飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置及方法与流程

本发明涉及一种激光加工装置，尤其是一种用于表面超精细加工装置及方法。

背景技术：

激光加工是最广泛和常用的一种利用激光与物质相互作用的效应进行加工的一类应用。激光可以达到很高的瞬时功率密度，通过聚聚焦将激光能量集中在微米级尺寸内，便实现多种材料的切割、沉积、蚀刻等等。近年来，在液体当中用激光加工的方法对材料表面微结构进行处理已经成为了一种新兴的方法。聚焦后的激光在液体中与物质作用，可以将与其作用的物质电离，产生蒸汽和等离子体，因此液体当中形成微小气泡、冲击波以及光丝等现象，微小气泡当中聚集了高温高压的蒸汽环境，从而实现对材料表面结构的修饰和处理。

然而，在液体当中虽然有能形成局部高温高压环境的优势，但是也存在其他弊端。由于激光束要先从液体当中传输一段距离，才能到达与液体接触的材料表面，液体会对激光的传输造成很大影响，即使是纯水溶液，也会造成激光功率的衰减，若采用非线性介质溶液，则由于溶液的非线性吸收将造成激光的进一步衰减，影响表面加工效率与加工精度。更严重的是激光在材料表面附近液体中聚焦，将在微米尺度内产生上千度的热区，该热区内的水将迅速汽化，产生微米量级的气泡。这些气泡对激光光束的散射，导致激光到达材料表面的能量只有原有的10％，该问题也是目前溶液中加工最难解决的问题。微米气泡的产生大大影响加工的质量和精度，增加了产品的次品率和废品率。因此，材料加工领域急需一种能够提高加工效率和加工精度，且大幅降低激光传输过程的能量衰减的加工手段。这也是当前世界范围激光加工领域的热点与难点。

技术实现要素：

本发明提出一种飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置及方法，该装置及方法使激光透过材料，随后高峰值功率的激光脉冲前沿通过多光子效应将溶液分子电离，而电离后的电子受到脉冲的后沿加速，在溶液当中形成等离子通道。由光丝形成的芯径50微米左右的等离子通道中，温度达上千度>3000k。因此光丝与周围溶液存在一个较大的温度梯度，导致光丝附近的溶液受热膨胀，对周围的晶格形成冲击，最终形成光丝冲击波，利用该超声波可以实现材料表面的微结构加工。相比原有方法可以显著减少激光在溶液当中传输时造成的功率衰减与散射、折射等问题，达到更高的加工精度和更好的加工效果。本方法可以加工损伤阈值较高的透明材料，通过对激光参数、焦斑半径以及扫描路径的精密控制，可以对材料进行各种表面微结构的处理与加工，在不需要其他精密器件的前提下，可获得几微米的加工精度。同时可以减少对激光功率的要求，节省了激光器的购置与使用成本。

本发明的技术方案是这样实现的：一种飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置，用于在高损伤阈值透明材料表面实现微纳结构加工，包括：激光光源装置、扫描控制部、光束聚焦部、材料加工部、方案控制部，所述的扫描控制部输入端与激光光源装置的输出端相连接，并接收方案控制部的反馈信号进行实时的监控与调节；所述的光束聚焦部输入端与扫描振镜部的输出端相连接；所述的材料加工部连接扫描振镜部的输出端；

所述激光光源装置：包含用于产生激光光束的激光装置；由驱动电路、激光器组成；激光器的电源输入端连接驱动电路，输出端作为激光光源装置的输出端；输出的激光功率由驱动电路输入激光器的电流控制；

所述扫描控制部：包括光纤隔离器、光纤与空间光路转换器、空间聚焦光学元件组合、空间反射光学元件组合，用于实现激光光束对材料表面的移动扫描：所述的光纤隔离器的输入端与激光光源装置通过光纤连接；所述的光纤隔离器的输出端与光纤与空间光路转换器通过光纤连接；所述的光纤与空间光路转换器的输出端与空间聚焦光学元件组合通过空间连接；所述的空间发射光学元件组合的输入端与空间聚焦光学元件组合通过空间连接，输出端作为扫描控制部的输出端口；

所述光束聚焦部：包括空间聚焦透镜组合、一维电动位移平台，用于将激光光束聚焦到材料表面；空间聚焦透镜组合的输入端与扫描控制部的输出端口通过空间连接，输出端作为光束聚焦部的输出端口，一维电动位移平台用于固定和位移空间聚焦透镜组合；

所述材料加工部：包括材料固定装置、ccd相机、显微镜装置、溶液、材料和溶液中的光丝，所述材料固定在材料固定装置的簸箕形的出口处，以及光束聚焦部的输出端口，溶液放入材料固定装置的容器中；材料固定装置的上方设置一台与ccd相机连接的显微镜装置，用于监控材料表面微结构的变化，实现材料的加工和实时监控；

所述方案控制部通过计算机分别与激光光源装置的驱动电路、扫描控制部的空间反射光学元件组合、光束聚焦部的一维电动位移平台连接，并控制激光光源装置，扫描控制部，光束聚焦部，材料加工部的相互通信和协调工作。

进一步，所述的激光光源装置所使用的激光器的类型为光纤激光器、固体激光器、气体激光器、以及半导体激光器中的一种；所使用的激光器的输出波长为紫外200-400nm、可见400-700nm、红外700-10000nm。

进一步，所加工的材料为光学透明材料，，材料在材料固定装置的簸箕形的出口处采用防漏结构，防止溶液泄露；材料加工部的四周设有阻挡散射激光的隔板，以保护操作人员的人身安全。

进一步，所述激光器输出的峰值功率p激光大于材料中形成光丝的功率阈值pc，pc＝3.77λ²/8πn0n2，其中λ为激光输出波长，n0为溶液线性折射率，n2为溶液二阶非线性折射率，所述的激光器输出脉宽为0-500皮秒。

进一步，所述的方案控制部为控制激光光源装置和扫描振镜部的控制装置；所述的方案控制部通过在观察到表面微结构的深度信息和位置信息后，分别反馈给激光光源装置和扫描振镜部，以便于及时纠错和调整光束的功率和位置。

进一步，所述的溶液为透光的纯净水呀金属及金属氧化物的纳米溶液。

一种采用飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置的加工方法，首先，材料加工部固定所需加工的材料，并且使材料的后表面和光束的焦平面处在同一平面上；由激光光源装置产生所需的激光光束；扫描控制部控制激光光束的焦斑半径大小，调整光束的方向，并接受来自方案控制部的反馈，以便于按照既定方案进行扫描加工；光束聚焦部将飞秒激光光束聚焦在材料表面进行加工；方案控制部输入表面微结构的具体加工扫描方案，然后按照输入的方案分别控制激光光源装置和扫描控制部进行加工；同时监控材料表面微结构的变化，将信号反馈给激光光源装置和扫描控制部，使其根据情况调整相应的光束功率和光束位置。

进一步，所述激光光源装置输出的高功率激光在溶液中聚焦，当激光器输出的峰值功率p激光大于溶液中形成光丝的功率阈值pc时，所述激光在溶液中引发光丝现象，高峰值功率的激光脉冲前沿通过多光子效应将溶液分子电离，而电离后的电子受到脉冲的后沿加速在溶液中形成一条等离子体通道，由光丝形成的芯径50微米的等离子通道中，温度达>3000k，光丝与周围溶液存在温度梯度，导致光丝附近的溶液受热膨胀，对周围的晶格形成超声冲击，该超声冲击最终推动水流形成冲击波，利用该冲击波实现材料表面的微结构加工，同时，由于最终等离子体的自散焦作用与激光的自聚焦效应在光丝中将实现动态平衡，光丝中的光强被钳制在一个恒定强度，该恒定强度可提升光丝背向冲击波，用于加工的稳定性。

本发明的有益效果在于：

1、激光光束能够直接透过材料到达与液体接触的材料表面，不会使激光光束接触到液体中产生的大量微小气泡，减少了气泡导致光束散射、折射等问题，提高了加工所需的精度和质量。

2、激光光束能够直接透过材料到达与液体接触的材料表面，不需要使激光束在液体中传输，因而大大减少了激光束在液体中传输时可能带来的能量削减的问题，，减少了激光光束的能量损耗，提高了加工效率。

3、由于光丝强度钳制作用，光丝在液体中的能流密度在1cm长度范围内被限制在一个特定的值，这也大大降低了加工时激光位移过程中对位移精度的依赖性。降低位移精度使得加工速度大大提升，因此可实现跨尺度加工。理论上来说使用该加工方法在1平方米的熔融石英的整个表面，加工1微米精度的精细结构只需要5分钟。

附图说明

图1为飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置总体原理框图；

图2为飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置的结构图；

图3为飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置的工作框图；

图4为材料加工部结构示意图；

图5为显微镜下加工前的材料表面结构图；

图6为显微镜下加工后的材料表面结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置，包括激光光源装置100，扫描控制部200，光束聚焦部300，材料加工部400和方案控制部500五个部分。激光光源装置100用于提供加工过程所需的激光光束；扫描振镜部200用于对激光的焦斑半径大小、传输方向以及扫描路径进行控制；光束聚焦部300用于控制光束的焦平面位置和焦深大小；材料加工部400用于固定材料和观察材料表面加工情况；方案控制部500用于输入加工方案，然后按照方案控制光源生成部和扫描振镜部开始加工。

如图2所示，激光光束首先从激光光源装置100生成，然后传输到扫描振镜部200，扫描振镜部200首先通过空间聚焦光学元件组对光束的焦斑半径进行适当的调整，然后利用空间反射光学元件组调整材料表面加工轨迹，激光光束随后传输到光束聚焦部300，经过空间聚焦以后传输到材料加工部400进行加工。其中，激光光源装置100、扫描振镜部200、光束聚焦部300和材料加工部400分别连接方案控制部500。

如图3所示，激光光源装置100：包含用于产生激光光束的激光装置；由驱动电路101、激光器102组成；激光器102的电源输入端连接驱动电路101，输出端作为激光光源装置100的输出端；输出的激光功率由驱动电路101输入激光器102的电流控制。激光光源装置100所使用的激光器的类型为光纤激光器、固体激光器、气体激光器、以及半导体激光器中的一种；所使用的激光器的输出波长为紫外200-400nm、可见400-700nm、红外700-10000nm激光器102输出的峰值功率p激光大于材料中形成光丝的功率阈值pc，pc＝3.77λ²/8πn0n2，其中λ为激光输出波长，n0为溶液404线性折射率，n2为溶液404二阶非线性折射率，所述的激光器102输出脉宽为0-500皮秒。

扫描控制部200：包括光纤隔离器201、光纤与空间光路转换器202、空间聚焦光学元件组合203、空间反射光学元件组合204，用于实现激光光束对材料表面的移动扫描：所述的光纤隔离器201的输入端与激光光源装置100通过光纤连接；所述的光纤隔离器201的输出端与光纤与空间光路转换器202通过光纤连接；所述的光纤与空间光路转换器的输出端与空间聚焦光学元件组合203通过空间连接；所述的空间发射光学元件组合204的输入端与空间聚焦光学元件组合203通过空间连接，输出端作为扫描控制部200的输出端口。

光束聚焦部300：包括空间聚焦透镜组合301、一维电动位移平台302，用于将激光光束聚焦到材料表面；空间聚焦透镜组合301的输入端与扫描控制部200的输出端口通过空间连接，输出端作为光束聚焦部300的输出端口，一维电动位移平台302用于固定和位移空间聚焦透镜组合301。

方案控制部500通过计算机分别与激光光源装置100的驱动电路101、扫描控制部200的空间反射光学元件组合204、光束聚焦部300的一维电动位移平台302连接，并控制激光光源装置100，扫描控制部200，光束聚焦部300，材料加工部400的相互通信和协调工作。方案控制部500为控制激光光源装置100和扫描振镜部200的控制装置；所述的方案控制部500通过在观察到表面微结构的深度信息和位置信息后，分别反馈给激光光源装置100和扫描振镜部200，以便于及时纠错和调整光束的功率和位置。

如图3，4所示，材料加工部400包括材料固定装置401、ccd相机402、显微镜装置403、溶液404、材料405和溶液中的光丝406。待加工的材料405固定在材料固定装置401和光束聚焦部300的输出端口，溶液403放入材料固定装置401的容器中；材料固定装置401的上方设置一台与ccd相机402连接的显微镜装置403，用于监控材料表面微结构的变化，实现材料405的加工和实时监控。溶液404为透光的纯净水呀金属及金属氧化物的纳米溶液。材料405为光学透明材料，材料加工部400的四周设有阻挡散射激光的隔板，以保护操作人员的人身安全。

待加工的材料405固定在材料固定装置401的簸箕形的出口处，然后在边沿做好防漏措施之后，加入加工所需的溶液404或胶状物质，然后使聚焦后的光束401的焦平面和待加工材料402的后表面重合，按照输入的方案进行加工。在开始加工之后会在焦点处电离，产生等离子体和局部高温高压的环境，进而对材料表面进行微结构处理和加工，在加工的同时利用显微镜装置403对表面加工情况进行实时监控，如果发现结构的形状差异，便将信号反馈给方案控制部500，之后方案控制部500对光源生成部的激光功率和扫描振镜部的扫描路径作出相应调整，直至方案加工完成。

飞秒光丝背向冲击波用于材料的表面加工方法操作流程如下:开启方案控制部500，开启激光光源装置100；将材料固定在材料加工部400的簸箕型装置的出口处，采取防漏措施；根据材料类型加入合适的溶液或胶状物质，设置驱动电路101的参数，如激光功率、脉冲重复频率和脉冲宽度等参数；将具体加工方案输入方案控制部，使扫描振镜部和光束聚焦部能够按照预定的扫描路径和速度进行工作；打开ccd相机402和显微镜装置403，并调整好焦距，以便于监控材料表面微结构的变化；加工过程中，显微镜会显示材料的具体结构，并反馈到激光光源装置100、扫描控制部200以及光束聚焦部300；图5和图6分别展示了加工前和加工后的表面结构变化，将光束聚焦到材料表面5秒左右即可产生大小为900μm的微结构变化区域；加工完成后，关闭驱动电路101、激光光源装置100、ccd相机402以及显微镜装置403，取出材料，完成。