专利名称：超短脉冲激光并行微加工方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超短脉冲激光加工的方法及设备。
背景技术：
激光加工是一种非接触式的材料切削过程，以熔化和气化的方式去除材料，因此特别适用于加工硬和脆的材料。传统激光(纳秒、微秒脉冲或连续激光)加工，其效率高，作为一种经济的、有竞争力的技术手段已被工业界接受。但是，由于激光脉冲长于热扩散时间，不可避免地产生加工缺陷，如重铸层和微裂纹等。这些缺陷不仅降低工件的机械特性，还对安全服役造成隐患。尽管通过改善激光加工工艺可以提高钻孔质量，但仍需去除缺陷和去应力退火等后续工序。
上世纪90年代中期，稳定可靠的超短脉冲激光系统尤其是飞秒激光器在国际上进入到商业化生产阶段，它为高质量的材料加工增添了新的可能性。飞秒激光具有超短脉冲、超高峰值强度的特性，自由电子通过逆忍致辐射吸收激光，电子温度迅速增加，能量还来不及传输给晶格，激光脉冲的作用就已经结束了。此时大量的自由电子造成强的静电场，电场力超过电子系统的相互作用引力时，就发生库仑爆炸，使得能量被迅速带走而来不及在材料内部扩散。飞秒激光材料的去除是一个气化过程，其热影响区则可以忽略不计。与传统激光相比，飞秒激光材料加工能量损失小，利用率高，从而降低了材料的去除阈值；它对材料加工表面的间接损伤小，加工精度高，表面粗糙度可达亚微米级。飞秒激光材料加工另一潜在的优势在于生产一次性完成，无需后续的辅助工序和特殊的气体环境保护。因此，用飞秒激光加工高温合金如钛合金、镍基合金等航空材料具有很强的技术优势，也可以在透明玻璃内部进行三维光存储，制作波导等光子器件。
在制作微小器件时，用一束飞秒激光加工一个式样，这样的加工的效率非常低。大多数情况，需要的平均功率不高，如加工玻璃和有机材料，一般几十毫瓦甚至几个毫瓦就能满足要求，为此，本发明提出了一种并行的加工方法，能够一次加工几十个甚至几百个器件，将原有效率提高2个数量级。
发明内容
本发明目的是提供一种超短脉冲激光并行微加工方法及设备，其解决了背景技术中传统激光加工带来重铸层和微裂纹等加工缺陷以及超短脉冲激光加工效率非常低的技术问题。
本发明方法的技术解决方案是一种超短脉冲激光并行微加工方法，其包括以下步骤1]准备待加工样品将待加工样品8安装在加工平台上；2]产生超短脉冲激光束由超短脉冲激光系统14输出一束超短脉冲激光；3]生成多束发散的激光该束超短脉冲激光经过微透镜阵列13变为多束发散的超短脉冲激光；4]生成多个激光焦点该多束发散的超短脉冲激光通过聚焦系统7聚焦到待加工样品8对应的在焦平面，形成多个焦点进行加工。
上述生成多个激光焦点的步骤具体为将多束超短脉冲激光通过45度激光全反镜5进行反射，再通过聚焦系统7聚焦到待加工样品8对应的在焦平面，行成多个焦点进行加工。
上述超短脉冲激光并行微加工方法还包括监视待加工样品的加工和定位的步骤将照明光源1照射到待加工样品8上，摄像机3将聚焦系统7上的加工图像和定位情况传输到监视器上。
上述超短脉冲激光并行微加工方法还包括生成多个激光焦点的同时控制加工平台移动的步骤。
一种超短脉冲激光并行微加工设备，包括可产生超短脉冲激光束的超短脉冲激光系统14、可固定待加工样品8的加工平台和监视系统，其特殊之处是其还包括依次设置在激光束发射方向上的微透镜阵列13和聚焦系统7，所述聚焦系统7的焦点在加工平台上的待加工样品8上。
上述超短脉冲激光并行微加工设备还包括设置在激光束发射方向上的45度激光全反镜5，所述聚焦系统7设置在45度激光全反镜5的反射方向上。
上述监视系统包括摄像机3、监视器、与超短脉冲激光系统14平行设置的照明光源1、设置在45度激光全反镜5正上方的照明光源半透半反镜4。
上述超短脉冲激光并行微加工设备还包括金属筒6，所述照明光源半透半反镜4设置在金属筒6内部上方，所述45度激光全反镜5设置在金属筒6内部下方，所述金属筒6的外侧面上相应设置有可分别透过激光束和照明光源的圆孔，所述超短脉冲激光系统14和照明光源1平行设置在金属筒6的外侧，所述加工平台设置在金属筒6的下端部，所述摄像机3设置在金属筒6的上端部。
上述加工平台包括空心样品台9、三维移动平台10、计算机12和电控箱11，所述待加工样品8安装在空心样品台9上，所述空心样品台9安装在三维移动平台10上。
上述超短脉冲激光系统14为飞秒激光系统，所述45度激光全反镜5为800nm45度激光全反镜；所述聚焦系统7为F-θ扫描透镜或显微物镜；所述照明光源1为普通可见光源，包括白色LED、卤素灯、或可见光的LED。
本发明具有的优点是1、加工效率高。实现了超精密加工高温合金金属的光、电、机械一体化系统合方法，与电子束和离子束加工技术相比，加工效率提高3～4个数量级。
2、精度高。由于本发明使用超短脉冲或者皮秒脉冲激光，在切割、打孔、表面处理、微加工时，材料内的电子吸收的激光的能量几乎来不及传输给材料的晶格，因此，材料的温度几乎不变。加工的物理机理不同与纳秒脉冲激光的热效应导致的熔化或者升华。本发明与传统的纳秒激光相比，超短脉冲激光加工的结果是精度更高，无冶金缺陷、无溅落物、无热效应，无污染。空心样品台主要是防止激光穿透样品后在样品台上产生溅射并污染加工样品。
3、可实时监视加工样品的加工情况和定位。本发明通过CCD摄像机从聚焦系统获得待加工样品的图像，并实时显示在显示屏上，可实时监视加工样品的加工情况和定位情况。
4、飞秒激光进行材料的去除是一个气化过程，其热影响区可忽略不计、加工能量损失小、利用率高，从而降低了材料的去除阈值；飞秒激光对材料加工表面的间接损伤小，加工精度高，表面粗糙度可达亚微米级。飞秒激光材料加工可一次性完成，无需后续的辅助工序和特殊的气体环境保护。飞秒激光可加工高温合金如钛合金、镍基合金等航空材料，也可以在透明玻璃内部进行三维光存储，制作波导等光子器件。
图1是实现本发明方法所使用加工设备的结构示意图；其中1-照明光源；2-匀化器；3-摄像机；4-照明光源半透半反镜；5-45度激光全反镜；6-金属筒；7-聚焦系统；8-待加工样品；9-空心样品台；10-三维移动平台；11-电控箱；12-计算机；13-微透镜阵列；14-超短脉冲激光系统。
图2飞秒激光在CMSX-4镍基单晶片上打的散热孔示意图。
图3单个飞秒激光脉冲用微透镜阵列并行加工技术在PMMA内部刻写的记录点的示意图，加工速度比单光束加工要高几千倍。
图4不同飞秒激光能量在PMMA内部不同尺寸记录点的示意图。
图5用飞秒激光在光敏材料表面并行加工的字母“H”的示意图。
具体实施例方式
实现本发明方法所使用的一种加工设备如图1所示，超短脉冲激光系统14采用飞秒激光系统，其输出的飞秒激光束经过微透镜阵列13后变为多束发散的激光，多束激光入射到安装有800nm45度激光全反镜5的金属筒6之内，垂直向下反射，通过聚焦系统7聚焦到待加工样品8上，对应的在焦平面上形成多个焦点。焦平面激光分布情况取决于微透镜阵列各个小透镜的分布，尺寸取决于微透镜阵列中单个透镜的尺寸和聚焦系统7的光学放大倍数。待加工样品8安装在空心样品台9上，空心样品台9主要是防止飞秒激光穿透待加工样品8后在加工平台上产生溅射，污染待加工样品8。空心样品台9安装在计算机12控制的三维移动平台10上，电控箱11为三维移动平台10提供电源和驱动。摄像机3采用CCD摄像机，安装在金属筒6的顶部，用以监视待加工样品8的加工情况和定位。照明光源1通过匀化器2衰减到合适的强度，经过照明光源半透半反镜4后照明待加工样品8。照明光源1的作用主要是为摄像机3提供照明。
用单脉冲能量600μJ，脉冲重复频率1000Hz，脉冲宽度为120fs，波长为800nm的钛宝石超短脉冲飞秒激光在钛合金、镍基合金、航空陶瓷、复合铝基合金打孔和切割的具体加工方法如下图2是镍基单晶高温合金材料，这种材料一般用于航空发动机热端部件，如涡轮叶片等，而且一般都同时使用热障涂层技术；现代航空发动机包括了高达100 000个的冷却孔，冷却孔的加工耗费了巨大的人力和物力。激光脉冲照射到(800nm全反、可见光增透的)45°激光全反镜5上，激光脉冲经聚焦系统7(焦距100mm左右，或者用F-θ扫描透镜)，使得激光脉冲聚焦到待加工样品8表面。待加工样品8被固定在三维移动平台10。计算机12控制的三维移动平台10在X、Y、Z方向上以一定速度的运动，划圆或者走直线，从而实现打孔或切割。照明光源1为普通可见光源(白色LED、卤素灯、或可见光的LED)从下向上垂直照射到待加工样品8上，经过待加工样品8表面反射的光成像到镜头后(镜筒长度为160mm)的(无缺陷的)CCD摄像机上。CCD摄像机将图像传输到监视器或计算机12中。在监视器或计算机12中可以实时地监视加工情况。超短脉冲激光并行加工技术提高了加工效率，同时无溅落物、重铸层、微裂纹等加工缺陷。
本发明的工作原理用超短脉冲激光加工高温合金的原理是利用超短脉冲激光极短的电磁辐射时间，使材料的电子温度在很短的时间内上升很高，直接发射库仑爆炸或微爆；而电子获得的能量来不及传输给材料格子，因此格子的温度很低，几乎维持在室温，不能发射热熔之类的热效应消融。结果是材料的加工，包括打空、切割不会产生热效应，加工的材料没有冶金缺陷，也没有微裂纹。
权利要求
1.一种超短脉冲激光并行微加工方法，其包括以下步骤1]准备待加工样品将待加工样品(8)安装在加工平台上；2]产生超短脉冲激光束由超短脉冲激光系统(14)输出一束超短脉冲激光；3]生成多束发散的激光该束超短脉冲激光经过微透镜阵列(13)变为多束发散的超短脉冲激光；4]生成多个激光焦点该多束发散的超短脉冲激光通过聚焦系统(7)聚焦到待加工样品(8)对应的在焦平面，形成多个焦点进行加工。
2.根据权利要求1或2所述的超短脉冲激光并行微加工方法，其特征在于所述生成多个激光焦点的步骤具体为将多束超短脉冲激光通过45度激光全反镜(5)进行反射，再通过聚焦系统(7)聚焦到待加工样品(8)对应的在焦平面，行成多个焦点进行加工。
3.根据权利要求1或2所述的超短脉冲激光并行微加工方法，其特征在于所述超短脉冲激光并行微加工方法还包括监视待加工样品的加工和定位的步骤将照明光源(1)照射到待加工样品(8)上，摄像机(3)将聚焦系统(7)上的加工图像和定位情况传输到监视器上。
4.根据权利要求3所述的超短脉冲激光并行微加工方法，其特征在于所述超短脉冲激光并行微加工方法还包括生成多个激光焦点的同时控制加工平台移动的步骤。
5.一种超短脉冲激光并行微加工设备，包括可产生超短脉冲激光束的超短脉冲激光系统(14)、可固定待加工样品(8)的加工平台和监视系统，其特征在于其还包括依次设置在激光束发射方向上的微透镜阵列(13)和聚焦系统(7)，所述聚焦系统(7)的焦点在加工平台上的待加工样品(8)上。
6.根据权利要求5所述的一种超短脉冲激光并行微加工设备，其特征在于其还包括设置在激光束发射方向上的45度激光全反镜(5)，所述聚焦系统(7)设置在45度激光全反镜(5)的反射方向上。
7.根据权利要求6所述的一种超短脉冲激光并行微加工设备，其特征在于所述监视系统包括摄像机(3)、监视器、与超短脉冲激光系统(14)平行设置的照明光源(1)、设置在45度激光全反镜(5)正上方的照明光源半透半反镜(4)。
8.根据权利要求7所述的一种超短脉冲激光并行微加工设备，其特征在于其还包括金属筒(6)，所述照明光源半透半反镜(4)设置在金属筒(6)内部上方，所述45度激光全反镜(5)设置在金属筒(6)内部下方，所述金属筒(6)的外侧面上相应设置有可分别透过激光束和照明光源的圆孔，所述超短脉冲激光系统(14)和照明光源(1)平行设置在金属筒(6)的外侧，所述加工平台设置在金属筒(6)的下端部，所述摄像机(3)设置在金属筒(6)的上端部。
9.根据权利要求5或6或7或8所述的一种超短脉冲激光并行微加工设备，其特征在于所述加工平台包括空心样品台(9)、三维移动平台(10)、计算机(12)和电控箱(11)，所述待加工样品(8)安装在空心样品台(9)上，所述空心样品台(9)安装在三维移动平台(10)上。
10.根据权利要求9所述的一种超短脉冲激光并行微加工设备，其特征在于所述超短脉冲激光系统(14)为飞秒激光系统，所述45度激光全反镜(5)为800nm45度激光全反镜；所述聚焦系统(7)为F-θ扫描透镜或显微物镜；所述照明光源(1)为普通可见光源，包括白色LED、卤素灯、或可见光的LED。
全文摘要
本发明涉及一种超短脉冲激光并行微加工的方法及设备，将超短脉冲激光经过微透镜阵列后变为多束发散的超短脉冲激光，然后将该多束发散的超短脉冲激光通过聚焦系统聚焦到待加工样品对应的在焦平面，形成多个焦点进行并行微加工。本发明解决了背景技术中传统激光加工带来重铸层和微裂纹等加工缺陷以及超短脉冲激光加工效率非常低的技术问题，从而具有加工效率高、加工精度高、可实时监视加工样品的加工情况和定位、加工能量损失小、加工可一次性完成的优点。
文档编号B23K26/06GK101028671SQ20071001765
公开日2007年9月5日 申请日期2007年4月9日 优先权日2007年4月9日
发明者程光华, 陈国夫, 赵卫, 王屹山, 温泉, 许正芳 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所