專利名稱：超短脈沖激光并行微加工方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超短脈沖激光加工的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
激光加工是一種非接觸式的材料切削過程，以熔化和氣化的方式去除材料，因此特別適用于加工硬和脆的材料。傳統(tǒng)激光(納秒、微秒脈沖或連續(xù)激光)加工，其效率高，作為一種經(jīng)濟(jì)的、有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)手段已被工業(yè)界接受。但是，由于激光脈沖長(zhǎng)于熱擴(kuò)散時(shí)間，不可避免地產(chǎn)生加工缺陷，如重鑄層和微裂紋等。這些缺陷不僅降低工件的機(jī)械特性，還對(duì)安全服役造成隱患。盡管通過改善激光加工工藝可以提高鉆孔質(zhì)量，但仍需去除缺陷和去應(yīng)力退火等后續(xù)工序。
上世紀(jì)90年代中期，穩(wěn)定可靠的超短脈沖激光系統(tǒng)尤其是飛秒激光器在國(guó)際上進(jìn)入到商業(yè)化生產(chǎn)階段，它為高質(zhì)量的材料加工增添了新的可能性。飛秒激光具有超短脈沖、超高峰值強(qiáng)度的特性，自由電子通過逆忍致輻射吸收激光，電子溫度迅速增加，能量還來不及傳輸給晶格，激光脈沖的作用就已經(jīng)結(jié)束了。此時(shí)大量的自由電子造成強(qiáng)的靜電場(chǎng)，電場(chǎng)力超過電子系統(tǒng)的相互作用引力時(shí)，就發(fā)生庫侖爆炸，使得能量被迅速帶走而來不及在材料內(nèi)部擴(kuò)散。飛秒激光材料的去除是一個(gè)氣化過程，其熱影響區(qū)則可以忽略不計(jì)。與傳統(tǒng)激光相比，飛秒激光材料加工能量損失小，利用率高，從而降低了材料的去除閾值；它對(duì)材料加工表面的間接損傷小，加工精度高，表面粗糙度可達(dá)亞微米級(jí)。飛秒激光材料加工另一潛在的優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)一次性完成，無需后續(xù)的輔助工序和特殊的氣體環(huán)境保護(hù)。因此，用飛秒激光加工高溫合金如鈦合金、鎳基合金等航空材料具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也可以在透明玻璃內(nèi)部進(jìn)行三維光存儲(chǔ)，制作波導(dǎo)等光子器件。
在制作微小器件時(shí)，用一束飛秒激光加工一個(gè)式樣，這樣的加工的效率非常低。大多數(shù)情況，需要的平均功率不高，如加工玻璃和有機(jī)材料，一般幾十毫瓦甚至幾個(gè)毫瓦就能滿足要求，為此，本發(fā)明提出了一種并行的加工方法，能夠一次加工幾十個(gè)甚至幾百個(gè)器件，將原有效率提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種超短脈沖激光并行微加工方法及設(shè)備，其解決了背景技術(shù)中傳統(tǒng)激光加工帶來重鑄層和微裂紋等加工缺陷以及超短脈沖激光加工效率非常低的技術(shù)問題。
本發(fā)明方法的技術(shù)解決方案是一種超短脈沖激光并行微加工方法，其包括以下步驟1]準(zhǔn)備待加工樣品將待加工樣品8安裝在加工平臺(tái)上；2]產(chǎn)生超短脈沖激光束由超短脈沖激光系統(tǒng)14輸出一束超短脈沖激光；3]生成多束發(fā)散的激光該束超短脈沖激光經(jīng)過微透鏡陣列13變?yōu)槎嗍l(fā)散的超短脈沖激光；4]生成多個(gè)激光焦點(diǎn)該多束發(fā)散的超短脈沖激光通過聚焦系統(tǒng)7聚焦到待加工樣品8對(duì)應(yīng)的在焦平面，形成多個(gè)焦點(diǎn)進(jìn)行加工。
上述生成多個(gè)激光焦點(diǎn)的步驟具體為將多束超短脈沖激光通過45度激光全反鏡5進(jìn)行反射，再通過聚焦系統(tǒng)7聚焦到待加工樣品8對(duì)應(yīng)的在焦平面，行成多個(gè)焦點(diǎn)進(jìn)行加工。
上述超短脈沖激光并行微加工方法還包括監(jiān)視待加工樣品的加工和定位的步驟將照明光源1照射到待加工樣品8上，攝像機(jī)3將聚焦系統(tǒng)7上的加工圖像和定位情況傳輸?shù)奖O(jiān)視器上。
上述超短脈沖激光并行微加工方法還包括生成多個(gè)激光焦點(diǎn)的同時(shí)控制加工平臺(tái)移動(dòng)的步驟。
一種超短脈沖激光并行微加工設(shè)備，包括可產(chǎn)生超短脈沖激光束的超短脈沖激光系統(tǒng)14、可固定待加工樣品8的加工平臺(tái)和監(jiān)視系統(tǒng)，其特殊之處是其還包括依次設(shè)置在激光束發(fā)射方向上的微透鏡陣列13和聚焦系統(tǒng)7，所述聚焦系統(tǒng)7的焦點(diǎn)在加工平臺(tái)上的待加工樣品8上。
上述超短脈沖激光并行微加工設(shè)備還包括設(shè)置在激光束發(fā)射方向上的45度激光全反鏡5，所述聚焦系統(tǒng)7設(shè)置在45度激光全反鏡5的反射方向上。
上述監(jiān)視系統(tǒng)包括攝像機(jī)3、監(jiān)視器、與超短脈沖激光系統(tǒng)14平行設(shè)置的照明光源1、設(shè)置在45度激光全反鏡5正上方的照明光源半透半反鏡4。
上述超短脈沖激光并行微加工設(shè)備還包括金屬筒6，所述照明光源半透半反鏡4設(shè)置在金屬筒6內(nèi)部上方，所述45度激光全反鏡5設(shè)置在金屬筒6內(nèi)部下方，所述金屬筒6的外側(cè)面上相應(yīng)設(shè)置有可分別透過激光束和照明光源的圓孔，所述超短脈沖激光系統(tǒng)14和照明光源1平行設(shè)置在金屬筒6的外側(cè)，所述加工平臺(tái)設(shè)置在金屬筒6的下端部，所述攝像機(jī)3設(shè)置在金屬筒6的上端部。
上述加工平臺(tái)包括空心樣品臺(tái)9、三維移動(dòng)平臺(tái)10、計(jì)算機(jī)12和電控箱11，所述待加工樣品8安裝在空心樣品臺(tái)9上，所述空心樣品臺(tái)9安裝在三維移動(dòng)平臺(tái)10上。
上述超短脈沖激光系統(tǒng)14為飛秒激光系統(tǒng)，所述45度激光全反鏡5為800nm45度激光全反鏡；所述聚焦系統(tǒng)7為F-θ掃描透鏡或顯微物鏡；所述照明光源1為普通可見光源，包括白色LED、鹵素?zé)?、或可見光的LED。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是1、加工效率高。實(shí)現(xiàn)了超精密加工高溫合金金屬的光、電、機(jī)械一體化系統(tǒng)合方法，與電子束和離子束加工技術(shù)相比，加工效率提高3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。
2、精度高。由于本發(fā)明使用超短脈沖或者皮秒脈沖激光，在切割、打孔、表面處理、微加工時(shí)，材料內(nèi)的電子吸收的激光的能量幾乎來不及傳輸給材料的晶格，因此，材料的溫度幾乎不變。加工的物理機(jī)理不同與納秒脈沖激光的熱效應(yīng)導(dǎo)致的熔化或者升華。本發(fā)明與傳統(tǒng)的納秒激光相比，超短脈沖激光加工的結(jié)果是精度更高，無冶金缺陷、無濺落物、無熱效應(yīng)，無污染?？招臉悠放_(tái)主要是防止激光穿透樣品后在樣品臺(tái)上產(chǎn)生濺射并污染加工樣品。
3、可實(shí)時(shí)監(jiān)視加工樣品的加工情況和定位。本發(fā)明通過CCD攝像機(jī)從聚焦系統(tǒng)獲得待加工樣品的圖像，并實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上，可實(shí)時(shí)監(jiān)視加工樣品的加工情況和定位情況。
4、飛秒激光進(jìn)行材料的去除是一個(gè)氣化過程，其熱影響區(qū)可忽略不計(jì)、加工能量損失小、利用率高，從而降低了材料的去除閾值；飛秒激光對(duì)材料加工表面的間接損傷小，加工精度高，表面粗糙度可達(dá)亞微米級(jí)。飛秒激光材料加工可一次性完成，無需后續(xù)的輔助工序和特殊的氣體環(huán)境保護(hù)。飛秒激光可加工高溫合金如鈦合金、鎳基合金等航空材料，也可以在透明玻璃內(nèi)部進(jìn)行三維光存儲(chǔ)，制作波導(dǎo)等光子器件。


圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法所使用加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1-照明光源；2-勻化器；3-攝像機(jī)；4-照明光源半透半反鏡；5-45度激光全反鏡；6-金屬筒；7-聚焦系統(tǒng)；8-待加工樣品；9-空心樣品臺(tái)；10-三維移動(dòng)平臺(tái)；11-電控箱；12-計(jì)算機(jī)；13-微透鏡陣列；14-超短脈沖激光系統(tǒng)。
圖2飛秒激光在CMSX-4鎳基單晶片上打的散熱孔示意圖。
圖3單個(gè)飛秒激光脈沖用微透鏡陣列并行加工技術(shù)在PMMA內(nèi)部刻寫的記錄點(diǎn)的示意圖，加工速度比單光束加工要高幾千倍。
圖4不同飛秒激光能量在PMMA內(nèi)部不同尺寸記錄點(diǎn)的示意圖。
圖5用飛秒激光在光敏材料表面并行加工的字母“H”的示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法所使用的一種加工設(shè)備如圖1所示，超短脈沖激光系統(tǒng)14采用飛秒激光系統(tǒng)，其輸出的飛秒激光束經(jīng)過微透鏡陣列13后變?yōu)槎嗍l(fā)散的激光，多束激光入射到安裝有800nm45度激光全反鏡5的金屬筒6之內(nèi)，垂直向下反射，通過聚焦系統(tǒng)7聚焦到待加工樣品8上，對(duì)應(yīng)的在焦平面上形成多個(gè)焦點(diǎn)。焦平面激光分布情況取決于微透鏡陣列各個(gè)小透鏡的分布，尺寸取決于微透鏡陣列中單個(gè)透鏡的尺寸和聚焦系統(tǒng)7的光學(xué)放大倍數(shù)。待加工樣品8安裝在空心樣品臺(tái)9上，空心樣品臺(tái)9主要是防止飛秒激光穿透待加工樣品8后在加工平臺(tái)上產(chǎn)生濺射，污染待加工樣品8?？招臉悠放_(tái)9安裝在計(jì)算機(jī)12控制的三維移動(dòng)平臺(tái)10上，電控箱11為三維移動(dòng)平臺(tái)10提供電源和驅(qū)動(dòng)。攝像機(jī)3采用CCD攝像機(jī)，安裝在金屬筒6的頂部，用以監(jiān)視待加工樣品8的加工情況和定位。照明光源1通過勻化器2衰減到合適的強(qiáng)度，經(jīng)過照明光源半透半反鏡4后照明待加工樣品8。照明光源1的作用主要是為攝像機(jī)3提供照明。
用單脈沖能量600μJ，脈沖重復(fù)頻率1000Hz，脈沖寬度為120fs，波長(zhǎng)為800nm的鈦寶石超短脈沖飛秒激光在鈦合金、鎳基合金、航空陶瓷、復(fù)合鋁基合金打孔和切割的具體加工方法如下圖2是鎳基單晶高溫合金材料，這種材料一般用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，如渦輪葉片等，而且一般都同時(shí)使用熱障涂層技術(shù)；現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)包括了高達(dá)100 000個(gè)的冷卻孔，冷卻孔的加工耗費(fèi)了巨大的人力和物力。激光脈沖照射到(800nm全反、可見光增透的)45°激光全反鏡5上，激光脈沖經(jīng)聚焦系統(tǒng)7(焦距100mm左右，或者用F-θ掃描透鏡)，使得激光脈沖聚焦到待加工樣品8表面。待加工樣品8被固定在三維移動(dòng)平臺(tái)10。計(jì)算機(jī)12控制的三維移動(dòng)平臺(tái)10在X、Y、Z方向上以一定速度的運(yùn)動(dòng)，劃圓或者走直線，從而實(shí)現(xiàn)打孔或切割。照明光源1為普通可見光源(白色LED、鹵素?zé)簟⒒蚩梢姽獾腖ED)從下向上垂直照射到待加工樣品8上，經(jīng)過待加工樣品8表面反射的光成像到鏡頭后(鏡筒長(zhǎng)度為160mm)的(無缺陷的)CCD攝像機(jī)上。CCD攝像機(jī)將圖像傳輸?shù)奖O(jiān)視器或計(jì)算機(jī)12中。在監(jiān)視器或計(jì)算機(jī)12中可以實(shí)時(shí)地監(jiān)視加工情況。超短脈沖激光并行加工技術(shù)提高了加工效率，同時(shí)無濺落物、重鑄層、微裂紋等加工缺陷。
本發(fā)明的工作原理用超短脈沖激光加工高溫合金的原理是利用超短脈沖激光極短的電磁輻射時(shí)間，使材料的電子溫度在很短的時(shí)間內(nèi)上升很高，直接發(fā)射庫侖爆炸或微爆；而電子獲得的能量來不及傳輸給材料格子，因此格子的溫度很低，幾乎維持在室溫，不能發(fā)射熱熔之類的熱效應(yīng)消融。結(jié)果是材料的加工，包括打空、切割不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，加工的材料沒有冶金缺陷，也沒有微裂紋。
權(quán)利要求
1.一種超短脈沖激光并行微加工方法，其包括以下步驟1]準(zhǔn)備待加工樣品將待加工樣品(8)安裝在加工平臺(tái)上；2]產(chǎn)生超短脈沖激光束由超短脈沖激光系統(tǒng)(14)輸出一束超短脈沖激光；3]生成多束發(fā)散的激光該束超短脈沖激光經(jīng)過微透鏡陣列(13)變?yōu)槎嗍l(fā)散的超短脈沖激光；4]生成多個(gè)激光焦點(diǎn)該多束發(fā)散的超短脈沖激光通過聚焦系統(tǒng)(7)聚焦到待加工樣品(8)對(duì)應(yīng)的在焦平面，形成多個(gè)焦點(diǎn)進(jìn)行加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超短脈沖激光并行微加工方法，其特征在于所述生成多個(gè)激光焦點(diǎn)的步驟具體為將多束超短脈沖激光通過45度激光全反鏡(5)進(jìn)行反射，再通過聚焦系統(tǒng)(7)聚焦到待加工樣品(8)對(duì)應(yīng)的在焦平面，行成多個(gè)焦點(diǎn)進(jìn)行加工。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超短脈沖激光并行微加工方法，其特征在于所述超短脈沖激光并行微加工方法還包括監(jiān)視待加工樣品的加工和定位的步驟將照明光源(1)照射到待加工樣品(8)上，攝像機(jī)(3)將聚焦系統(tǒng)(7)上的加工圖像和定位情況傳輸?shù)奖O(jiān)視器上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超短脈沖激光并行微加工方法，其特征在于所述超短脈沖激光并行微加工方法還包括生成多個(gè)激光焦點(diǎn)的同時(shí)控制加工平臺(tái)移動(dòng)的步驟。
5.一種超短脈沖激光并行微加工設(shè)備，包括可產(chǎn)生超短脈沖激光束的超短脈沖激光系統(tǒng)(14)、可固定待加工樣品(8)的加工平臺(tái)和監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于其還包括依次設(shè)置在激光束發(fā)射方向上的微透鏡陣列(13)和聚焦系統(tǒng)(7)，所述聚焦系統(tǒng)(7)的焦點(diǎn)在加工平臺(tái)上的待加工樣品(8)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種超短脈沖激光并行微加工設(shè)備，其特征在于其還包括設(shè)置在激光束發(fā)射方向上的45度激光全反鏡(5)，所述聚焦系統(tǒng)(7)設(shè)置在45度激光全反鏡(5)的反射方向上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超短脈沖激光并行微加工設(shè)備，其特征在于所述監(jiān)視系統(tǒng)包括攝像機(jī)(3)、監(jiān)視器、與超短脈沖激光系統(tǒng)(14)平行設(shè)置的照明光源(1)、設(shè)置在45度激光全反鏡(5)正上方的照明光源半透半反鏡(4)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種超短脈沖激光并行微加工設(shè)備，其特征在于其還包括金屬筒(6)，所述照明光源半透半反鏡(4)設(shè)置在金屬筒(6)內(nèi)部上方，所述45度激光全反鏡(5)設(shè)置在金屬筒(6)內(nèi)部下方，所述金屬筒(6)的外側(cè)面上相應(yīng)設(shè)置有可分別透過激光束和照明光源的圓孔，所述超短脈沖激光系統(tǒng)(14)和照明光源(1)平行設(shè)置在金屬筒(6)的外側(cè)，所述加工平臺(tái)設(shè)置在金屬筒(6)的下端部，所述攝像機(jī)(3)設(shè)置在金屬筒(6)的上端部。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7或8所述的一種超短脈沖激光并行微加工設(shè)備，其特征在于所述加工平臺(tái)包括空心樣品臺(tái)(9)、三維移動(dòng)平臺(tái)(10)、計(jì)算機(jī)(12)和電控箱(11)，所述待加工樣品(8)安裝在空心樣品臺(tái)(9)上，所述空心樣品臺(tái)(9)安裝在三維移動(dòng)平臺(tái)(10)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種超短脈沖激光并行微加工設(shè)備，其特征在于所述超短脈沖激光系統(tǒng)(14)為飛秒激光系統(tǒng)，所述45度激光全反鏡(5)為800nm45度激光全反鏡；所述聚焦系統(tǒng)(7)為F-θ掃描透鏡或顯微物鏡；所述照明光源(1)為普通可見光源，包括白色LED、鹵素?zé)?、或可見光的LED。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超短脈沖激光并行微加工的方法及設(shè)備，將超短脈沖激光經(jīng)過微透鏡陣列后變?yōu)槎嗍l(fā)散的超短脈沖激光，然后將該多束發(fā)散的超短脈沖激光通過聚焦系統(tǒng)聚焦到待加工樣品對(duì)應(yīng)的在焦平面，形成多個(gè)焦點(diǎn)進(jìn)行并行微加工。本發(fā)明解決了背景技術(shù)中傳統(tǒng)激光加工帶來重鑄層和微裂紋等加工缺陷以及超短脈沖激光加工效率非常低的技術(shù)問題，從而具有加工效率高、加工精度高、可實(shí)時(shí)監(jiān)視加工樣品的加工情況和定位、加工能量損失小、加工可一次性完成的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K26/06GK101028671SQ20071001765
公開日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2007年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月9日
發(fā)明者程光華, 陳國(guó)夫, 趙衛(wèi), 王屹山, 溫泉, 許正芳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所