陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统的制作方法

本发明涉及陶瓷基复合材料激光加工技术领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统。

背景技术：

连续纤维增强陶瓷基复合材料(cmc-sic)，作为新一代陶瓷基复合材料，成为目前超高温结构复合材料研究的重点；该材料是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料，能够在高的工作温度、强气流的冲刷腐蚀和高应力的振动载荷等复杂恶劣环境下保持优异的性能，因此cmc-sic被认为是航空航天热端部件重要的结构材料。cmc-sic复合材料硬度为2840～3320hv，仅次于金刚石和立方氮化硼，材料各向异性，成分分布不均，多层材料热力学性能失配，使用机械加工的方法难度很大。

针对材料难以平整加工的弊端与缺陷，有人提出使用激光进行加工的方法。激光作为一种新型的表面加工技术，因加工过程无刀具磨损和切削力作用于工件；可加工高硬度、高脆性以及高熔点材料；激光易于导向，容易与数控结合，适合复杂加工；而且激光束光斑直径到微米级，加工热影响区小，非常适用于超精密微细加工。因此，激光加工技术是加工陶瓷基复合材料的有效手段。

研究发现，由于该材料制作工艺本身的因素，同时又具有光学/热力学各向异性的复杂属性，这给激光高效高质加工陶瓷基复合材料表面的工艺提出了很大挑战。若仅采用纳秒激光对cmc-sic材料表面进行平整加工，加工效率高，但加工后表面质量较差，因激光的光热作用较强，从而导致加工表面产生球化效应，影响表面质量，又因为纳秒激光的脉宽较宽容易形成等离子体屏蔽现象；而具有“冷加工”效果的飞秒激光进行cmc-sic表面平整加工后，其表面粗糙度效果相对较好，样品表面快速电离使得产生等离子体寿命较短，从而避免了等离子体屏蔽现象的产生，但仍存在加工表面轻微沉积、氧化，平整效率较低且不能大面积加工的问题。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统，利用飞秒激光双脉冲序列和纳秒激光单脉冲序列组合成具有脉冲时序调控及参数匹配耦合的超脉冲激光，通过超脉冲激光加工实现陶瓷基复合材料表面的高效高质表面加工。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统，包括计算机控制系统、超脉冲光路系统、监控系统以及激光加工系统，计算机控制系统分别与超脉冲光路系统、监控系统以及激光加工系统连接，计算机控制系统先控制超脉冲光路系统出光和参数调整，然后通过监控系统反馈光路状态，确认超脉冲光路系统正常后，最后通过激光加工系统进行样品制备；

所述计算机控制系统包括计算机，计算机通过数字延时发生器分别连接飞秒激光器和纳秒激光器，计算机控制飞秒激光器的出光参数，出光参数为激光波长、激光功率、重复频率和脉冲个数；计算机控制纳秒激光器的出光参数，出光参数为激光波长、激光功率、重复频率、脉冲个数；计算机通过控制数字延时发生器，从而调控飞秒激光与纳秒激光的延时时间；

所述超脉冲光路系统包括飞秒激光双脉冲序列光路、纳秒激光单脉冲序列光路以及飞秒-纳秒激光合束光路；飞秒激光双脉冲序列光路接收飞秒激光器出光，纳秒激光单脉冲序列光路接收纳秒激光器出光，飞秒-纳秒激光合束光路将飞秒激光双脉冲序列光路、纳秒激光单脉冲序列光路结合一起，输出端与激光加工系统连接。

所述的飞秒激光双脉冲序列光路分为两条光路：固定光路和延时光路，能够调控子脉冲的延时时间、能量比例、偏振方向以及偏振态；纳秒激光单脉冲序列光路能够调控脉冲的偏振方向和偏振态；飞秒-纳秒激光合束光路将飞秒激光双脉冲序列光束与纳秒激光单脉冲光束在空间上进行合束，从而形成空间域重合、时间域可调节的超脉冲光路。

所述的监控系统包括光路准直监控系统、飞秒-纳秒光路延时监控系统以及激光加工ccd监控系统，光路准直监控系统分别连接飞秒激光双脉冲序列光路以及飞秒-纳秒激光合束光路；飞秒-纳秒光路延时监控系统与飞秒-纳秒激光合束光路连接；激光加工ccd监控系统与激光加工系统连接，监控系统信号输出至所述计算机进行处理分析。

所述的光路准直监控系统通过用于检测光束的空间位置，反馈其位置信号，进而对两束光束的空间位置重合度进行调整；飞秒-纳秒光路延时监控系统通过高速光电探测器监测飞秒脉冲和纳秒脉冲在时域上的延时状态，并通过示波器显示结果；激光加工ccd监控系统对加工样品进行定位以及实时查看样品加工的状态。

所述的激光加工系统包括快门、激光扩束准直系统、可调光阑、聚焦物镜系统、xyz三维运动平台，激光依次经过快门、激光扩束准直系统、可调光阑，然后通过聚焦物镜系统聚焦，最后到达xyz三维运动平台上对加工样品进行加工。快门控制激光脉冲的脉冲个数和激光的开合，xyz三维运动平台用于放置加工样品，且快门与xyz三维运动平台接入计算机系统保持协同控制；激光扩束准直系统同时通过飞秒激光和纳秒激光，用于对光束进行扩束；可调光阑用于控制光束直径；聚焦物镜系统同时聚焦飞秒激光和纳秒激光，用于聚焦激光从而进行加工。

利用一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统的加工方法，包括以下步骤：

1)打开计算机控制系统、超脉冲光路系统、监控系统和激光加工系统的电源；

2)打开计算机，对系统进行初始化设置，关闭快门；

3)打开飞秒激光器，输出飞秒激光。校准飞秒激光双脉冲序列光路的空间位置；校准飞秒激光光束的能量和偏振态；校准飞秒激光双脉冲序列光路的时间位置，关闭飞秒激光器；

4)打开纳秒激光器，输出纳秒激光，校准纳秒激光单脉冲序列光路，关闭纳秒激光；

5)打开飞秒激光器，输出飞秒激光。打开纳秒激光器，输出纳秒激光，校准飞秒-纳秒超脉冲激光光路在空间上重合；校准飞秒-纳秒超脉冲激光光路在时间上重合；

6)打开快门，校准激光扩束准直系统，关闭快门；

7)进行加工：控制飞秒激光器与纳秒激光器输出的激光功率和重复重率，调整飞秒激光延时平台，获得所需要的飞秒激光双脉冲序列延迟时间δt1，调整飞秒激光半波片和可调衰减器，获得所需子光束的偏振态以及能量比例；调整λ/4波片获取需要的偏振态；

调整纳秒激光可调分光衰减器，获得所需子光束的偏振态以及能量大小；调整λ/4波片获取需要的偏振态；调整数字延迟发生器，获得所需要的飞秒-纳秒超脉冲延迟时间δt2；调整可调光阑获得需要的光束直径大小，将待加工样品置于xyz三维移动平台，移动xyz三维移动平台，通过激光加工ccd监控系统观察待加工样品是否到达加工位置，并获取待加工样品聚焦平面，控制xyz三维移动平台的参数以及扫描路径；

最后，打开快门，对待加工样品进行飞秒-纳秒超脉冲激光时序耦合调控加工；如果计算机显示飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲的延迟与设定不相同，则断开数字延迟发生器与飞秒激光器和纳秒激光器的连接，控制飞秒激光器和纳秒激光器停止出光，通过实际脉冲延迟误差重置数字延迟发生器的脉冲延迟参数，并重复步骤5)至步骤7)的脉冲延迟调整，直至计算机上显示两个激光器输出激光脉冲的实际脉冲延迟与设定相同。

与现有技术比较，本发明的有益效果为：本发明提出采用飞秒-纳秒脉冲激光束组成具有脉冲时序调控及参数匹配耦合特征的超脉冲激光作为加工源，通过调控飞秒激光时域整形双脉冲的能量比例、子脉冲偏振态、子脉冲延时和脉冲个数，纳秒脉冲的能量、偏振态和脉冲个数以及飞秒激光双脉冲与纳秒激光单脉冲之间的延时调控等参数，实现材料表面电子密度时间和空间调制，从而有效调控激光与材料作用的演变行为。

本发明实现等离子体体积、密度、分布位置的调控，抑制材料内部热损伤并提高激光能量利用率，从而优化激光加工工艺，实现材料表面的平整加工质量和平整加工效率的提高。利用本发明系统，可开展基于超脉冲激光的陶瓷基复合材料平整加工的基础研究和应用研究。

附图说明

图1是本发明系统的整体示意图。

图2是本发明系统的光路图。

图3是本发明实施例陶瓷基复合材料表面平整加工前后形貌对比图。

图4是本发明实施例陶瓷基复合材料表面平整加工前后截面形貌图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作更详细的说明。

如图1所示，一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统，利用飞秒激光双脉冲序列和纳秒激光单脉冲序列组合成具有脉冲时序调控及参数匹配耦合的超脉冲激光，包括计算机控制系统a、超脉冲光路系统b、监控系统c以及激光加工系统d，计算机控制系统a分别与超脉冲光路系统b、监控系统c以及激光加工系统d连接；计算机控制系统a通过控制超脉冲光路系统b出光和参数调整，然后监控系统c反馈光路状态，确认超脉冲光路系统b正常后，进入激光加工系统d进行样品制备，样品制备过程由监控系统c进行观察。

参照图2，所述的计算机控制系统a包括计算机50、数字延时发生器48、飞秒激光器49和纳秒激光器47；数字延时发生器48一端连接计算机50，另一端分别连接飞秒激光器49和纳秒激光器47；其中，计算机50控制飞秒激光器49的出光参数(激光波长为515nm、激光功率为0～10w、重复频率1～100khz以及脉冲个数任意可调)；计算机50控制纳秒激光器47的出光参数(激光波长为1064nm、激光功率为0～10w、重复频率1～100khz以及脉冲个数任意可调)；计算机通过控制数字延时发生器48调控飞秒激光器49与纳秒激光器47出光时间的延时范围为0～1s、精度为5ps可调。

所述超脉冲光路系统b包括飞秒激光双脉冲序列光路b1、纳秒激光单脉冲序列光路b3以及飞秒-纳秒激光合束光路b2；飞秒激光双脉冲序列光路b1接收飞秒激光器49出光，经分光棱镜1分光，一路分光经515nm半波片2、精密延时平台4上的515nm反射镜3和515nm反射镜5、515nm反射镜6、辅助延时平台8上的515nm反射镜7和515nm反射镜9、515nm反射镜10、可调衰减器11和合束镜16的一个输入连接；另一路分光经515nm半波片12、515nm反射镜13、515nm反射镜14、可调衰减器15和合束镜16的另一个输入连接；合束镜16的一个输出通过515nm反射镜17反射至监控系统c，另一个输出经过515nmλ/4波片20进入飞秒-纳秒激光合束光路b2；

所述的纳秒激光单脉冲序列光路b3接收纳秒激光器47出光，出光经1064nm半波片46、1064nm反射镜45、1064nmλ/4波片44进入飞秒-纳秒激光合束光路b2；

所述的飞秒-纳秒激光合束光路b2输入端将飞秒激光双脉冲序列光路b1、纳秒激光单脉冲序列光路b3输出光结合一起，输出端与激光加工系统d连接；飞秒-纳秒激光合束光路b2包括二色向镜42，二色向镜42的一路输入通过515nm反射镜22、515nm反射镜21接收515nmλ/4波片20的输出光；二色向镜42的另一路输入通过1064nm反射镜43接收1064nmλ/4波片44的输出光；二色向镜42的输出通过高反分光片41分成两路，其透射光进入监控系统c，其反射光进入激光加工系统d。

飞秒激光双脉冲序列光路b1分为两条光路：固定光路和延时光路，其可以调控子脉冲的延时时间，其延时范围为0～1.1ns，由精密延时平台4控制延时范围为-50ps～+50ps，由辅助延时平台8控制延时范围为0～1ns；飞秒激光子脉冲能量比例调整范围为1:1至1:3线性可调；飞秒激光子脉冲的偏振方向旋转范围为0～360°以及偏振态可进行线偏振光-椭圆偏振光-圆偏振光调整。

纳秒激光单脉冲序列光路b3调整激光偏振方向，其方向旋转范围为0～360°；激光偏振态可进行线偏振光-椭圆偏振光-圆偏振光调整。

飞秒-纳秒激光合束光路b2通过二向色镜42将飞秒激光双脉冲序列光束与纳秒激光单脉冲光束在空间上进行合束，从而形成空间域重合、时间域可调节范围为0～1s的超脉冲光路。

所述监控系统c包括光路准直监控系统c1、飞秒-纳秒光路延时监控系统c2以及激光加工ccd监控系统c3，光路准直监控系统c1连接飞秒激光双脉冲序列光路b1；飞秒-纳秒光路延时监控系统c2与飞秒-纳秒激光合束光路b2连接；激光加工ccd监控系统c3与激光加工系统d连接，监控系统c信号输出至所述计算机50进行处理分析；

所述的光路准直监控系统c1包括光束分析仪19，光束分析仪19输入通过衰减片18接收515nm反射镜17的反射光；光路准直监控系统c1通过用于检测光束的空间位置，反馈其位置信号，进而对两束光束的空间位置重合度进行调整，其系统监控激光的波长范围为350nm～1100nm，激光光束直径范围为30μm～6.6mm，检测激光所在空间x、y方向的位置精度为±0.1μm，激光能量检测范围为50fw～1w；

所述的飞秒-纳秒光路延时监控系统c2包括高速光电探测器25、示波器26以及光束分析仪24，高速光电探测器25通过衰减片23接收高反分光片41的透射光；通过高速光电探测器25监测飞秒脉冲和纳秒脉冲在时域上的延时状态，并通过示波器26显示结果。

所述的激光加工ccd监控系统c3对待加工样品28进行定位以及实时查看样品加工的状态，包括白光源33，白光源33反射的光经半反半透镜31照射在待加工样品28上，通过ccd探测器32可以进行反馈探测状态。

所述激光加工系统d包括快门39、激光扩束准直系统36、可调光阑34、聚焦物镜系统29以及xyz三维运动平台27等，高反分光片41的反射光依次经过双波长反射镜40、快门39、双波长反射镜38、双波长反射镜37、激光扩束准直系统36、双波长反射镜35、可调光阑34照射在双波长反射镜30上，经双波长反射镜30后通过聚焦物镜系统29聚焦，最后到达xyz三维运动平台27上对待加工样品28进行加工；所述快门39控制激光脉冲的脉冲个数和激光的开合，其开合精度为1ms。所述xyz三维运动平台27用于放置待加工样品28，x、y、z轴的定位精度为±1μm，运动速度为0～500mm/s，且快门39与xyz三维运动平台27接入计算机50保持协同控制；激光扩束准直系统36同时通过飞秒激光和纳秒激光，用于对光束进行扩束，扩束范围为1x～3x；可调光阑34用于控制聚焦前入射光直径，其范围为1mm～10mm；聚焦物镜系统29同时聚焦飞秒激光和纳秒激光，用于聚焦激光从而进行加工。

利用一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统，包括以下步骤：

1)打开计算机控制系统a、超脉冲光路系统b、监控系统c和激光加工系统d的电源；

2)打开所述计算机50，对系统进行初始化设置，关闭快门39；

3)打开飞秒激光器49，输出功率范围在0.1w～0.5w，重复频率范围在1～1000hz，输出飞秒激光；

校准飞秒激光双脉冲序列光路b1的空间位置：通过光路准直监控系统c1检测光斑的位置及能量分布，调整延时光路与固定光路至最佳位置，并且两束子光束的光斑位置和能量分布在空间上重合，且延时光束光斑中心与固定光束的光斑中心距离在0～2μm以内；

校准飞秒激光光束的偏振态和能量：在飞秒激光双脉冲序列光路b1的延时光路和固定光路中，分别旋转515nm半波片2和515nm半波片12、可调衰减器11和可调衰减器15(半波片调整范围是0～360°，可调衰减器旋转范围是0～360°，光密度范围是0～3.0)，使两束子光束偏振方向相同，能量比例1:1且为最大值，并记下调整位置；在两束光合束之后加入515nmλ/4波片20，旋转该波片，波片旋转范围是0～360°，可调整激光偏振态由线偏振-椭圆偏振-圆偏振光转换，调整光束偏振态为圆偏振，记下此时515nmλ/4波片20的旋转位置；

校准飞秒激光双脉冲序列光路b1的时间位置：移动精密延时平台4和辅助延时平台8，当干涉条纹出现最亮的情况时，记得精密延时平台4和辅助延时平台8的位置即为飞秒激光双脉冲序列延迟δt1＝0的延迟位置，调整结束后控制所述飞秒激光器49停止出光；

4)打开纳秒激光器47，输出功率范围在0.1～0.5w，重复频率范围在1～1000hz，输出纳秒激光；

校准纳秒激光单脉冲序列光路b3，旋转1064nm半波片46与飞秒激光偏振方向一致，记下此时位置；调整1064nmλ/4波片44，使之出光为圆偏振态时，记下此时的旋转位置；调整结束后控制纳秒激光器17停止出光；

5)打开飞秒激光器49，输出功率范围在0.1～0.5w，重复频率范围在1～1000hz，挡住延时光路，保留固定光路，输出激光；打开纳秒激光器47，输出功率范围在0.1～0.5w，重复频率范围在1～1000hz，输出激光；

校准飞秒-纳秒超脉冲激光光路b2在空间上重合：使用光束分析仪24检测飞秒激光和纳秒激光光斑的位置及能量分布，以飞秒激光固定光束为基准，观察纳秒激光与飞秒激光的光斑位置中心距离是否在0～2μm之间，若两束光束没有重合，则对纳秒激光单脉冲序列光路进行微调，通过微调纳秒激光反射镜，直至飞秒激光光束和纳秒激光光束的光斑和能量分布一致，调整结束后停止飞秒激光器49与纳秒激光器47出光，保持光路元器件不变，移除光束分析仪24，蒋光路接入高速光电探测器25；

校准飞秒-纳秒超脉冲激光光路b2在时间上重合：计算机50首先控制飞秒激光双脉冲序列延时δt1＝0，即此时飞秒激光子脉冲在时间上重合；打开数字延迟发生器47，接着计算机50发送指令给数字延迟发生器48，控制数字延迟发生器启动频率在1～1000hz，设定飞秒激光和纳秒激光同时触发，接着控制数字延迟发生器48触发飞秒激光器49和纳秒激光器47；高速光电探测器25接收频率>100khz，高于飞秒-纳秒重复频率，通过高速光电探测器25探测两束激光信号，示波器26显示出两束激光的波形，从而检验飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲的延迟δt2是否为0；若此时飞秒激光起始点的波形与纳秒激光起始点的波形有时间延时(δt2≠0)，则通过调整数字延迟发生器48延迟纳秒激光器47的触发时间，直至飞秒激光波形与纳秒激光波形起始点的上升沿重叠，记下此时纳秒激光器47相对飞秒激光器49的触发延时时间，即标记此时为纳秒激光器47相对于飞秒激光器49的延时零点，记为δt2＝0。飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲的延迟设定完毕；

6)打开快门39，校准激光扩束准直系统36，激光扩束1x～3x后，光束发散角在±10μrad范围，关闭快门39；

7)进行加工：将待加工样品28置于xyz三维移动平台27，移动xyz三维移动平台27，通过激光加工ccd监控系统c3观察待加工样品28是否到达加工位置；调整飞秒激光器49的输出功率0～10w，重复频率为1～100khz,调整飞秒激光延时平台，获得所需要的飞秒激光双脉冲序列延迟时间δt1＝0～1.1ns，调整515nm半波片2和可调衰减器11，获得所需两束光束的偏振方向夹角(0～90°)以及能量比例(1:1至1:3)；调整515nmλ/4波片20获取需要的偏振态；调整纳秒激光器47的输出功率0～10w，重复频率为1～100khz；调整1064nmλ/4波片44获取需要的偏振态；调整数字延迟发生器48，获得所需要的飞秒-纳秒超脉冲延迟时间δt2＝0～1s；调整可调光阑34获得需要的光束直径大小(1～10mm)，通过激光加工ccd监控系统c3从而控制xyz三维移动平台27移动获取适当的待加工样品28聚焦平面，通过计算机50控制xyz三维移动平台的加工速度(0～500mm/s)和加工路径(槽型、网格型以及复杂型状)；最后，打开快门39，控制飞秒激光器49与纳秒激光器47出光，对待加工样品28进行飞秒-纳秒超脉冲激光时序耦合调控加工；如果计算机50显示飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲的延迟与设定不相同，则断开数字延迟发生器48与飞秒激光器49和纳秒激光器47的连接，控制飞秒激光器49和纳秒激光器47停止出光，通过实际脉冲延迟误差重置数字延迟发生器48的脉冲延迟参数，并重复步骤(10)，直至计算机50上显示两个激光器输出激光脉冲的实际脉冲延迟与设定相同；

最后，通过飞秒-纳秒超脉冲激光时序耦合参数，对连续纤维增强陶瓷基复合材料(cmc-sic)进行表面平整加工，结果如图3和图4所示。图3为陶瓷基复合材料加工样片的抛光前和抛光后表面形貌图，抛光前有明显的波峰和波谷，且分布不均匀；抛光后材料表面波峰部分被削平，表面粗糙度降低，质量明显提升。图4为陶瓷基复合材料加工样片的抛光前和抛光后截面形貌图，抛光前材料截面的线粗糙度为ra＝9.43um，抛光后材料截面的线粗糙度为ra＝1.14um，粗糙度明显降低。因此，采用飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统，可实现陶瓷基复合材料的高效高质表面平整加工。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围。