蚀层和隔热层；在一次光刻的薄膜上依次经过二次光刻、磁控溅射、去胶，制备出飞片层，获得光纤式台阶型激光飞片换能元。2.根据权利要求1所述的基于mems工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元制备方法，其特征在于，短石英光纤作为镀膜基底；结构为烧蚀层-隔热层-冲击层，其中，烧蚀层为al，隔热层为al2o3，飞片层为al；形状为台阶型，其中飞片层直径小于烧蚀层和隔热层直径，并与加速膛直径匹配。3.根据权利要求1所述的基于mems工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元制备方法，其特征在于，光纤的芯径为0.8mm与1.0mm。4.根据权利要求1所述的基于mems工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元制备方法，其特征在于，光纤端面预处理具体步骤为：利用超声仪对光纤端面用蒸馏水、有机溶剂依次进行超声清洗，清洗完毕后用镊子取出基底，并进行烘干备用。5.根据权利要求1所述的基于mems工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元制备方法，其特征在于，一次光刻的具体步骤为：在光纤端面进行均匀涂胶，涂胶后将光纤放入烘箱中进行烘干，以大于光纤芯径直径圆的掩模版为制版图形，在对涂有光刻胶的光纤端面进行曝光15-30s；将获得的曝光后的光纤端面放入正性光刻胶显影液中进行显影，直到曝光区域的光刻胶溶解形成清晰光刻胶图形为止，并将显影后的光纤进行烘干。6.根据权利要求1所述的基于mems工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元制备方法，其特征在于，制备出烧蚀层和隔热层具体步骤为：对显影后的光纤进行磁控溅射镀膜制备烧蚀层和隔热层)，对光刻胶显影，用有机溶剂去除光刻胶与表面多余薄膜形成薄膜图形。7.根据权利要求1所述的基于mems工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元制备方法，其特征在于，制备飞片层具体步骤为：将获得的曝光后的光纤放入正性光刻胶显影液中进行显影，直到曝光区域的光刻胶溶解形成清晰光刻胶图形为止，并将显影后的光纤进行烘干；对显影后的光纤进行磁控溅射制备飞片层。技术总结本发明公开了一种基于MEMS工艺的光纤式台阶型激光飞片换能元制备方法，包括如下步骤：首先将光纤端面预处理，包括抛光、清洗、烘干；再将光纤放入设计好的模具中，对光纤端面依次经过一次光刻(涂胶、曝光、显影)，磁控溅射、去胶，制备出烧蚀层和隔热层；然后在一次光刻的薄膜上依次经过二次光刻、磁控溅射、去胶，制备出飞片层，获得光纤式台阶型激光飞片换能元。利用MEMS工艺制备的台阶型激光飞片换能元优势是将飞片薄膜直接镀在光纤端面，重复性好，成本低，且由于减少光纤输出端激光的发散，提高了光纤末端换能元的能量耦合效率。由于换能元台阶型，有效降低等离子体因飞片剪切造成的能量浪费，有利于降低光纤式激光飞片换能元的冲击起爆阈值。的冲击起爆阈值。技术研发人员：袁浩方 吴立志 支天金 谢天宇受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：2022.04.21技术公布日：2022/8/12