專利名稱:提高激光機加工除材速率的方法與設備的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及用脈沖激光器處理材料的方法,尤其涉及提高脈沖激光輻射去除材料的速率與精度的方法。
背景技術:
在1毫米量級深度下把材料鉆/切到約100微米截口寬度(縱橫比<10∶1),可用普通的機械車床和機床(如開槽鋸)。超過這一級別,一般用電子束或激光機床切割或高精度機加工(雕刻、鉆孔)。大多數(shù)電子束與現(xiàn)有的工業(yè)激光技術都通過局部熱處理,將要去除的材料加熱到熔點或沸點而把它去除。紫外激光器利用有機(以及某些無機)材料中的分子分解作用而實現(xiàn)激光加工,但這種光分解作用并不適用于所有的材料。
用電子束或當前技術水平的激光實現(xiàn)的局部熱處理的基本互作用,是在有關材料中入射束能量以熱形式的淀積(晶格振動)。連續(xù)式或脈沖式激光束被導向一組光學元件,后者把束聚焦到工件上。用脈沖激光時,束100包括一串獨立的脈沖102,其持續(xù)時間一般在150~500納秒之間,如100ns,重復頻率為0.1~100千赫(見
圖1)。各種材料的束能量吸收可很不相同,取決于金屬的熱機機特性。激光吸收還依賴于有關材料的光學特性,例如金屬與電介質的激光能量吸收完全不同。
被吸收的激光能量造成吸收地點及附近的溫度上升,當溫度升至熔點或沸點時,材料通過常規(guī)的熔融或蒸發(fā)被除去。根據(jù)激光的脈沖持續(xù)時間,輻射區(qū)溫升極快,造成熱消融與熱沖擊。輻射區(qū)被蒸發(fā)或直接消融掉的原因在于,局部熱應力變得大于材料的屈服強度(熱沖擊)。在所有這些場合中,在材料通過熱機理被除去的地方,在除去材料地點周圍的材料受到影響。周圍材料將經(jīng)歷大的溫度突增或沖擊,往往造成材料特性的明顯變化,包括粒結構的變化,微細裂口或實際的成分變化。這類成分變化包括氧化(若在空氣中切割或者是合金,就改變合金成分)。根據(jù)材料的熱機械特征、激光脈沖的持續(xù)時間與其它因素(如有效冷卻),受影響區(qū)域可從數(shù)微米到幾毫米。在眾多場合中,受發(fā)熱或沖擊影響的區(qū)域要嚴加限制,因為該區(qū)域的材料特征與整塊材料的特性完全不同。
普通的激光或電子束加工在高精密應用中的另一限制因素是存在再淀積或再固化的材料。如前所述,通過熔化或蒸發(fā)有關材料,會發(fā)生切割或鉆孔。除去區(qū)附近的表面經(jīng)受的重大熱負載,通常引起熔融,而熔融在固化前會伴有流動,并在截口周圍淀積渣。在許多高精密應用中,不允許有渣。而且,截口的壁上或上部表面常有蒸發(fā)材料的再淀積。這種凝結物常常降低了切割質量,降低了切割效率,因為束與下面的塊料互作用前,必須再除去這種凝結物。
用輔助技術幫助切割過程,可減少許多這類局限性。其中最常見的是在激光脈沖期間或緊接在其之后有效地冷卻有關材料,而且用高壓氣射流除去切口附近的蒸發(fā)或熔融材料以防再淀積。這類技術以明顯增大系統(tǒng)復雜性為代價而有效地改善了截口,但切割效率通常降低了。
在材料的極高精密加工方面,近來應用了使用極短脈沖(小于10-10秒)的激光器,諸如美國專利No.5,720,894所描述所那樣。該專利于1998年2月24日頒布,題為Ultrashort pulse,High Repetitim Rate Laser System for MaterialProcessing。該技術利用非熱機理除去材料,諸如美國專利No.6,150,630所述(2000年11月21日頒布,題為Laser Machining of High Explosives)。盡管該機理具有極高的精密度,對其余材料的間接損傷可略而不計,但是脈沖加工速率(每一激光脈沖除去的材料量)與加工效率(每焦耳激光能量除去的材料克數(shù))有限。
在大多數(shù)工業(yè)加工中,一旦達到了可接受的精密度與間接損傷,注意力便轉向優(yōu)化加工速率與效率。提高加工速率有若干技術,包括調整對特定材料的激光波長、束整形、開孔、氣體輔助裝置等。這些技術幾乎都與材料有關,而且激光機加工系統(tǒng)變得相當復雜。
發(fā)明內容
本發(fā)明通過提供一種應用激光脈沖脈沖串的材料變化方法與設備,很好地解決了上述要求與其它要求,其中脈沖持續(xù)時間與脈沖串之間的時序經(jīng)控制而提高了除材速率。
在一實施例中,本發(fā)明以材料變化法與該法的實現(xiàn)裝置為特征。該方法包括以下步驟提供激光脈沖的脈沖串,其中每個脈沖串包括至少兩個激光脈沖,各脈沖的持續(xù)時間為10ps~100ns,各脈沖串每一激光脈沖之間的時間為5ns~5μs;連續(xù)脈沖串之間的時間大于構成各脈沖串的每個激光脈沖之間的時間;以及脈沖串引到工件上,其中各脈沖串的主激光脈沖的強度超過工件的損壞閾值。
在另一實施例中,本發(fā)明以材料變化的方法為特征,包括步驟提供激光脈沖的脈沖串,其中各脈沖串包括至少兩個激光脈沖,連續(xù)脈沖串之間的時間大于構成每個脈沖串的每個激光脈沖之間的時間;把脈沖串引到工件上,其中各脈沖串主激光脈沖的強度超過工件的損壞閾值,各脈沖串的主脈沖產(chǎn)生消融等離子體與噴出物,各脈沖串的副脈沖在基本上耗散了消融等離子體后定時出現(xiàn)并與噴出物互作用,由此形成與工件互作用的加熱材料。
在再一實施例中,本發(fā)明以材料變化的方法為特征,包括步驟提供激光脈沖的脈沖串,其中各脈沖串包括至少兩個激光脈沖,連續(xù)脈沖串之間的時間大于構成各脈沖串的每個激光脈沖之間的時間;把脈沖串引到工件上,其中各脈沖串主激光脈沖的強度超過工件的損壞閾值,各脈沖串的主脈沖產(chǎn)生溫度大于200,000K的第一材料相和溫度小于10,000K的第二材料相;而且各脈沖串的副脈沖被定時為主要與第二材料相互作用。
在又一實施例中,本發(fā)明以材料變化的設備為特征,包括配置成產(chǎn)生激光脈沖的激光器,脈沖持續(xù)時間為10ps~100ns,激光脈沖之間的時間大于脈沖持續(xù)時間;配置成把每個激光脈沖分成分裂激光脈沖的分束器;各分裂激光脈沖運行的激光路徑,各激光路徑長短不一;和配置成接收每個分裂激光脈沖并把它們作為脈沖串引到工件上的合束器。各激光路徑配置成不同長度,使分裂激光脈沖之間到達工件的時間為5ns~5μs;而構成每個脈沖串的分裂激光脈沖主脈沖的強度超過工件損壞閾值。
附圖簡介圖1示出引到工件上的常規(guī)脈沖格式。
圖2A示出本發(fā)明脈沖串格式的一實施例。
圖2B示出本發(fā)明脈沖串格式的另一實施例。
圖2C示出本發(fā)明脈沖串格式的再一實施例。
圖3A示出本發(fā)明一實施例實行圖2A脈沖格式的、有均勻波長的系統(tǒng)。
圖3B示出實行雙波長脈沖格式的圖3A系統(tǒng)的變種。
圖4曲線示出用本發(fā)明一實施例方法在鋼中鉆孔的增強情況。
圖5照片示出與常規(guī)方法和本發(fā)明一實施例方法比較的開孔“鋁槽”截面圖。
圖6A-6E的曲線示出本發(fā)明一實施例受激光脈沖照射的工件密度的演化和得到的噴出物與相對工件表面位置的關系。
圖7是本發(fā)明一實施例方法的階段1主激光脈沖之前。
圖8是圖7方法的階段2主脈沖互作用。
圖9是圖7與圖8方法的階段3在主與副脈沖之間。
圖10是圖7-9方法的階段4副脈沖互作用。
圖11曲線示出本發(fā)明一實施例由主脈沖產(chǎn)生的壓力。
圖12曲線示出本發(fā)明一實施例由副脈沖產(chǎn)生的壓力。
圖13曲線示出本發(fā)明一實施例由主脈沖形成的表面溫度歷史。
圖14是本發(fā)明一實施例中工件受單一激光脈沖照射后11ns的表面照相圖像。
圖15是圖14工件表面受激光脈沖照射后37ns的照相圖像。
圖16是圖15工件表面受激光脈沖照射后30秒的照相圖像。
圖17曲線示出本發(fā)明一實施例的密度與溫度等壓線。
圖18曲線示出本發(fā)明一實施例在鋁與鋼中鉆孔的性能增強比。
圖19曲線示出本發(fā)明一實施例中鋁等離子體三種密度的熱導率。
圖20~22示了本發(fā)明附加實施例的脈沖串格式。
在所有附圖中,相應的標號指示相應的元件。
發(fā)明的詳細描述本發(fā)明的目的是以顯著提高的處理速度與效率對材料作高度精密的激光加工,而系統(tǒng)復雜性增加得最小。
在一實施例中,本發(fā)明是一種提高激光機加工處理速率與效率的方法,其做法是產(chǎn)生入射于工件的短持續(xù)時間激光脈沖的脈沖串,用于例如鉆孔、切割與雕刻。脈沖串中脈沖間的時序使脈沖串內副(次)脈沖與主脈沖產(chǎn)生的噴出物發(fā)生互作用。這里的噴出物指蒸汽、等離子體或混合材料相(包括液體、氣體與等離子體)的任何組合。
參照圖2A,工件受激光脈沖204、206的脈沖串202輻射。在一實施例中,含每個脈沖串202的各個脈沖204、206的持續(xù)時間為10ps~100ns,脈沖串202內各脈沖204、206之間的時間為5ns~5μs。脈沖串202間的時間決定于激光的脈沖重復頻率,后者為幾赫到100千赫;然而,脈沖串202間的時間明顯大于各脈沖串202內脈沖204、206間的時間(如比脈沖204、206間的持續(xù)時間大10倍或100倍或1000倍)。實施本方法可使用所有的激光波長和工件材料。當根據(jù)該實施例,脈沖204、206可配置成同一波長或不同的波長。
按照本發(fā)明若干實施例,主脈沖如脈沖204的強度超過工件或目標的損壞閾值,從而產(chǎn)生噴出物。可以理解,與主激光脈沖互作用產(chǎn)生的“噴出物”源自工件的固體密度狀態(tài),以及等離子體、氣體、低密度液體或其它相混合物的多種相中的轉變、壓力、溫度與密度的梯度,直至最終消失。參照下面的圖6A-6E可作出更詳盡的說明。但通常可以理解,這種噴出物以兩種主相產(chǎn)生,包括消融等離子體相和慢移噴出物相。為簡明起見,這些相通常稱為消融等離子體(相1)和慢移噴出物(或直呼噴出物或相2)。按照本發(fā)明若干實施例,各脈沖串202的副脈沖如脈沖206的時序使得消融等離子體在副脈沖之前已基本上耗散;但副脈沖主要作用于慢移噴出物而非工件表面。因此,副脈沖作用于慢移噴出物,于是后者形成再作用于工件表面的加熱等離子體或材料。副脈沖的這種互作用提高了除材速率,下面再詳細描述。
在一些實施例中,任一給定脈沖串里的各激光脈沖被引到目標或工件上某一位置,在空間上與至少一部分主脈沖焦斑重疊。因而在有些實施例中,副脈沖(如脈沖206)的焦斑配置成具有主脈沖(如脈沖204)幾乎同樣的空間分布,而在另一些實施例中,副脈沖則配置成與主脈沖具有不同的空間分布。可以理解,不要求脈沖串中的各脈沖準確的空間重疊,只須把脈沖串里的后面脈沖聚集成主要與主脈沖產(chǎn)生的噴出物發(fā)生互作用。各脈沖串里主脈沖(如脈沖204)的能量、持續(xù)時間、波長與焦點幾何尺寸要能超過工件材料的損壞閾值,而工件材料在焦斑某一部分上面噴出。各脈沖串202里的副脈沖和后續(xù)脈沖(如脈沖206)的持續(xù)時間、波長與焦點幾何尺寸,可以是給定參數(shù)內的任意組合,但要注意,在使用鋼、鋁與硅的實施例中,當能量接近或超過主脈沖能量時,除材速率就更高。注意,雖然在圖2A的脈沖串內示出了兩個激光脈沖,但在有些實施例中,有兩個以上含脈沖串的激光脈沖。還要注意,雖然圖2A的脈沖被示為方形脈沖,但是可將脈沖配置成高斯圖形、曲線形、三角形或任何其它已知的脈沖形狀。
在有些實施例中,副脈沖(如脈沖206)相對主脈沖(如脈沖204)的時序對加工很重要。工件在主激光脈沖204開始的時段內噴出材料,并繼續(xù)到主激光脈沖結束,時間從小于10-12秒到大于10-7秒,視材料、主激光脈沖204和激光焦點與工件的幾何尺寸而定。在這些實施例中,因噴出物的成分和物理特性隨材料、環(huán)境和激光參數(shù)以及噴出物形成時間而變,因而為確保消融等離子體基本上耗散,使副激光脈沖主要與慢移噴出物互作用而優(yōu)化除去工件材料、副脈沖206與主脈沖204的時序很重要。
本發(fā)明方法若干實施例與已知原有技術的主要差異在于,本方法認為初始激光-工件互作用造成的噴出物是有利的,而且是加工中的主要組成,并不試圖在工件附近將它完全除去或者根本不產(chǎn)生噴出物。
即使在至今為止研究的相關技術中涉及激光脈沖脈沖串的方法中(如圖1的方法),工件的噴出物未被用于加強材料處理。而通過連續(xù)應用激光脈沖以利材料處理的研究工作,注重用脈沖串的初始脈沖對工件進行熔化、弱化、粗糙或改變其它固態(tài)特征,使后續(xù)的激光脈沖能產(chǎn)生用作標記的光潔表面(如參見1996年9月10日頒布的題為Procoss for Engraving Ceramic Surfaces Using LocalLaser Vicrification的美國專利No.5,554,335),或者除去工件弱化的材料(如參見2001年1月2日頒布的題為Process for seguential Multi Beam Laser Processingof Materials的美國專利No.6,168,744)。這些例子都將后續(xù)激光脈沖直接作用于工件表面,其范圍限于材料標記與鉆石加工。
另一種應用飛秒激光脈沖串的技術(如2001年1月26日發(fā)表的題為Burst-Ultrafast Laser Machining Method的美國專利申請No.2001 0009250A1),通過應用快得足以使在脈沖串的激光脈沖之間基底保持發(fā)熱且材料保持軟化的激光脈沖而得益。據(jù)作者稱,軟化的工件材料被除去的速率比原始工件材料的更高;而且應用飛秒脈沖很重要,因為消融等離子體小得在各脈沖間耗散,允許激光直接作用于工件,故后續(xù)的飛秒脈沖直接作用于工件表面本身。相比之下,本發(fā)明若干實施例的后續(xù)納秒脈沖(持續(xù)時間比飛秒脈沖長百萬倍)被定時為主要作用于所產(chǎn)生的材料噴出物相,不作用于工件本身。
圖2B示出本發(fā)明若干實施例的另一脈沖串格式。本例中,脈沖串210包括一組集結的脈沖212、214,如包括重疊的或鄰接的定時脈沖。在一些實施例中,脈沖串看起來是幾個界限模糊處在一起的獨立脈沖。在該實施例中,脈沖212、214設計成把一些最小的脈沖能量(如中間的激光發(fā)射216)留在脈沖212、214之間。脈沖212、214的作用等同于圖2A的分立(即單獨的)激光脈沖。與圖2A的分立脈沖204、206相似,圖2B的脈沖212、214的持續(xù)時間為10ps~100ns,脈沖串210內各脈沖212、214間的時間為5ns~5μs。同樣地,連續(xù)脈沖串210間的時間也取決于激光的脈沖重復頻率(其范圍為幾赫~100千赫),例如為0.05~1.0ms。但如上所述,脈沖串210間的時間遠遠大于各脈沖串210內尖峰212、214間的時間。
注意,雖然脈沖212、214被示成略微重疊,但最好把脈沖212、214設計成在脈沖212、214峰間的任何中間激光發(fā)射216的能量不足以在照射噴出物時產(chǎn)生附加的消融等離子體。由圖6A-6E可見,在眾多實施例中,除材速率在消融等離子體最外區(qū)域被耗散時增高,因而允許進入的光(副脈沖如脈沖214的)達到較高密度的材料靠近工件的噴出物。若主副脈沖間不產(chǎn)生附加消融等離子體,則以前標識為消融等離子體的迅速耗散的最外面等離子體將最快耗散。因此,主副激光脈沖間無激光輻射是本方法的有效實施,如圖2A所示。
但如圖2B所示,為實現(xiàn)下面圖6D和10所述的狀況,不一定消除主副脈沖間的所有激光輻射。存在以足夠低的強度歷足夠長的持續(xù)時間基本上耗散消融等離子體的中間激光發(fā)射(如中間激光發(fā)射216),會損害本方法的效率,但不一定消除除材速率方面的所有優(yōu)點。因此,中間激光發(fā)射具有足夠低的強度,與工件互作用后不會產(chǎn)生附加的消融等離子體。不產(chǎn)生附加消融等離子體的最大中間激光發(fā)射量,視材料、氣氛與激光參數(shù)而定。
這樣,根據(jù)本發(fā)明眾多實施例,在涉及到含兩個或更多激光脈沖的脈沖串時就可理解,這些激光脈沖一般為任何脈沖類結構,諸如圖2A的分立脈沖204、206或圖2B的重疊或鄰接定時的脈沖212、214,只要脈沖212、214間的任何中間發(fā)射216不足以形成附加消融等離子體。另幾例脈沖串格式示于圖2C和圖20-22。
圖3A是本發(fā)明一實施例的系統(tǒng),用于實施圖2A中具有均勻波長的脈沖格式。如在本例中,激光器302產(chǎn)生持續(xù)時間為3納秒、波長為532nm的單—激光脈沖,雖然可以理解,在本發(fā)明若干實施例中,激光脈沖可以有其它的持續(xù)時間與另一種波長。激光器302以可調重復頻率10~100KHz(例如在10~10KHz之間)產(chǎn)生這些單脈沖,脈沖撞擊設計成反射成50%入射光的分束器304,在該點分為兩個脈沖(也稱為分裂脈沖)。從分束器304反射的脈沖導向合束器306和聚焦組件308。第二脈沖(即通過分束器304發(fā)射的分裂脈沖)通過延遲線傳播,而延遲線包括一對置于離分束器304幾米的高反射鏡310與312。穿過延遲線后,分裂脈沖即第二脈沖就撞擊合束器306。分束器304和合束器306包括若干合束光學元件之一分束器、偏振器、含孔鏡等。撞擊了合束器306后,第二脈沖導向聚焦光學元件308。第一和第二脈沖的路徑接近得足以使它們聚集在工件314的幾乎同一位置,即第一和第二脈沖具有幾乎同樣的空間分布,因而第一第二脈沖對應于上述的主副脈沖。注意,第一和第二脈沖可以聚集成具有基本上同樣的或不同的空間分布,而后者仍使第二脈沖與第一脈沖產(chǎn)生的噴出物互作用。還要注意,選擇不同的分束器304或合束器306設計或元件,可改變脈沖串內脈沖之間的能量分布和/或空間分布。這一作用是期望的,因為脈沖間的優(yōu)化能量分布隨材料與應用場合而變化。因而在一些實施例中,可把主副脈沖配置成具有基本相等的能量和/或強度或者不同的能量和/或強度。
因此,圖3A的系統(tǒng)示出一種產(chǎn)生含2個脈沖的脈沖串的簡易結構,該兩脈沖具有合適的脈沖持續(xù)時間和脈沖間的時間??梢岳斫猓淖兎质?04/合束器306和反射鏡310與312的距離,即改變第二脈沖傳播路徑的長度,即可方便地修正脈沖間的持續(xù)時間。
本例的脈沖串由兩個脈沖組成。另在本例中,脈沖串內各脈沖具有相同的能量,入射在目標上分開90ns。注意,脈沖間延遲是對材料與應用優(yōu)化的,在一實施例中,焦斑直徑為100μm,聚焦組件308使用f:10的平凸透鏡。各脈沖的能量為0.25mj~7mj,各脈沖串的能量相應為05mj~14mj;但應理解,脈沖和脈沖串準確的能量值可按應用要求而變化。
注意,脈沖串可以包括兩個以上脈沖,本領域技術人員很容易對此配置圖3A的設備。圖2C示出含三個連續(xù)激光脈沖222、224與226的這種脈沖串格式220。如上所述,較佳地主脈沖222形成快移消融等離子體相與慢移噴出物相,而輔助脈沖224和226主要作用在慢移噴出物相。脈沖串220的脈沖定時為在連續(xù)脈沖之間有5ns~5μs。注意,雖然圖2C的脈沖圖示為分立脈沖,但很容易把脈沖串格式改為具有重疊脈沖212、214的脈沖串格式,如圖2B所示。
還得注意,為了產(chǎn)生諸如圖2B的具有重疊或鄰接定時的脈沖串212、214的脈沖串格式,可以更換成修改圖3A系統(tǒng)的分束器304和合束器306。
圖4示出機加工速度的改善。圖4是在0.7mm厚的不銹鋼中,總能量/發(fā)射與除去厚度/發(fā)射的關系曲線圖,發(fā)射指含兩個或更多脈沖的單一脈沖串。顯然,應用本發(fā)明方法提高了鉆孔速率,例如線402代表圖2A的方法,而線404代表圖1的普通方法。還應理解,本文描述的方法也適用于切割、雕刻或其它材料變化。
在另一實施例中,在硅片鉆孔方面有一明顯的附加優(yōu)點。若通過增大各激光脈沖的功率來提高普通激光鉆孔技術的速度,硅片會破裂而劣化孔的質量。但本發(fā)明若干實施例可使鉆孔速度明顯提高而不造成類似大小的破裂。在迄今為止的研究中,速度提高了5~10倍。如下所述,該現(xiàn)象與副激光脈沖加熱噴出物而不是工件而產(chǎn)生的消融壓力減輕有關。
不僅鉆切速度提高了,質量也有改進。圖5示出在0.4mm厚鋁中開孔的槽截面的照相圖像502與504。本發(fā)明一實施例的技術(圖像502)的切速提高了2倍以上,而且與已知技術(圖像504)相比,減小了槽進出口邊緣的變形。注意,在圖5中,副脈沖能量是主脈沖的3倍。
第二實施例應用了多個波長,如圖3B所示。該例中,激光器352產(chǎn)生的單一激光脈沖,持續(xù)時間約3ns,同時包含532nm與1064nm波長的光。激光器352以10~100KHz可調的重復頻率產(chǎn)生這些單一的雙波長脈沖。脈沖撞擊晶體354(如8mm厚的KD*P晶體),后者通過非線性頻率轉換產(chǎn)生包括1064nm、532nm與355nm的輸出光。該三波長脈沖通過波長分離器356(通常稱為分束器)折射,產(chǎn)生三個輸出波長分離(如形成三個分裂脈沖)。分離器356包括棱鏡或涂膜后優(yōu)先反射有關波長的小鏡或者波板與偏振器等。本例中,532nm光穿過一延遲線,后者包括一對位于離分離器356幾米遠的高反射鏡358與360。穿過延遲線后,532nm光撞擊合束器362,而后者包括若干合束光單元件之一分束器、棱鏡、編振器、含孔鏡等。355nm光從分離器356進到合束器362而不穿過延遲環(huán)。各光脈沖撞擊合束器362后被導入聚焦組件364。第一(355nm)與第二(532nm)脈沖的路徑很接近,足以將它們聚集到工件366的幾乎同一位置。應該理解,根據(jù)系統(tǒng)配置,可以修改精確的參數(shù),如脈沖持續(xù)時間、波長等。在其它實施例中,1064nm光(即第三分裂脈沖)穿過不同的延遲路徑后在合束器362合束,構成另一種脈沖串格式(如圖2C)。另如上述所述,該分束器和合束元件經(jīng)修改,可產(chǎn)生分立或重疊/鄰接定時的脈沖,且具有基本上相同或不同的能量、基本上相同或不同的空間分布和/或基本上相同或不同的脈沖持續(xù)時間。
在迄今為止的硅研究中,以這種方式應用355nm光和532nm光,對普通技術的鉆速的提高幅度與應用單一波長脈沖的新方法至少一樣(如圖4)。
還應理解,產(chǎn)生副脈沖的延遲線可用小鏡358、360以外的物件構成,例如光可以穿過光纖而不是小鏡規(guī)定的延遲環(huán)路。
還應理解,分束器與合束器元件可以配置成產(chǎn)生2個以上的脈沖,例如分束器(分離器356)可將初始脈沖分成三個脈沖,各脈沖穿過不同的延遲路徑回到合束器。在另一例中,對延遲線引入另一分束器,把副脈沖分成兩個要被引回合束器的副脈沖。
圖6A-6E是本發(fā)明的一實施例的曲線圖,表示受激光脈沖照射的工件密度的演化和得到的噴出物與相對工件表面位置的關系。工件材料從其原來的固態(tài)變換到等離子體、氣體、低密度液體或各相混合物的整個過程中,最好把材料狀態(tài)描述為包含各種梯度,包括密度、壓力與溫度。隨著變換的材料不斷演化,梯度也在變化。無外力時,該材料將最終消失,使工件保持其固態(tài),失去被沒有主要工件材料的環(huán)境氣氛所包圍的除去的材料,因而圖6A-6E示意指出上述過程中作為位置函數(shù)的五個不同時間的密度演化。
圖6A示出固態(tài)的原始工件602被激光脈沖撞擊前的密度分布。圖示的602是工件的最高密度,即處于其原始的固態(tài)。水平軸為線性位置,垂線606指示工件表面的原始位置。因此,垂線606左邊為材料在工件表面下面的密度,故左移對應于在工件材料內進一步移離或移入表面。同樣地,垂線606的右邊是材料(即氣氛)在離開工件表面各種位置的密度,故右移表示材料離工件表面更遠。直線604代表零密度線,如在圖6A中,不存在工件材料。直線608代表入射激光脈沖導至工件時的透光度。因此根據(jù)本發(fā)明若干實施例,把透光度用直線608指示的主激光脈沖如脈沖204引到工件表面上。
圖6B示出主激光脈沖與工件在交互作用期間的密度分布。撞擊后,一部分工件從工件表面除去而移入環(huán)境氣氛,除去的材料圖示為正好在垂線606左邊的直線602中的小曲線。然而,該除去的材料變成等離子體610或噴出物擴散離開工件表面,它被圖示為向垂線606右邊擴展到零密度線604的陰影部分。由此可見,該等離子體610由多種不同密度的材料組成。若此時準備發(fā)射另一個激光脈沖,則水平箭頭612代表激光進入等離子體610的透光度。對于一般皮秒、納秒與微秒激光脈沖,該激光將穿透密度速度,直到等離子體頻率等于該光頻。根據(jù)等離子體的溫度與質量密度,該等效性出現(xiàn)在第1/10~1/1000固態(tài)密度的密度。因此,當激光加熱等離子體而后者擴展時,激光就開始與等離子體互作用,不再到達等離子體后面工件的高密度固體材料。
圖6C示出等離子體610與來自目標的其它噴出物在主激光脈沖之后的演化。等離子體610外區(qū)域(即離圖6C中垂線606右邊最遠的部分)比更接近目標表面的較高密度材料擴散得更快。隨著外區(qū)域擴散,其密度和溫度降低。同樣地,若此時準備發(fā)射另一激光脈沖,直線614就代表激光進入等離子體610的透光度。同樣地,該脈沖并不穿透等離子體610材料,故不與工件表面互作用。注意,與圖6B相比,此時發(fā)射的激光脈沖將與離工件表面更遠的噴出物互作用。
圖6D示出本發(fā)明若干實施例在向工件發(fā)射副激光脈沖如激光脈沖206時的等離子體610和噴出物。此時,等離子體外區(qū)域經(jīng)過充分的擴散,使激光能通過它們撞擊還未耗散且相對靠近工件表面的密度較高的等離子體、蒸氣、噴出物或它們的混合物。直線616對副脈沖代表激光進入等離子體610的透光度。有利的是,根據(jù)眾多實施例,低密度等離子體基本上耗散了,留下離工件表面更近的密度較高的慢移噴出物。副脈沖主要與離工件表面更近的這密度較高的慢移噴出物(這里一般稱為慢移噴出物)互作用,幾乎不與低密度的快移噴出物相(這里稱為消融等離子體)互作用。通過在該點及時地引導副脈沖,深信能提高除材速率。
圖6E示出若不發(fā)射副脈沖的時間長得足以使工件上的材料處理停止演化(如約1毫秒)時的密度梯度。這里目標無密度梯度,經(jīng)歷了從固體到環(huán)境氣氛的銳變,像激光脈沖撞擊工件之前一樣。然而,從固體到環(huán)境氣氛的銳變已左移,說明材料被除去。另外,若以后準備發(fā)射附加脈沖,則直線618代表另一激光脈沖可能具備的透光度。例如根據(jù)本發(fā)明若干實施例,工件此時受另一脈沖串照射,使另一主脈沖204撞擊工件表面。與之對照,一般方法在所有噴出物消失后,第二激光脈沖此時會射至工件(如見圖1)。
應指出,上述作為單激光脈沖影響結果的工件與各種相變化的互作用,本領域的技術人員一般都理解。雖然完全準確地說明所涉及的物理過程要求描繪前面的梯度,但是一種有用的近似方法是將梯度按其主要物理特性分為三個區(qū)域或三個相。第一區(qū)域或相對應于固態(tài)密度物質,即工件與激光脈沖互作用之前,該區(qū)域包括可在熔化池里找到的液態(tài)的材料,通常具有與固態(tài)類似的密度。第二區(qū)域或相對應于接近目標而且耗散相對慢的噴出物,根據(jù)若干實施例,暴露于進入的光,如圖6D所示,如前所述,該噴出物出現(xiàn)組合了若干可能的物理狀態(tài),包括液體、蒸氣、氣體、等離子體與特定物質。因該噴出物的耗散時間相對長,故該區(qū)域稱為“慢移噴出物”。第三區(qū)域或相是移動相對迅速且耗散相對快的消融等離子體,被稱為“消融等離子體”。
按其物質的特征狀態(tài)與其演化的時標對這些梯度分類,是一種簡便的說明本發(fā)明若干實施例得益于激光材料處理的機理的方法。另一個區(qū)分不同噴出物相的近似方法由得出的噴出物的溫度來定義,例如慢移噴出物的溫度通常小于是10,000K,而消融等離子體的溫度一般大于20,000K。該近似法雖然排除了一部分梯度,但不影響有關實施本方法的討論。
圖7~10是本發(fā)明一實施例用兩個適當定時的激光脈沖提供適合了除材條件的示意圖。圖中的脈沖由合適的激光與光學設備如參照圖3A與3B描述的設備產(chǎn)生。圖7示出經(jīng)聚焦透鏡706射至目標708(工件)的主脈沖702和副脈沖704,圖8和9示出主脈沖與目標708的互作用,主脈沖702產(chǎn)生迅速耗散的消融等離子體802和慢移噴出物902。注意,消融等離子體和慢移噴出物是主脈沖702產(chǎn)生的所得噴出物的不同相,圖6A-6E作了詳細說明??梢钥闯觯诘入x子體802是一種快移材料,例如移速至少為106cm/s,也是迅速耗散的材料;但其速度隨工件材料、周圍環(huán)境與激光輻射參數(shù)而變??梢钥闯?,慢移噴出物902或材料的擴散速度比消融等離子體802慢得多,如移速為103~105cm/s,但其速度視工件材料、周圍環(huán)境與激光輻射參數(shù)而定。為了形成加熱的等離子體或材料1002(即熱的噴出物902),副脈沖704主要作用于慢移噴出物902,一般不作用于工件708表面。簡言之,該方法用副脈沖加熱主脈沖702在工件中間附近產(chǎn)生的碎片場(如主脈沖702產(chǎn)生的噴出物的慢移噴出物902相),于是該加熱的材料1002(如加熱的慢移噴出物)作用于工件及其噴出物,以除去工件材料。對壓力、溫度和噴出物速度作測量與分析,揭示了傳導、壓力、流體力學與相變的物理過程,并示明該新方法如何處理這些過程而提高除材速率。而且,這種新的數(shù)據(jù)與分析可指導開發(fā)基于該新方法的機加工技術。但在討論詳細技術前,注意主激光脈沖產(chǎn)生的噴出物以兩種不同的相出現(xiàn)是有益的。首先,有一包括在本例氣氛環(huán)境中在30ns內耗散的消融等離子體(即消融等離子體702)的初始相。注意,若環(huán)境處于真空等較低壓力或壓力箱等較高壓力或者有助噴氣體,則噴出物的消融等離子體相的耗散率可能改變。第二,有一噴出物(即噴出物903)的慢移體留在靶點附近,在副脈沖到達前不耗散。還得指出,在其它實施例中,使用了兩個以上脈沖,例如用一個副脈沖和一個或多個附加脈沖來加熱噴出物902或碎片場。應指出,主脈沖702和副脈沖704可以配置成具有相同或不同的波長、能級、強度和/或空間分布。還理解,圖7-10中的脈沖702和704可以是任一種脈沖類結構,如參照圖2A、2B、2C和20~22所描述的那些結構。
壓力測量在一實施例中,測量壓力時應用薄箔作為工件,用速度干涉系統(tǒng)用于任意反射器(VISAR),其操作與功能為本領域共知,VISAR使用加到10μm厚目標箔背面的光學探針(532nm激光)。機加工的激光脈沖撞擊箔正面,而箔薄得足以讓激光在正面產(chǎn)生的壓力波通過箔傳到背面而無衰減。因此,在背面的壓力測量精確地代表了激光機加工脈沖(如脈沖702和704)產(chǎn)生的壓力。圖11和12對主激光脈沖(圖11)和副激光脈沖(圖12)二者比較了作為激光功率函數(shù)而測得的壓力,上下壓力曲線包括了測量的不確定性。
圖11和12的曲線表明,根據(jù)本發(fā)明一實施例,在副脈沖與主脈沖產(chǎn)生的噴出物互作用期間,副脈沖產(chǎn)生的壓力最多為主脈沖在其與工件互作用期間所產(chǎn)生的壓力的1/4~1/2。比較說明副脈沖與噴出物的互作用基本不同于主脈沖的互作用。
溫度測量溫度測量基于用InGaAs光電二極管測得的熱發(fā)射,其操作與功能為本領域共知。光電二極管的上升時間小于3ns。對于入射鋁目標的3ns激光脈沖,圖13示出了工件表面上方材料(包括慢移噴出物)的溫度歷史。圖13說明,在遠遠超過90ns脈沖間延遲的時段內,溫度保持比2520K的沸騰溫度高得多。
根據(jù)參照圖6A-6E描述的梯度及其演化,知道光學發(fā)射測量代表發(fā)射與吸收通過等離子體到工件背面冷材料沿視線的積分。從特性上講,熱區(qū)域比冷區(qū)域發(fā)射更多的光,但這一狀態(tài)被等離子體吸收光的傾向和前述的稠密等離子體防止光傳播的特征抵消了。這一情況適用于離開與進入等離子體的光。
因此,熱的內部區(qū)域的發(fā)射被存在的外部等離子體或噴出物遮擋。時間消逝照相測量(圖14~16)表明,消融等離子體耗散所需的時間約30納秒。在此時間內,光電二極管撿出的發(fā)射經(jīng)歷了大的增大,然后穩(wěn)定,再在以后上百納秒內緩慢下降。在前30納秒內,發(fā)射產(chǎn)生的溫度并不代表慢移噴出物,可能源自通過消融等離子體的視線積分。
噴出物的時間消逝照相測量還表明,對于30ns后的時間,不存在中間的等離子體,慢移材料的擴散速度很慢。因此在激光脈沖入射30ns后的時間,光電二極管記錄的發(fā)射由靠近目標表面的材料產(chǎn)生,并非通過空氣傳播離開激光焦點沖擊波所為。
如前面參照圖6A-6E所討論的,消融等離子體的溫度超過20,000K,而且從前述的發(fā)射測量可知,慢移噴出物在激光脈沖30ns后的溫度為7000K量級(即小于10,000K)。該發(fā)射用鋁靶測量,溫度隨所用的材料與激光器而變。在眾多實施例中,消融等離子體超過20,000K。
還得注意,圖13未示出消融等離子體的溫度(如擴散的消融羽煙和任何與環(huán)境氣氛互作用引起的現(xiàn)象如沖擊波等)。還應指出,在前30ns內,若存在消融等離子體羽煙,沖擊波遮蔽工件表面的熱材料(包括慢移噴出物);因此,圖13未精確地示出慢移噴出物在前30ns的溫度。
注意,不同材料得出不同結果,隨主脈沖的能量、持續(xù)時間、波長等變化;但一般而言,發(fā)現(xiàn)主脈沖產(chǎn)生加熱到至少20,000K溫度的第一材料相(如消融等離子體)和加熱到低于10,000K溫度的第二材料相(如慢移噴出物)。這樣,副脈沖被定時為主要用于第二材料,后者被加熱后作用于工件表面,還要注意,在眾多實施例中,第一材料相加熱的溫度為第二材料溫度的5倍,更佳為10倍。
時間消逝照相(噴出物)測量下面參照圖14~16,圖示為工件表面受單一激光脈沖(即主脈沖)撞擊后在各個時間的照相圖像。對這些測量,通過把靶點成像到照相機上來研究鋁靶。靶用波長為532nm的3ns激光脈沖照射,如圖7所示,波長為355nm的機加工激光器發(fā)出的單一脈沖被引到靶上。注意,圖14~16的照相圖像以相對工件60度角和相對入射激光脈沖30度角拍攝。照明激光的時序在機加工脈沖之后從10ns變到50ns,提供與機加工激光互作用后不同時間的靶像。拍攝后等較長時間(30秒),第二次發(fā)射照明激光,在對靶的所有處理停止演化時,產(chǎn)生靶的后攝圖像(見圖16)。
由圖14可見,結果表明,在主激光脈沖之后11ns探針激光延遲時間,靶右側仍被主脈沖產(chǎn)生的等離子體羽煙1402遮蔽。圖中還示出了密度較高而且更接近工件表面的慢移噴出物1404。照相匯集系統(tǒng)的斜入射角和鋁箔固有的表面特征有助于披露這一特征。中央黑斑一側(左側)看得出在制造過程中埋入卷箔樣品里的水平線1406,在另一側(右側)卻看不出,因為出現(xiàn)消融等離子體1402時,沖擊波從表面升起,斜入射的探針激光不能穿過它揭示激光斑右側未受損的靶面。圖中還示出了人為現(xiàn)象1408,它通過透鏡加在圖像上。圖15示出主激光脈沖撞擊靶37ns后的靶照片。此時,消融等離子體幾乎已耗散,探針光照明激光斑兩側未損壞的靶,即表面兩側看得見水平線1406。激光斑自身全暗,說明靶面附近有慢移噴出物1404。圖16示出激光照射后30秒的靶。直徑與圖15的暗斑相近的損壞區(qū)1410或損壞斑清晰可見,而且有更深的凹孔或具有陡壁的中心孔1412,示為中心的暗斑。
目前認為有三個顯著的特征。首先是照明激光被延遲數(shù)十納秒的圖像(見圖14)顯示出全暗的靶區(qū),認為是一種高度吸收或高度散射的媒體。第二特征是在機加工30秒之后攝取的圖像(見圖16)表明激光對靶的整體效果大小近似等于該暗區(qū)或損壞區(qū)1410。第三,本例中因匯集光學元件的軸線的入射角約為60°,故包括噴出的1404慢移相(如噴出物902)的“暗物質”范圍,不超過靶面靶心上方100μm,在斑邊緣小于10μm。若噴出物1404在表面上方高于該范圍,就會遮蔽圖15和圖16可見而圖14不可見的照片右側可見的靶,這種現(xiàn)象認為是一種極慢的軸向擴散速度,最大為104~105cm/s。由于照片中未見30ns后的橫向擴散跡象,故橫向擴散速度不超過103cm/s。
副脈沖與增大的機加工速率的互作用由診斷結果可得出與雙脈沖激光機加工有關的四個結論。深信這四個結論構成了理解本發(fā)明若干實施例的基礎,并被應用于范圍廣泛的各種材料、激光器與工藝。
結論1在主脈沖后面出現(xiàn)的除材過程分兩個相快移消融等離子體(如消融等離子體802)和慢移噴出物體(如噴出物902),后者保持在靶點附近,歷時數(shù)百或數(shù)千納秒。從時間消逝照片和壓力測量得出該結論。
結論2第二個結論是慢移噴出物可能是混合的液體—蒸氣相。該結論歸因于其低的擴展速度。低的擴展速度意味著低的流動壓力。
計算和測量(如取自D.Bauerle的論文Laser,Processing andChemistry,pp.638-642,Springer-Verlag,New York,2000)表明,初始消融等離子體的擴散速度為106cm/s量級,目前研究中用鋁靶作的壓力測量表明,45Kbar壓力對應于這些擴散速度。因慢移物質的擴散速度至多為消融等離子體速度的1/10~1/1000,故肯定壓力至多為消融等離子體壓力的1/10~1/1000,因而壓力范圍為50Bar~5KBar。(圖17示出鋁在三種壓力下的密度與溫度,壓力由眾所周知的普通狀態(tài)議程(QEOS)算出,它與理想氣體狀態(tài)方程完全不同。因慢移噴出物溫度為4000~8000K(雖然本實施例可達到10,000K),故圖17示出的慢移物質的密度為固體密體的1/10到小于1/100。密度與溫度的這一組合對應于QEOS所預測的鋁的液體-蒸汽共存區(qū)域。
結論3副激光脈沖通常不直接與工件作用,而主要作用于慢移物質(即噴出物902),以形成另一種然后與工件和噴出物互作用的等離子體(如材料1002)。
副脈沖與靶的互作用同主脈沖的互作用截然不一樣。緊鄰工件存在一經(jīng)久不消的噴出物體,它與進入的激光(如副激光脈沖)強烈地互作用,而且副激光脈沖在固態(tài)靶內產(chǎn)生的壓力為主激光脈沖產(chǎn)生的壓力的一小部分。
結論4慢移材料(即噴出物902)的容積、質量和成分影響著副脈沖互作用的特征。
副脈沖產(chǎn)生的等離子體與工件互作用的方式,可能組合了熱傳導、壓力和離開工件的材料流的變化。
例如,假設熱導率相等,產(chǎn)生大的厚慢移材料層的主脈沖互作用,將在副激光脈沖加熱區(qū)域到工件的薄層提供比慢移材料的情況更少的熱傳導。
通過應用本發(fā)明一實施例方法比較在鋁與不銹鋼中鉆孔,強調了這一現(xiàn)象。圖18示出的性能增強比,是應用一雙脈沖技術實施例如圖2A的激光器每次發(fā)射移離靶的μm數(shù)除以應用單脈沖技術如圖1的激光器每次發(fā)射移離靶的μm數(shù)。由于在一實施例中,雙脈沖配置的每一激光發(fā)射分裂成主副脈沖,計算比值時把每次激光發(fā)射在靶上的總能量用作比較基礎。例如,雙脈沖技術在主副脈沖能量之和為2mj時的切割速率,將被單脈沖技術在單脈沖能量為2mj時的切割速率分隔,以得到在2mj的性能增強。
應用該雙脈沖技術實施例的結果差異顯然與材料有關,這從圖18看出。雖然雙脈沖鉆孔在薄的或厚的鋼板中得出大致相同的增強作用,但在薄鋁板中不見增強,在厚鋁板中卻有增強。一種似是而非的解釋認為鋁與鋼的擴散性不同。表1示出近似的熱導率和蒸發(fā)掉等量的鋁與不銹鋼所需的能量。
表1
在主激光脈沖產(chǎn)生消融等離子體802時,來自等離子體的熱傳導將加熱未消融的固體密度靶材料。由圖11與17可見。因消融等離子體產(chǎn)生的壓力高得足以抑制蒸發(fā)產(chǎn)生的低密度材料擴散,故形成了直到激光脈沖之后才能蒸發(fā)掉的超熱材料。超熱材料的發(fā)射后蒸發(fā)很可能形成該慢移材料層。表1說明,鋁的熱導率為不銹鋼的5倍,其熱容量是后者的1/3,因而熱傳導把能量更快地送入鋁,鋁則以比同等量的不銹鋼更少的能量變熱、熔化和蒸發(fā)。因此,當主激光脈沖撞擊鋁靶時,將產(chǎn)生比主脈沖在鋼靶中產(chǎn)生的更厚重慢移材料層(噴出物902)。
在若干實施例中,形成超熱層的壓力對副脈沖互作用很重要。因副脈沖產(chǎn)生5Kbar的壓力,與密度為固體密度1/10~1/100的等離子體差不多,故根據(jù)圖17,副等離子體(如副脈沖加熱的材料1002)的最大溫度為10,000~100,000K。圖19示出鋁的熱導率,說明溫度升高時,通過該等離子體的熱傳導接近通過冷固體鋁的熱傳導。這樣,副脈沖產(chǎn)生與工件熱接觸良好的熱等離子體(如材料1002),但沒有伴隨主脈沖的高壓,因此材料更易蒸發(fā),對副脈沖形成比主脈沖更少的超熱液體。
在正確條件下,該工藝能迅速除材。在不銹鋼情況下,每次發(fā)射通常比鋁產(chǎn)生較少的噴出物,必須傳導副脈沖熱量的距離較短,噴出物封閉鉆孔的傾向較小,圖18的機加工增強比反映了這種情況。在鋁的情況下,產(chǎn)生的噴出物902更多,降低了副脈沖的傳熱效能,容易封閉深孔。
孔封閉值得再作討論。雖然上述不銹鋼中的加工以蒸發(fā)與傳熱等物理過程為主,但是副脈沖在鋁靶內產(chǎn)生的等離子體卻增強了機加工速率,原因也不同。如圖18所示,副脈沖對薄鋁板的作用相對很小,因為孔不會深得使慢移材料阻塞該孔或要求多次發(fā)射以得到大的重鑄深度。
在比500μm更深的鋁孔中,慢移層的105cm/s速度指慢移材料要用500ns時間清潔該孔。圖13清楚地示出,慢移材料溫度在僅200ns后就跌至接近沸點。顯然,大部分冷卻作用在慢移材料清潔孔之前就開始了,導致材料再淀積增強,因而降低了機加工速率。副脈沖加熱慢移材料,幫助其流出孔并離開靶,故減少了孔的阻塞。
還值得提及存在于副等離子體內有助于材料流離靶斑的壓力的大小,雖然圖11和12示出主脈沖壓力是副脈沖壓力的若干倍,但副等離子體的范圍可以比主等離子體更大,因為它具有在兩脈沖間擴散的時間。這一擴散開辟了另一種處理副等離子體與工件互作用的可能性,可將它用作超高壓氣體輔助射流。
圖12示出副脈沖產(chǎn)生的壓力為幾KBar~20Kbar。以psi表示,該范圍為30,000~300,000psi,這并非上限,但在測試中受到有效激光功率的限制??梢栽O想,最終壓力還可以高得多。這一高壓力實際上被傳遞至工件,因為這些壓力是在相對受機加工激光撞擊的面的薄箔背面測出的。這些壓力顯然能把主脈沖產(chǎn)生的熔融或弱化的材料吹出截口,以實現(xiàn)更高的機加工速率。
下面參照圖20-22,圖示為本發(fā)明附加實施例的脈沖串格式。因此,設計的圖20-22的脈沖串使副脈沖定時成在基本上耗散了消融等離子體后出現(xiàn),以使它與靠近工件表面的慢移噴出物互作用。而且如上所述,后續(xù)脈沖串之間的時間長于各脈沖串的諸脈沖間的持續(xù)時間,例如大10~1000倍。
圖20示出的脈沖串2000具有主脈沖2002和副脈沖2004,它們是分立的高斯圓角形脈沖,與例如圖2A的方形脈沖相對。如上所述,在一實施例中,構成每一脈沖串2000的各種脈沖2002、2004的持續(xù)時間為10ps~100ns,脈沖串2000內各脈沖2002、2004間的時間為5ns~5μs。這種脈沖串可用本領域已知的激光器產(chǎn)生。
圖21示出含主脈沖2102與副脈沖2104的脈沖串2100。本例的副脈沖2104,其持續(xù)時間超過主脈沖2102,例如約10倍。而且副脈2104的強度和能量超過主脈沖2102的強度和能量。主脈沖2102如上述那樣配置,故強度(即脈沖幅值)超出工件的損壞閾值。不過優(yōu)點在于副脈沖具有比主脈沖更高的持續(xù)時間、強度與能量,例如因與副脈沖2104互作用期間產(chǎn)生的壓力是與主脈沖2102互作用期間產(chǎn)生的壓力的一小部分(如1/4),故與主脈沖相比,提高副脈沖2104的強度、能量和持續(xù)時間中的一個或多個是有利的,比如副脈沖的強度可達到主脈沖的10倍(較佳為3倍)。同樣地,副脈沖的持續(xù)時間可達到主脈沖的20倍(較佳為10倍)。以脈沖能量來衡量,副脈沖能量可達到主脈沖的10倍。由此可見,副脈沖相對于主脈沖的參數(shù)更改利用了與副脈沖互作用期間產(chǎn)生的較低壓力,因而進一步增強了材料變化處理。這種脈沖串可用本領域已知的激光器產(chǎn)生。
圖22示出的另一種脈沖串2200,具有主脈沖2202和副脈沖2204。本例的主脈沖是一連串用作單脈沖的極短的重疊脈沖,此類脈沖結構可用分裂與組合脈沖的激光器或光學元件產(chǎn)生。副脈沖2204類似于主脈沖2202,但各成分脈沖間很少重疊。因此,雖然主副脈沖2202和2204不同于如圖2A的主副脈沖204與206,但是它們被設計成起同樣的作用。副脈沖還可用激光設備或運用分裂與組合子脈沖的適當光學元件或者利用激光的模式脈動來產(chǎn)生。主副脈沖2202和2204還設計成具有10ps~100ns的持續(xù)時間,如上所述。還要注意,主副脈沖間還有一中間激光發(fā)射2206,但一般被視為噪聲。通常主要的在于,出現(xiàn)的任何中間激光發(fā)射的強度要低得足以不讓工件產(chǎn)生附加的消融等離子體,因為副脈沖2204被定時為在基本上耗散了消融等離子體后出現(xiàn)。還要注意,脈沖串2200也可以無中間激光發(fā)射。還要指出,特定的脈沖串可以包括至少類似于脈沖2202的脈沖或至少類似2204的兩個脈沖。在另一類變型中,給出的脈沖串可以包含不同組合的圖2A、2B和20-22所示的各類脈沖。
雖然運用特定的諸實施例及其應用描述了本文所揭示的本發(fā)明,但是本領域的技術人員可對此作出各種修正與變化而不違背如權利要求所提出的本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種材料變化方法,其特征在于包括提供激光脈沖的脈沖串,其中每一脈沖串包括至少兩個激光脈沖,每個激光脈沖的脈沖持續(xù)時間為10ps~100ns,各脈沖串的每一激光脈沖間的時間為5ns~5μs;連續(xù)脈沖串間的時間大于構成各脈沖串的每一激光脈沖間的時間;和把脈沖串引到工件上,其中各脈沖串主激光脈沖的強度超過工件的損壞閾值。
2.如權利要求1所述的方法,其特征在于,各脈沖串的激光脈沖含分立的激光脈沖。
3.如權利要求1所述的方法,其特征在于,各脈沖串包含重疊的激光脈沖。
4.如權利要求3所述的方法,其特征在于,脈沖串內一對重疊激光脈沖間的中間激光發(fā)射具有與工件互作用時不產(chǎn)生附加消融等離子體的強度。
5.如權利要求1所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖含基本相同的持續(xù)時間。
6.如權利要求1所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖含不同的持續(xù)時間。
7.如權利要求1所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖具有基本相等的能量。
8.如權利要求1所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖含的能量不同。
9.如權利要求1所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖含基本相同的空間分布。
10.如權利要求1所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖含不同的空間分布。
11.如權利要求1所述的方法,其特征在于,把兩個或更多的脈沖串反復地引到工件上。
12.如權利要求1所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖包括波長基本上相同的光。
13.如權利要求1所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖包括波長不同的光。
14.一種材料變化方法,其特征在于包括提供激光脈沖的脈沖串,其中各脈沖串包括至少兩個激光脈沖,連續(xù)脈沖串間的時間大于構成各脈沖串的每個激光脈沖間的時間;把脈沖串引到工件上,其中各脈沖串主激光脈沖的強度超過工件的損壞閾值;其中各脈沖串的主脈沖產(chǎn)生消融等離子體和噴出物;和其中各脈沖串的副脈沖定時成在基本上耗散了消融等離子體后出現(xiàn)并與噴出物互作用,從而形成與工件互作用的加熱的材料。
15.如權利要求14所述的方法,其特征在于,各激光脈沖的脈沖持續(xù)時間為10ps~100ns,各脈沖串每一激光脈沖間的時間為5ns~5μs。
16.如權利要求14所述的方法,其特征在于,各脈沖串的激光脈沖含分立的激光脈沖。
17.如權利要求14所述的方法,其特征在于,各脈沖串含重疊的激光脈沖。
18.如權利要求17所述的方法,其特征在于,脈沖串的一對重疊激光脈沖間的中間激光發(fā)射具有與工件互作用時不產(chǎn)生附加消融等離子體的強度。
19.如權利要求14所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖含基本相等的持續(xù)時間。
20.如權利要求14所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖含不同的持續(xù)時間。
21.如權利要求14所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖含基本相等的能量。
22.如權利要求14所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖含不同的能量。
23.如權利要求14所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖含基本上相同的空間分布。
24.如權利要求14所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖含不同的空間分布。
25.如權利要求14所述的方法,其特征在于,把兩個或更多脈沖串反復地引到工件上。
26.如權利要求14所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖包括波長基本上相同的光。
27.如權利要求14所述的方法,其特征在于,構成脈沖串的激光脈沖包括波長不同的光。
28.一種材料變化方法,其特征在于包括提供激光脈沖的脈沖串,其中各脈沖串包括至少兩個激光脈沖,連續(xù)脈沖串間的時間大于構成各脈沖串的每個激光脈沖間的時間;把脈沖串引到工件上,其中各脈沖串的主激光脈沖的強度超過工件的損壞閾值;其中各脈沖串的主脈沖產(chǎn)生溫度大于20,000K的第一材料相和溫度小于10,000K的第二材料相;和各脈沖串的副脈沖定時成主要與第二材料相互作用。
29.一種材料變化設備,其特征在于包括配置成產(chǎn)生激光脈沖的激光器,所述激光脈沖的脈沖持續(xù)時間為10ps~100ns,激光脈沖間的時間大于所述脈沖持續(xù)時間;把各激光脈沖分成分裂激光脈沖的分束器;每個分裂激光脈沖運行的激光路徑,各激光路徑的長度不同;接收每個分裂激光脈沖并把這些分裂激光脈沖作為脈沖串引到工件上的合束器;各激光路徑不同的長度使分裂激光脈沖之間到達工件的時間為5ns~5μs;和構成各脈沖串的分裂激光脈沖的主脈沖強度超過工件的損壞閾值。
30.如權利要求29所述的設備,其特征在于,還包括至少一個限定激光路徑之一的反射器。
31.如權利要求29所述的設備,其特征在于,還包括把分裂激光脈沖聚焦到工件上的聚集組件。
32.如權利要求29所述的設備,其特征在于,分束器和合束器用于產(chǎn)生分立的分裂激光脈沖。
33.如權利要求29所述的設備,其特征在于,分束器和合束器用于產(chǎn)生重疊的分裂激光脈沖。
34.如權利要求29所述的設備,其特征在于,分束器和合束器用于產(chǎn)生構成每個脈沖串的分裂激光脈沖,所述分裂脈沖的持續(xù)時間基本相等。
35.如權利要求29所述的設備,其特征在于,分束器和合束器用于產(chǎn)生構成每個脈沖串的分裂激光脈沖,所述分裂脈沖的持續(xù)時間不等。
36.如權利要求29所述的設備,其特征在于,分束器和合束器用于產(chǎn)生構成每個脈沖串的分裂激光脈沖,所述分裂脈沖的能量基本相等。
37.如權利要求29所述的設備,其特征在于,分束器和合束器用于產(chǎn)生構成每個脈沖串的分裂激光脈沖,所述分裂脈沖的能量不等。
38.如權利要求29所述的設備,其特征在于,分束器和合束器用于產(chǎn)生構成每個脈沖串的分裂激光脈沖,所述分裂脈沖的空間分布基本相同。
39.如權利要求29所述的設備,其特征在于,分束器和合束器用于產(chǎn)生構成每個脈沖串的分裂激光脈沖,所述分裂脈沖的空間分布不同。
40.如權利要求29所述的設備,其特征在于,分束器用于產(chǎn)生構成每個脈沖串的分裂激光脈沖,所述分裂脈沖的波長基本相同。
41.如權利要求29所述的設備,其特征在于,分束器用于產(chǎn)生構成每個脈沖串的分裂激光脈沖,所述分裂脈沖的波長不同。
42.一種材料變化設備,其特征在于包括提供激光脈沖脈沖串的裝置,其中各脈沖串包括至少兩個激光脈沖,各激光脈沖的脈沖持續(xù)時間為10ps~100ns,各脈沖串中每個激光脈沖間的時間為5ns~5μs;連續(xù)脈沖串間的時間大于構成各脈沖串的每個激光脈沖間的時間;和把脈沖串引到工件上的裝置,其中各脈沖串的主激光脈沖強度超過工件的損壞閾值。
全文摘要
材料變化方法與設備利用包含合理定時的激光脈沖(702、704)的激光(302)脈沖串增強材料(314,366)的變化。在一實施法中,材料變化方法包括步驟提供激光脈沖串,其中各脈沖串包括至少兩個激光脈沖間的時間10ps~100ns,各脈沖串每個激光脈沖間的時間為5ns~5μs;連續(xù)脈沖串間的時間大于含各脈沖串的每個激光脈沖間的時間;以及把脈沖串引到工件(314、366)上,其中各脈沖串的主激光脈沖(702)強度超過工件的損壞閾值(802)。
文檔編號B23K26/067GK1617783SQ02827788
公開日2005年5月18日 申請日期2002年12月3日 優(yōu)先權日2001年12月4日
發(fā)明者A·C·福斯曼, P·S·班克斯, M·D·佩里 申請人:通用原子公司