專利名稱：納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)，屬于超快激光與微納加工技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
微小型化是制造、生物、環(huán)境、信息、醫(yī)療器件等領(lǐng)域的普遍發(fā)展趨勢。激光是理想 的微/納制造工具之一，具有三維可控制、精度高、靈活、無接觸、無污染、材料適應(yīng)性強等 特點。激光微/納制造是一個前沿的交叉學(xué)科領(lǐng)域，涉及機械、光學(xué)、物理、化學(xué)、材料、信息 等，可用于制造微/納尺度的機電系統(tǒng)、光電器件、能源器件、傳感器、執(zhí)行器、流體系統(tǒng)、光 纖通訊系統(tǒng)、生物醫(yī)療/診斷儀器、芯片實驗室等。在美歐日等國家和地區(qū)已受到廣泛關(guān) 注，并在應(yīng)用及基礎(chǔ)理論方面取得了長足的發(fā)展。納秒、飛秒等超快激光相對于毫秒、微秒等長脈沖激光以及連續(xù)激光脈沖寬度更 窄，其熱效應(yīng)更小、可控性更好、適應(yīng)性更強，尤其適合微納尺度加工。在單光束直寫加工過 程中，納秒激光加工具有速度快，加工效率高等優(yōu)點，但受限于衍射極限，加工精度為微米 級，更適于微米制造。飛秒激光加工非金屬材料具有多光子吸收和強閾值效應(yīng)，可得到小于 衍射極限的加工精度，但加工效率很低。因此采用不同激光在微納加工的不同尺度下很難 同時兼顧加工精度和效率，這制約了激光微/納制造的應(yīng)用發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有微納加工技術(shù)不能同時兼顧加工精度和效率的不足，提 供一種納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)，可同時提高微納加工精度和效率。本發(fā)明的納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)包括飛秒激光器、納秒激光器、同步控制電 路、照明光源、半透半反鏡、第一二向色鏡、第二二向色鏡、聚焦透鏡和CXD圖像探測器。本發(fā)明各部分之間的連接關(guān)系為飛秒激光器和納秒激光器分別通過信號控制線 與同步控制電路相連；照明光源位于半透半反鏡的一側(cè)，另一側(cè)為第二二向色鏡、第一二向 色鏡和聚焦透鏡依次同軸放置，并與照明光源位于一條直線上；CXD圖像探測器位于半透 半反鏡的反射光路末端，該反射光路軸線與第一二向色鏡、第二二向色鏡、聚焦透鏡的軸線 垂直。同步控制電路的作用為控制飛秒激光器和納秒激光器的激光脈沖輸出，在時間上 精確調(diào)節(jié)納秒與飛秒脈沖的相對時間使二者脈沖的前沿同步。飛秒激光器采用通用的飛秒激光器，其作用為提供超快加工熱源，提高加工精度， 并通過產(chǎn)生種子自由電子瞬時局部改變加工材料的特性。納秒激光器采用通用的納秒激光器，其作用為提供加工所需的大部分能量。照明光源采用普通的白光光源，其作用是照亮非金屬樣品表面，為CXD圖像探測 器獲得非金屬樣品表面的顯微圖像提供照明光。半透半反鏡可使照射的照明光分成能量相同的兩部分，一部分被半透半反鏡反射至CCD圖像探測器接收，另一部分透過半透半反鏡照亮非金屬樣品表面，而從非金屬樣品 表面反射的照明光又返回被半透半反鏡反射至CXD圖像探測器接收。第一二向色鏡和第二二向色鏡的作用是使某一波長范圍內(nèi)的激光不能透射，而其 他波長的激光能夠透射。其中第一二向色鏡不能透射、只能反射飛秒激光器出射的該波長 的飛秒激光，同時其他波長的光能夠透射，其能量閾值要求大于飛秒激光的能量；第二二向 色鏡不能透射、只能反射納秒激光器出射的該波長的納秒激光，同時其他波長的光能夠透 射，其能量閾值要求大于納秒激光的能量。聚焦透鏡可采用單個的透鏡，也可采用商用的聚焦物鏡，其作用是使飛秒激光束、 納秒激光束和照明光光束聚焦到非金屬樣品表面，其能量閾值要求大于飛秒激光和納秒激 光的能量。CCD圖像探測器可采用商用的高分辨率CCD產(chǎn)品，其作用是接收從非金屬樣品表 面反射的照明光并進(jìn)行成像，從而獲得非金屬樣品表面被加工處的顯微結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明的納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)的工作過程為首先，進(jìn)行加工前的共軸校準(zhǔn)。照明光源出射的照明光依次通過半透半反鏡、第 二二向色鏡、第一二向色鏡和聚焦透鏡照射到待加工非金屬樣品表面，反射光按原路返回 直至半透半反鏡，被其反射后被CCD圖像探測器接收，根據(jù)接收圖像判斷樣品表面是否處 于聚焦焦點處。然后，進(jìn)行加工過程。采用同步控制電路在時間上精確調(diào)節(jié)納秒激光器和飛秒激 光器出射脈沖的相對時間使二者脈沖的前沿同步，從飛秒激光器出射并經(jīng)第一二向色鏡反 射的飛秒激光與從納秒激光器出射并經(jīng)第二二向色鏡反射的納秒激光共光軸，共光路的納 秒和飛秒激光再經(jīng)聚焦透鏡聚焦后照射到待加工非金屬樣品上；當(dāng)飛秒激光和納秒激光的 脈沖前沿同時到達(dá)非金屬樣品表面時，飛秒激光將首先在材料中將電子激發(fā)，產(chǎn)生自由電 子，非金屬在瞬間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂薪饘偬匦缘牡入x子體。由于納秒激光的脈沖寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 飛秒激光的脈沖寬度(IO6倍)，在一個周期內(nèi)，飛秒脈沖結(jié)束后，納秒激光繼續(xù)照射材料，之 前由飛秒激光產(chǎn)生的已形成金屬性質(zhì)的該部分材料吸收納秒激光脈沖的能量，進(jìn)而形成永 久的材料去除，最終完成材料的加工。有益效果本發(fā)明采用納飛秒雙激光復(fù)合加工技術(shù)，同時集合了飛秒激光加工精度高和納秒 激光加工效率高的優(yōu)點，從而實現(xiàn)了高精度、高效率可兼顧的微納加工?？蓮V泛應(yīng)用于航 空、航天關(guān)鍵零件的高精度加工、激光核聚變點火靶的微結(jié)構(gòu)加工、微型傳感器微結(jié)構(gòu)加工 等領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)的光路原理圖；圖2為本發(fā)明中飛秒激光脈沖和納秒激光脈沖的時序同步示意圖；圖3為具體實施方式
中用納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)熔融石英微孔的實驗效果 比較圖；其中(a)為只采用飛秒激光加工的效果圖，(b)為只采用納秒激光加工的效果圖， (c)為同時采用飛秒激光和納秒激光(時間間隔為飛秒脈沖落后納秒脈沖60ns)加工的效 果圖，(d)為同時采用飛秒激光和納秒激光(時間間隔為飛秒脈沖落后納秒脈沖30ns)加工的效果圖，(e)為同時采用飛秒激光和納秒激光(脈沖時間重合)加工的效果圖，(f)為 同時采用飛秒激光和納秒激光(時間間隔為飛秒脈沖領(lǐng)先納秒脈沖30ns)加工的效果圖， (g)為同時采用飛秒激光和納秒激光(時間間隔為飛秒脈沖領(lǐng)先納秒脈沖60ns)加工的效 果圖，(h)為四種加工方式的效果圖表(單位微米)。標(biāo)號說明1-同步控制電路、2-飛秒激光器、3-納秒激光器、4-照明光源、5-CXD圖像探測器、 6-半透半反鏡、7-第二二向色鏡、8-第一二向色鏡、9-聚焦透鏡、10-非金屬待加工樣品。
具體實施例方式為了更好地說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步 說明。本發(fā)明的納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)如圖1所示，飛秒激光器2和納秒激光器3 分別通過信號控制線與同步控制電路1相連；照明光源4位于半透半反鏡6的一側(cè)，另一側(cè) 為第二二向色鏡7、第一二向色鏡8和聚焦透鏡9依次同軸放置，并與照明光源4位于一條 直線上；CCD圖像探測器5位于半透半反鏡6的反射光路上，該反射光路軸線與第一二向色 鏡8、第二二向色鏡7、聚焦透鏡9的軸線垂直。本實施例選用鈦-藍(lán)寶石飛秒激光器，中心波長為800nm，脈沖寬度120fs，出射的 飛秒激光脈沖被第一二向色鏡8反射，第一二向色鏡不能透射而只能反射SOOnm波長附近 的激光，同時其他波長范圍的激光能夠透射。被反射的飛秒激光脈沖被聚焦透鏡9聚焦后 照射到非金屬待加工樣品10表面。納秒激光器選用Nd:YAG激光器，中心波長為355nm，脈 沖寬度為30ns，出射的納秒激光脈沖被第二二向色鏡7反射，第二二向色鏡7不能透射而只 能反射355nm波長附近的激光，同時其他波長范圍的激光能夠透射。被反射的納秒激光脈 沖透射經(jīng)過第一二向色鏡8并與前面的飛秒激光脈沖共光路，被聚焦透鏡9聚焦后照射到 非金屬待加工樣品10表面，在本實施例中非金屬待加工樣品為熔融石英。同步控制電路1 與飛秒激光器2和納秒激光器3的控制器相連，在時間上可精確調(diào)節(jié)納秒與飛秒脈沖的相 對時間。照明光源4出射的照明光依次通過半透半反鏡6、第二二向色鏡7、第一二向色鏡 8和聚焦透鏡9照射到樣品表面，反射光按原路返回直至半透半反鏡6，被其反射后被CXD 圖像探測器5接收，其圖像用于加工前對樣品表面進(jìn)行聚焦調(diào)整時的觀察。同步控制電路 1精確調(diào)節(jié)納秒與飛秒脈沖的相對時間使二者脈沖的前沿同步，如圖2所示。這樣，當(dāng)飛秒 脈沖和納秒脈沖的前沿同時到達(dá)樣品表面時，飛秒激光在120fs的超短時間內(nèi)將首先將樣 品硅原子中的電子激發(fā)，產(chǎn)生自由電子，硅原子在瞬間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂薪饘偬匦缘牡入x子體。 120fs后，飛秒脈沖結(jié)束，納秒激光繼續(xù)照射材料，之前由飛秒激光產(chǎn)生的已形成金屬性質(zhì) 的部分吸收納秒激光脈沖的能量，進(jìn)而形成永久的材料去除，最終完成熔融石英的加工。圖3為采用本實施例的納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)在不同時間間隔下進(jìn)行熔融 石英微孔加工以及只采用現(xiàn)有的單一飛秒激光或納秒激光技術(shù)加工的效果比較圖。從圖 3的加工效果照片可以看出，當(dāng)飛秒脈沖和納秒脈沖重合即時間間隔為零時，微孔的深度最 大，材料去除最多，加工效果最好，如圖3(e)所示。從圖3(h)的加工效果比較圖中也可以 看出隨著飛秒脈沖領(lǐng)先或落后納秒脈沖的時間間隔的增大，微孔加工的難度提高了。所以 本發(fā)明納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)當(dāng)飛秒脈沖和納秒脈沖重合時加工效果最佳。
以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說 明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本 發(fā)明的保護(hù)范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，例如采用不同類型的 飛秒、納秒激光器，在飛秒和納米激光器輸出光路中加入光學(xué)參量放大器、衰減器、脈沖調(diào) 制器等用于改變激光波長、能量、脈沖寬度、脈沖間隔等進(jìn)一步優(yōu)化提高加工精度的措施。 但是，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā) 明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)，其特征在于包括飛秒激光器、納秒激光器、同步控制 電路、照明光源、半透半反鏡、第一二向色鏡、第二二向色鏡、聚焦透鏡和CXD圖像探測器；上述各部分之間的連接關(guān)系為飛秒激光器和納秒激光器分別通過信號控制線與同步 控制電路相連；照明光源位于半透半反鏡的一側(cè)，另一側(cè)為第二二向色鏡、第一二向色鏡和 聚焦透鏡依次同軸放置，并與照明光源位于一條直線上；CXD圖像探測器位于半透半反鏡 的反射光路末端，該反射光路軸線與第一二向色鏡、第二二向色鏡、聚焦透鏡的軸線垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)，其特征在于所述的同步控制 電路用于控制飛秒激光器和納秒激光器的激光脈沖輸出，使二者脈沖的前沿同步。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)，其特征在于所述的飛秒激光 器提供加工熱源，并通過產(chǎn)生種子自由電子瞬時局部改變加工材料的特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)，其特征在于所述的半透半反 鏡使照射的照明光分成能量相同的兩部分，一部分被半透半反鏡反射至CCD圖像探測器接 收，另一部分透過半透半反鏡照亮非金屬樣品表面，從非金屬樣品表面反射的照明光又返 回被半透半反鏡反射至CXD圖像探測器接收。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)，其特征在于所述的第一二向 色鏡和第二二向色鏡使一定波長范圍內(nèi)的激光不能透射，而其他波長的激光能夠透射；其 中第一二向色鏡不能透射、只能反射飛秒激光器出射的該波長的飛秒激光，同時其他波長 的光能夠透射，其能量閾值大于飛秒激光的能量；第二二向色鏡不能透射、只能反射納秒激 光器出射的該波長的納秒激光，同時其他波長的光能夠透射，其能量閾值大于納秒激光的 能量°
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)，其特征在于所述的聚焦透鏡 使飛秒激光束、納秒激光束和照明光光束聚焦到非金屬樣品表面，其能量閾值大于飛秒激 光和納秒激光的能量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)，其特征在于所述的CCD圖像 探測器接收從非金屬樣品表面反射的照明光并進(jìn)行成像，從而獲得非金屬樣品表面被加工 處的顯微結(jié)構(gòu)圖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納飛秒雙激光復(fù)合加工系統(tǒng)。包括飛秒激光器、納秒激光器、同步控制電路、照明光源、半透半反鏡、第一二向色鏡、第二二向色鏡、聚焦透鏡和CCD圖像探測器。同步控制電路控制飛秒激光器和納秒激光器的激光脈沖輸出，在時間上精確調(diào)節(jié)納秒與飛秒脈沖的相對時間使二者脈沖的前沿同步；照明光源位于半透半反鏡的一側(cè)，另一側(cè)為第二二向色鏡、第一二向色鏡和聚焦透鏡依次同軸放置，并與照明光源位于一條直線上；CCD圖像探測器位于半透半反鏡的反射光路末端。本發(fā)明同時集合了飛秒激光加工精度高和納秒激光加工效率高的優(yōu)點，實現(xiàn)了高精度、高效率可兼顧的微納加工；可廣泛應(yīng)用于航空、航天關(guān)鍵零件的高精度加工、激光核聚變點火靶的微結(jié)構(gòu)加工、微型傳感器微結(jié)構(gòu)加工等領(lǐng)域。
文檔編號B23K26/04GK102059451SQ20101053544
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者姜瀾, 蔡海龍 申請人:北京理工大學(xué)