本發(fā)明涉及一種利用超短脈沖激光的復(fù)合加工系統(tǒng)，屬于超快激光與傳統(tǒng)激光加工結(jié)合的精細加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光以其單色性和相干性好、方向性強的優(yōu)點，在涉及加工及測量等方面發(fā)揮著重要的作用。目前，在快速成型制造過程中利用普通長脈沖激光加工技術(shù)加工工件時，加工件上的熱量會從激光焦點向外擴散，使得熔融區(qū)域的尺寸遠大于激光聚焦點的尺寸，由于熱擴散以及沖擊波等多種效應(yīng)的影響易對周圍材料造成影響和熱損傷，在激光快速加工成型過程中會造成被加工件表面粗糙，而且受衍射極限的限制加工精度低。

皮秒激光、飛秒激光相對于長脈沖激光以及連續(xù)激光其脈沖寬度更窄，熱效應(yīng)小，可控性更強，尤其適合于微納加工領(lǐng)域。而且由于飛秒激光是一種超短脈沖激光，脈沖持續(xù)時間雖然在飛秒量級，但卻具有非常高的瞬時功率，最高可達百萬億瓦，可快速將能量沉積到材料中，避免了熱擴散等長脈沖激光加工時存在的不足，可加工其他激光難以加工的材料，如透明材料，高熔點材料、熱分解器和熱變形材料等，具有加工精度高，熱影響小，損傷閾值低，適合于三維結(jié)構(gòu)的微納加工，特別是在高深徑比的打孔技術(shù)中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

但是由于飛秒激光的平均功率較低，在對被加工件快速成型的過程中效率較低。將皮秒激光能量密度大，效率高的優(yōu)勢和飛秒激光加工精度高的優(yōu)勢結(jié)合起來，既提高了加工精度兼顧了加工效率，又提升了加工尺度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決目前精細加工過程中不能同時兼顧精度和效率的不足，而提出了一種利用超短脈沖激光的復(fù)合加工系統(tǒng)，可同時提高加工精度，加工尺度和加工效率。

本發(fā)明的目的是通過如下方案實現(xiàn)的：

一種利用超短脈沖激光的復(fù)合加工系統(tǒng)，包括照明光源，分光棱鏡、ccd圖像探測器、飛秒激光器、圓環(huán)衍射光柵、向色鏡一、皮秒激光器、向色鏡二、聚焦透鏡、二維移動臺以及微機控制系統(tǒng)。

各部分之間的連接關(guān)系是：照明光源、分光棱鏡，向色鏡一、向色鏡二以及聚焦透鏡依次同軸放置；ccd圖像探測器、飛秒激光器、圓環(huán)衍射光柵以及皮秒激光器位于向色鏡所在軸線的同側(cè)。飛秒激光器輸出光通過圓環(huán)衍射光柵出射后變?yōu)轱w秒激光圓環(huán)光束，經(jīng)向色鏡一完全反射后進入向色鏡一所在軸線，并通過向色鏡二與皮秒激光光束軸心重合，最終照射在固定于二維移動臺上被加工工件。ccd圖像探測器位于分光棱鏡反射光路的末端，該反射光路與向色鏡一和向色鏡二所在光路軸線垂直。微機控制系統(tǒng)與二維移動臺、皮秒激光器、飛秒激光器及ccd圖像探測器之間通過控制總線連接。

工作過程為：

步驟一：照明光源發(fā)出的照光透過分光棱鏡，向色鏡一、向色鏡二以及聚焦透鏡照亮被加工樣品的表面，從被加工樣品表面反射回的照明光經(jīng)分光棱鏡反射至ccd圖像探測器接收，用于監(jiān)測被加工樣品表面的結(jié)構(gòu)。反射回來的飛秒激光和皮秒激光分別被向色鏡一和向色鏡二濾掉。

步驟二：飛秒激光出射光束經(jīng)過圓環(huán)形衍射光柵進行位相調(diào)制，經(jīng)過圓環(huán)形衍射光柵將飛秒激光變?yōu)榈葟姸葓A環(huán)光強分布的遠場衍射光斑。圓環(huán)衍射光柵由光電晶體制成，其位相可通過施加不同電壓來調(diào)節(jié)，進而影響通過圓環(huán)衍射光柵出射的激光束圓環(huán)半徑。飛秒激光圓環(huán)束經(jīng)過向色鏡一完全反射后進入主光軸，皮秒激光光束經(jīng)向色鏡二進入主光軸，在向色鏡二處，飛秒激光圓環(huán)束與皮秒激光束軸心重合。經(jīng)過微機控制系統(tǒng)對圓環(huán)衍射光柵的位相進行調(diào)整可以使飛秒激光圓環(huán)包圍皮秒激光束，皮秒激光束將飛秒激光圓環(huán)的內(nèi)環(huán)填充。

步驟三：皮秒復(fù)合激光束以及照明光通過聚焦透鏡聚焦在被加工樣品表面，該聚焦透鏡可承受的能量閾值大于加工光束的能量。二維移動臺可以用來固定被加工樣品，通過微機控制系統(tǒng)控制二維移動臺完成樣品的加工。聚焦透鏡可承受的能量閾值大于入射合束光的總能量。

向色鏡一的作用是不能透射、只能反射飛秒激光器輸出激光的波段，而其他波長的光能夠透射，該向色鏡可承受的能量閾值大于飛秒激光的能量；向色鏡二不能透射，只能反射皮秒激光器輸出激光的波段，而其他波長的光可以透射，其可承受的能量閾值大于皮秒激光的能量。微機控制系統(tǒng)主要用來對加工過程各部件進行預(yù)調(diào)、監(jiān)測和控制。

有益效果

復(fù)合激光束的內(nèi)環(huán)是皮秒激光，其能量密度大可完成被加工樣品的快速成型，而復(fù)合激光束的外環(huán)是飛秒激光，其在皮秒加工的同時可以其加工形成的切口進行精細加工，消除切面毛刺，降低表面粗糙度，提高加工精度。這樣的合束光即保留了皮秒激光的加工效率由結(jié)合了飛秒激光加工精度高的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是一種利用超短脈沖激光的復(fù)合加工系統(tǒng)的構(gòu)成圖；

附圖標記：1-照明光源；2-分光棱鏡；3-向色鏡一；4-向色鏡二；5-聚焦透鏡；6-被加工樣品；7-二維移動臺；8-微機控制系統(tǒng)；9-皮秒激光器；10-圓環(huán)形衍射光柵；11-飛秒激光器；12-ccd圖像探測器；13-控制總線。

圖2是復(fù)合激光束的截面圖；

附圖標記：14-飛秒激光圓環(huán)光束；15-皮秒激光光束。

圖3是飛秒激光圓環(huán)光束的強度分布圖；

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明的一種利用超短脈沖激光的復(fù)合加工系統(tǒng)圖如圖1所示，照明光源1發(fā)出的照明光透過分光棱鏡2照射到向色鏡一3，照明光依次通過向色鏡一3和向色鏡二4之后通過聚焦透鏡5照射在固定于二維移動臺7上的被加工樣品8。

從被加工樣品6表面反射回的照明光依次經(jīng)向色鏡二4、向色鏡一3、分光棱鏡2反射至ccd圖像探測器12接收，用于監(jiān)測被加工樣品表面的顯微結(jié)構(gòu)，根據(jù)樣品表面顯示的圖像來判斷樣品表面是否處于聚焦焦點處。反射回來的飛秒激光和皮秒激光分別被向色鏡一3和向色鏡二4濾掉。

飛秒激光器11出射的飛秒激光鏡經(jīng)過圓環(huán)形衍射光柵10變?yōu)榈葟姸葓A環(huán)光強分布的遠場衍射光斑，圓環(huán)形衍射光柵10的位相可以通過外界施加電壓調(diào)整位相，進而影響飛秒激光圓環(huán)光束14的半徑。經(jīng)過圓環(huán)形衍射光柵10形成的飛秒激光圓環(huán)光束14，通過向色鏡一3完全反射后進入主光軸，即向色鏡一3、向色鏡二4以及聚焦透鏡5所在光軸，經(jīng)過向色鏡一3反射的飛秒激光圓環(huán)光束14與主光軸重合，皮秒激光器9輸出的皮秒激光光束15經(jīng)過向色鏡二4完全反射后也與主光軸重合，飛秒激光圓環(huán)光束14透射向色鏡二4后與皮秒激光光束15軸心重合。微機控制系統(tǒng)8通過控制總線13對圓環(huán)衍射光柵10外加電壓對圓環(huán)衍射光柵10位相進行調(diào)整，改變飛秒激光圓環(huán)光束14半徑，使飛秒激光圓環(huán)包圍皮秒激光束，皮秒激光束將飛秒激光圓環(huán)的內(nèi)環(huán)填充。飛秒激光圓環(huán)光束14與皮秒激光光束15形成的復(fù)合激光光束經(jīng)過聚焦透鏡5聚焦在被加工樣品6表面。其中，其中飛秒激光圓環(huán)光束14和皮秒激光光束15見附圖2所示。圖3給出了經(jīng)過圓環(huán)形衍射光柵10的飛秒激光圓環(huán)光束14的強度分布圖。

選擇向色鏡時，向色鏡一3不能透射、只能反射飛秒激光器11輸出激光的波段，而其他波長的光能夠透射，該向色鏡一3可承受的能量閾值大于飛秒激光的能量；向色鏡二4不能透射，只能反射皮秒激光器9輸出激光的波段，而其他波長的光可以透射，其可承受的能量閾值大于皮秒激光的能量。聚焦透鏡5可采用單個透鏡或者聚焦物鏡，可以使復(fù)合激光束與照明光聚焦在被加工樣品的被加工樣品6表面。

加工過程中，復(fù)合激光束中的皮秒激光提供加工過程中的總熱源，用于被加工工件的快速成型，而環(huán)繞在皮秒激光周圍的飛秒激光圓環(huán)光束14輔助皮秒激光提供超快加熱源提高加工精度，可起去除毛刺，減小被加工樣品表面粗糙度等效果。

以上的具體描述，對發(fā)明目的、技術(shù)方案進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，例如采用不同類型的飛秒。皮秒激光器，在飛秒和皮秒激光器輸出光路中加入光學(xué)參量放大器、衰減器、等用于改變激光波長、能量、脈沖寬度和重復(fù)頻率等進一步優(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、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的的保護范圍之內(nèi)。