一种基于微球阵列的高效激光表面强化方法及应用装置

本发明涉及材料表面处理，具体涉及一种基于微球阵列的高效激光表面强化方法及应用装置

背景技术：

1、材料表面的强化是现代材料科学中的一项关键技术，它能够显著提升材料的耐磨性、耐腐蚀性以及疲劳寿命等。传统的表面强化方法包括化学处理、热处理、覆膜等，但这些方法往往存在相应的弊端，如化学处理存在着环境污染，反应周期长的问题；热处理存在效率低，成本高的问题；覆膜存在耐久性不稳定，材料局限性的问题。这些弊端限制了传统方法在提高材料性能方面的应用。随着激光技术的发展，利用激光进行材料表面微结构加工，成为了一种高效、清洁的表面处理新方法。

2、在传统的激光强化技术中，如激光熔覆、激光合金化、激光淬火以及激光冲击强化等方式普遍采用单线加工模式，通过调节激光束的聚焦程度来调整材料表面的聚焦光斑尺寸，实现对材料表面进行局部加热，并逐行扫描完成大面积的材料处理。尽管这些技术在工业应用中极为成功，但对于大面积、高精度和复杂形状的表面处理，这些方法在加工效率和精度上受到限制，往往难以满足对时间和成本更为严格的工业需求。

3、近年来，随着技术的发展，微球辅助的激光加工技术为激光处理领域带来了新的可能性。这种技术通过在激光路径上部署一层微小的透镜阵列，微球阵列相当于数以千计的微透镜，能够将传入的激光束聚焦到一个个的微小焦点上。与传统单线模式相比，这种面型加工方式使得激光束能在材料表面上同时生成多个加工点，大幅度提高了加工速率和效率。此外，通过调整微球的直径与各微球间的距离实现对成形表面形貌尺寸灵活的调节，同时还可以辅助溶液冷却，有利于减小加工过程中产生的热影响区域和热积聚效应，在保留材料的本征属性上，进一步提高了材料的性能。

4、微球辅助的引入并结合激光扩束和整形技术，可以实现对材料表面大面积或特定区域的定制化、微结构化与功能化。这种方式不仅显著提升了物体表面的机械特性和耐腐蚀性能，还可用于实现复杂的表面图案化。因此，微球辅助激光加工技术是突破传统激光加工单线加工局限性的重要技术进步，它为材料表面工程及功能集成提供了一种高效且经济的新途径。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种基于微球阵列的高效激光表面强化方法，该方法利用扩束整形后的激光束通过微球的聚焦效应在材料上形成微结构，不仅提高了加工效率，还实现了低成本与高精度的表面处理。

2、为了实现上述目的,本申请采用了以下技术方案：

3、本申请公开了一种基于微球阵列的高效激光表面强化方法，包括以下步骤，

4、a.设定激光束输出参数，包括功率、波长、脉冲宽度等，以适应特定的材料和加工要求；

5、b.通过光束扩束整形模块对激光束进行放大和整形，得到满足大范围加工与能量分布均匀的激光束；

6、c.使用微球阵列将整形扩束后的激光束进一步聚焦到材料表面的特定区域，形成微结构；

7、d.控制系统调整微球阵列和工作台的相对位置，以按照预定模式在材料表面形成多个微结构，从而实现加工特征的精确复制；

8、e.根据需要重复步骤(c)和(d)，直至在材料表面形成完整的微结构加工图案。

9、优选的，步骤b中所提及的扩束整形模块由两部分先后作用组成，其中扩束部分是一组扩束准直透镜组，包含扩束透镜与准直透镜，扩束准直透镜组主要用于将激光束进行扩束和准直处理，使激光束既能满足后续光束横向尺寸的要求，也能保证激光束的平行度和稳定性。

10、优选的，步骤b中整形部分是一组光束整形透镜组，包括非球面透镜组、微透镜组或衍射元件等光束整形器件。光束整形透镜组主要用于将扩束准直后的高斯光束整形成大面积平顶光束，使光束大面积能量分布均匀，满足后续大面积强化加工，材料表面微结构一致性的要求。

11、优选的，微球阵列是由可封闭的腔体中自组装一层透明、致密的二氧化硅质地的微球并以具有黏性的聚二甲基硅氧烷(pdms)或冷却水等溶液进行充分填充而成。需要说明的是微球阵列中微球粒径为几十-几百微米，材料表面形成的微结构间距和大小取决于微粒粒径，可以理解为，根据不同的需求，可以采用不同粒径的微球进行自组装，从而获得适用不同加工面积和精细效果微球阵列。另外需要说明的是所采用的粘合剂或水溶液具有良好的透光性、化学稳定性以及较小的表面张力。

12、由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于：

13、本申请提供了一种利用微球作为微透镜的聚焦技术，这是一种低成本且操作简单的光束聚焦方法，它能有效突破传统激光加工技术在形成微米至纳米级精细结构方面的局限。通过应用自组装或自排列的微球阵列，本技术能够将经过扩束的激光集中到极小的焦点上，实现高度精确的局域加工。由于微球阵列的制备工艺简单，并且能够灵活调节光斑大小和形状，这种方法可用于大面积材料表面微结构化，大幅降低了光学系统的复杂性和生产成本。

14、此外，本技术不仅适用于微米尺度加工，还可以通过挑选合适的微球尺寸和激光波长以拓展至纳米级别的加工。比如，采用较小的微球配合紫外激光，能够实现更细致的加工效果。这种基于微球的聚焦技术，作为昂贵的纳米刻蚀设备的有效替代，为大规模生产和低成本型应用提供了一种经济高效的解决方案。

技术特征：

1.一种基于微球阵列的高效激光表面强化应用装置，其特征在于：依次包括激光器、扩束准直模块、光束整形模块、微球阵列，激光器发出的激光束经过扩束准直镜组得到满足加工条件的的大光束直径，入射光束整形镜组，对扩束光束中的激光能量进行调整后将激光能量从高斯分布整形为能量均匀平顶分布，加工平台通过移动工件，使整形后得到的平顶激光束以扫描的形式经过微球阵列，将均匀化化的激光能量聚焦到待处理的工件的表面，实现对大面积或特定区域的高效且精细化的表面处理。

2.根据权利1所述的一种基于微球阵列的高效激光表面强化应用装置，其特征在于：主要步骤包括：

3.根据权利1所述一种基于微球阵列的高效激光表面强化应用装置中激光器采用脉宽较小的短脉冲激光器纳秒/如皮秒激光器)，波长1064nm/532nm，脉冲宽度15ps-50ns，脉冲频率1-200khz可调，因其具有脉宽超短、峰值功率高和平均功率低等优点，可以实现对材料进行精细加工，同时减少对周围材料的热影响。

4.根据权利1所述一种基于微球阵列的高效激光表面强化应用装置中扩束准直模块其特征在于：将激光器发出的激光束进行一定的扩束准直，对激光束的空间发散角进行压缩，以满足后续模块大直径入射光束的要求。

5.根据权利1所述一种基于微球阵列的高效激光表面强化应用装置中光束整形模块其特征在于：将扩束准直后呈高斯分布模式的激光束整形成能量均匀分布、大直径的平顶光束。

6.根据权利要求1所述一种基于微球阵列的高效激光表面强化应用装置其特征在于：采用的微球材质是二氧化硅，可根据具体实现的表面精细程度和具体的加工材料改变微球的直径和微球之间的间距，微球的直径范围控制在几十-几百微米，选择合适的微球直径可以增强激光辐照下产生的场强效应和微球的透镜效应，减小产生的热影响区域和热积聚效应，促进整体的加工效果。将选定的微球自组装成对应的微球阵列，并以具有黏性的聚二甲基硅氧烷(pdms)或水溶液作为载体，大面积或按照特定区域覆盖在材料表面，实现对扩束整形后的激光束有效的接收并聚焦到材料表面，完成对材料表面高效且精细的加工。

技术总结
本发明提供了一种基于微球阵列的高效激光表面强化方法及应用装置，包括依次设置的激光器1，扩束镜组2，反射镜3，整形镜组4，微球阵列5，待处理工件6，夹具与垫片7，工件加工平台8。本发明的核心在于激光束在扩束和整形的联合作用下，达到预定的大面积光斑形状和能量均匀分布。光束再通过在待处理表面上的微球阵列，将光束聚焦到材料表面形成一系列的微结构，实现对材料表面的非接触式加工。与现有技术相比，本发明的方法通过微球的聚焦作用，允许更低功率的激光应用于处理过程，同时通过扩束整形激光的应用，使得激光能量在材料表面的分布更为均匀，从而保证了在大面积处理或对特定区域的加工所获得的效果具有一致性，高效且精细地完成对材料表面的微结构处理，提升材料的整体性能。

技术研发人员：龙芋宏,何欣平,黄平,张光辉,殷浩然,刘红森
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/26