一种激光辅助加热飞秒脉冲激光打孔装置及方法与流程

本发明涉及激光打孔领域，尤其是一种激光辅助加热飞秒脉冲激光打孔方法及装置。

背景技术：

飞秒脉冲激光具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率。飞秒激光打孔就是利用飞秒脉冲激光在材料表面以脉冲的方式去除材料从而在工件表面形成孔的过程。由于飞秒脉冲激光的能量极大,而且作用时间极短,能量还没有来得及扩散,材料已经被加热到极高的温度,材料直接汽化蒸发，因此飞秒脉冲激光的热效应小，对被加工材料氧化、变形、热影响区域均较小，而且加工精度非常高，可以达到纳米量级。

但是飞秒脉冲激光加工时每个脉冲去除的材料非常少，加工一个孔往往耗时很久，这就造成了飞秒脉冲激光的加工效率较低，不适应大规模的生产，因此不利于飞秒脉冲激光的推广和使用。现有研究表明，大部分金属材料对激光的吸收率会随着材料的温度上升而上升，因此本发明从提高飞秒激光的吸收率的角度设计一种激光辅助加热飞秒脉冲激光打孔方法及装置，以提高飞秒脉冲激光的加工效率。

专利申请号201410251135.5的中国专利《一种双激光系统打孔方法》提出了一套应用于激光打孔的系统，首先利用功率密度低、脉宽长的脉冲激光辐照在工件表面产生熔池，并在熔池上方产生等离子体，然后功率密度高、脉宽短的脉冲激光作用于等离子体，等离子体吸收短脉冲高能激光后产生等离子体爆炸，爆炸产生的冲击波向孔内部和孔外两个方向传播，其中向内传播的冲击波作用于熔池，使熔融材料快速喷出孔外，如此重复，实现双激光系统打孔。但是该专利提出的方法和装置要先使用功率密度低、脉宽长的脉冲激光辐照在工件表面产生熔池，即材料在功率密度高、脉宽短的脉冲激光作用前先发生固液相变，后续的功率密度高、脉宽短的脉冲激光作用在等离子上，这样容易导致孔周围材料发生改变且降低材料的表面质量，因此并不适应于飞秒脉冲激光的超微细打孔，尤其是在微米和纳米级打孔时对孔及孔周围的质量要求很高，采用该专利无法满足要求。

技术实现要素：

本发明为了解决目前飞秒脉冲激光打孔加工速度慢的问题，提供一种激光辅助加热飞秒脉冲激光打孔方法及装置。

本发明为解决技术问题所提供的技术方案如下：

一种激光辅助加热飞秒脉冲激光打孔装置，包括计算机工作台控制器、连续激光控制器、连续激光器、第二扩束器、分束镜、反射平面镜、第一扩束器、飞秒脉冲激光器、凸透镜、飞秒脉冲激光控制器、夹具、工件、可移动工作台和ccd相机；

所述连续激光控制器输入端与计算机相连接，连续激光控制器输出端与连续激光器输入端相连接，连续激光器输出端与第二扩束器相连接，第二扩束器将光束照射到45°设置的分束镜上，分束镜镜将来自第二扩束器的光反射到凸透镜上；

所述飞秒脉冲激光控制器输入端与计算机相连接，飞秒脉冲激光控制器输出端与飞秒脉冲激光器输入端相连接，飞秒脉冲激光器输出端与第一扩束器相连接，第一扩束器将光束照射到45°设置的反射平面镜上，反射平面镜将来自第一扩束器的光束反射到分束镜上，从而将来自第一扩束器的光反射到凸透镜上；

所述凸透镜上的光束作用于正下方的工件上，所述工件通过夹具安装在可移动工作台上，可移动工作台通过工作台控制器与计算机相连接；可移动工作台正上方设置有ccd相机。

进一步的，所述连续激光器(4)为co2连续激光器或者光纤连续激光器

一种激光辅助加热飞秒脉冲激光打孔方法，包括如下步骤：

步骤一)对工件表面进行研磨抛光处理；

步骤二)将步骤一处理过的工件固定在夹具上，通过ccd相机的监测，利用工作台控制器控制可移动工作台，调整工件的位置；

步骤三)通过连续激光控制器设定连续激光器输出用于加热的低能量连续激光束的输出参数；打开连续激光器对工件待加工位置进行加热，加热时间由计算机控制；

步骤四)将步骤三的工件预加热一定时间后，打开飞秒脉冲激光器对工件待加工位置输出飞秒脉冲激光束，在材料加工区域形成小孔；

步骤五)关闭飞秒脉冲激光器和连续激光器，工作台控制器控制可移动工作台移动到下一个位置；

步骤六)重复以上步骤，对工件下一个位置进行加工。

本发明的有益效果是：

1、在保证飞秒激光的加工优点的同时，采用连续激光对加工区域进行局部加热，材料不发生相变并且温度可控，对材料其余部分不会产生影响，因此可以保证飞秒激光打孔的加工精度高、热影响区域小的优点。

2、提高材料对飞秒脉冲激光的吸收率，降低了材料的烧蚀阈值，从而提高了材料的切除效率，即提高了飞秒脉冲激光的加工效率。

3、本发明自动化程度较高，只需将工件定位好，通过计算机编程便可以实现自动化加工。

附图说明

图1为一种激光辅助加热飞秒脉冲激光打孔装置的示意图；

附图标记如下：1.计算机，2.工作台控制器，3.连续激光控制器，4.连续激光器，5.第二扩束器，6.分束镜，7.反射平面镜，8.第一扩束器，9.飞秒脉冲激光器，10.凸透镜，11.飞秒脉冲激光控制器，12.夹具，13.工件，14.可移动工作台，15.ccd相机。

具体实施方式

为对本发明做进一步的了解，现结合附图做进一步的说明：

实施例一：

一种激光辅助加热飞秒脉冲激光打孔装置，如图1所示，包括计算机1、工作台控制器2、连续激光控制器3、连续激光器4、第二扩束器5、分束镜6、反射平面镜7、第一扩束器8、飞秒脉冲激光器9、凸透镜10、飞秒脉冲激光控制器11、夹具12、工件13、可移动工作台14、ccd相机15。

ccd相机15位于最上方，其正下方依次为反射平面镜7、分束镜6和凸透镜10；飞秒脉冲激光控制器11与飞秒脉冲激光器9相连，连续激光控制器3与连续激光器4相连，工作台控制器2与可移动工作台14相连；飞秒脉冲激光控制器11、连续激光控制器3与工作台控制器14通过信号线与计算机1相连；工件13固定在夹具12上，夹具12固定在可移动工作台14上。

一种激光辅助加热飞秒脉冲激光打孔方法：其主要特征是，在飞秒脉冲激光器对工件加工之前采用连续激光器对要加工区域进行加热。根据上述激光辅助加热飞秒脉冲激光打孔装置，主要包括以下步骤：

1.对工件13表面进行研磨抛光处理；

2.将工件13固定在夹具12上，夹具12固定在可移动工作台14上；

3.在ccd相机15监测下，利用工作台控制器2控制可移动工作台，调整工件的位置；

4.通过连续激光控制器3设定连续激光器输出用于加热作用的低能量连续激光束的输出参数；

5.打开连续激光器对工件13待加工位置进行加热，加热时间由计算机控制；

6.预热一段时间后，打开飞秒脉冲激光器9对工件13待加工位置输出飞秒脉冲激光束，在材料加工区域形成小孔；

7.关闭飞秒脉冲激光器9和连续激光器4，工作台控制器2控制可移动工作台14移动到下一个位置；

8.重复以上步骤，对工件13下一个位置进行加工

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。