[實用新型]飛秒激光對材料表面改性的微精細加工裝置

無效

• 申請號: 200920031767.5
• 申請日: 2009-01-20
• 公開（公告）號: CN201333592Y
• 公開（公告）日: 2009-10-28
• 發明（設計）人: 陳平安;陳在維;牛建設;任悅
• 申請（專利權）人: 陜西午禾科技有限責任公司
• 主分類號: B23K26/00
• 分類號: B23K26/00
• 代理公司: 西安文盛專利代理有限公司
• 代理人: 李中群

技術領域

本實用新型屬于光學精細加工系統技術領域，涉及一種飛秒激光對材料表面改性的微精細加工裝置。

背景技術

對激光表面處理技術的研究始于20世紀60年代，但直到20世紀70年代初研制出大功率激光器之后，此項技術才獲得了實際的應用，并在隨后幾十年里得到迅速的發展。激光表面處理技術是一種將現代物理學、化學、計算機、材料科學以及先進制造技術等多學科知識綜合起來的高新技術，它通過采用激光加工的方式在材料表面形成具有一定厚度的處理層，可以改善材料表面的力學性能、冶金性能和物理性能，從而提高零件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等一系列性能，它也能使低等級材料實現高性能表層改性，達到零件低成本與工作表面高性能的最佳組合。

激光表面改性技術是激光加工領域中的重要組成部分，它的特點是利用高能量密度激光照射工件時產生的熱量對工件表面快速的加熱，將光能轉變為熱能，進而對材料表面進行獨特的加工處理。該工藝的優點是能夠有選擇地處理材料局部表面，并可以在不改變材料整體性能的情況下在局部表面得到所需要的性能。

目前應用于激光材料表面改性技術方法通常有Nd:YAG激光加工、CO₂激光加工和準分子激光加工技術三種，內容分述如下。

一、Nd:YAG激光加工：Nd:YAG激光是釹:釔鋁石榴石的縮寫，它是一種固態激光。Nd:YAG激光屬四能級系統，量子效率高，受激輻射面積大。在激光加工行業中，由于Nd:YAG晶體具有優良的熱學性能，因此非常適合制成連續和重頻器件，它是目前在室溫下能夠連續工作的唯一固體工作物質。盡管以YAG晶體為基質的YAG激光器從問世迄今，其技術和工藝都比較成熟并得到廣泛應用，但這種加工技術尚存在下述的缺點：(1).激光與材料作用的過程中，熱擴散使加工區域周圍材料不斷吸收能量，作用于材料去除的能量減少，從而降低了加工效率；(2).熱擴散降低了聚焦點的溫度，以致焦點的溫度無法遠遠超過材料的熔點，只能通過能量不斷地沉積，以沸騰、汽化方式完成材料的去除；(3).由于在激光加工過程中，熱量向焦點周圍擴散，加工區域比焦點尺寸大，從而在加工邊際產生熔融等現象，這樣就無法得到尺寸嚴格、精度高的工件，降低了微細加工的精度；(4).激光加工過程中擴散的熱量通過熱影響區傳播，產生機械應力，導致機械裂紋產生，對加工區域周圍材料造成不利影響。隨著相關技術的進步，為了提高YAG激光器的效率、輸出功率和光束質量，擴展其頻譜范圍，人們在激光材料、結構和泵浦源以及泵浦方式等技術和工藝方面仍在積極地開展研究和改進工作。

二、CO₂激光加工：CO₂激光加工技術是通過用聚焦鏡將CO₂激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動的集光、機、電為一體的綜合技術。從20世紀70年代以來隨著CO₂激光器及數控技術的不斷完善和發展，目前CO₂激光加工技術已成為業內普遍采用的一種材料表面改性加工方法。但該方法仍存在有前述Nd:YAG激光加工技術存在的缺陷。此外，該方法實施中，激光束的參數、機器與數控系統的性能和精度都直接影響材料表面改性的效率和質量，由于CO₂激光加工幅面受場鏡大小限制，材料表面易出現小角度偏差。

三、準分子激光加工：準分子激光加工技術使用的工作物質是受激準分子，激光躍遷發生在形成分子的激發態和不能形成分子的基態之間。由于上能態的壽命很短，激光器以脈沖方式工作；又由于下能態是排斥態，激光器的增益高，可獲得高功率輸出，而且是寬帶躍遷，能獲得可調諧的激光輻射。準分子激光最重要的特征是具有紫外和遠紫外波段范圍的高功率激光，其加工技術在醫學、光刻以及其它領域的某些應用中特別有用。從實際使用效果看，采用準分子激光器在對加工出相同形狀的孔和重復性方面的工作是不錯的，但整體的效率并不高，只有大約1％的脈沖能量作用于加工表面，而其它約99％的光能量損失于模板，故其輸出功率較小，加工效率低。此外，準分子激光束的橫截面是大的矩形，空間質量較差，這嚴重地限制了光束的聚焦性，使得在微處理過程中一定要使用掩模板，而且準分子激光器都要使用有毒氣體，而特殊氣體的更換，存儲和調整過程非常麻煩。

實用新型內容