[發明專利]飛秒光絲背向沖擊波用于表面超精細加工裝置及方法

在審

• 申請號: 201910236892.8
• 申請日: 2019-03-27
• 公開（公告）號: CN109894747A
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 袁帥;聶源;徐暉;杜迎生;曾和平
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: B23K26/352
• 分類號: B23K26/352
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 王晶

本發明涉及一種飛秒光絲背向沖擊波用于表面超精細加工裝置及方法，該裝置包括激光光源裝置，掃描控制部，光束聚焦部，材料加工部，方案控制部，掃描控制部輸入端與激光光源裝置的輸出端相連接，并接收方案控制部的反饋信號進行實時的監控與調節；方案控制部通過計算機分別與激光光源裝置的驅動電路、掃描控制部的空間反射光學元件組合、光束聚焦部的一維電動位移平臺連接。本方法可以加工損傷閾值較高的透明材料，通過對激光參數、焦斑半徑以及掃描路徑的精密控制，可以對材料進行各種表面微結構的處理與加工，在不需要其他精密器件的前提下，可獲得幾微米的加工精度。同時可以減少對激光功率的要求，節省了激光器的購置與使用成本。

技術領域

本發明涉及一種激光加工裝置，尤其是一種用于表面超精細加工裝置及方法。

背景技術

激光加工是最廣泛和常用的一種利用激光與物質相互作用的效應進行加工的一類應用。激光可以達到很高的瞬時功率密度，通過聚聚焦將激光能量集中在微米級尺寸內，便實現多種材料的切割、沉積、蝕刻等等。近年來，在液體當中用激光加工的方法對材料表面微結構進行處理已經成為了一種新興的方法。聚焦后的激光在液體中與物質作用，可以將與其作用的物質電離，產生蒸汽和等離子體，因此液體當中形成微小氣泡、沖擊波以及光絲等現象，微小氣泡當中聚集了高溫高壓的蒸汽環境，從而實現對材料表面結構的修飾和處理。

然而，在液體當中雖然有能形成局部高溫高壓環境的優勢，但是也存在其他弊端。由于激光束要先從液體當中傳輸一段距離，才能到達與液體接觸的材料表面，液體會對激光的傳輸造成很大影響，即使是純水溶液，也會造成激光功率的衰減，若采用非線性介質溶液，則由于溶液的非線性吸收將造成激光的進一步衰減，影響表面加工效率與加工精度。更嚴重的是激光在材料表面附近液體中聚焦，將在微米尺度內產生上千度的熱區，該熱區內的水將迅速汽化，產生微米量級的氣泡。這些氣泡對激光光束的散射，導致激光到達材料表面的能量只有原有的10％，該問題也是目前溶液中加工最難解決的問題。微米氣泡的產生大大影響加工的質量和精度，增加了產品的次品率和廢品率。因此，材料加工領域急需一種能夠提高加工效率和加工精度，且大幅降低激光傳輸過程的能量衰減的加工手段。這也是當前世界范圍激光加工領域的熱點與難點。

發明內容

本發明提出一種飛秒光絲背向沖擊波用于表面超精細加工裝置及方法，該裝置及方法使激光透過材料，隨后高峰值功率的激光脈沖前沿通過多光子效應將溶液分子電離，而電離后的電子受到脈沖的后沿加速，在溶液當中形成等離子通道。由光絲形成的芯徑50微米左右的等離子通道中，溫度達上千度>3000K。因此光絲與周圍溶液存在一個較大的溫度梯度，導致光絲附近的溶液受熱膨脹，對周圍的晶格形成沖擊，最終形成光絲沖擊波，利用該超聲波可以實現材料表面的微結構加工。相比原有方法可以顯著減少激光在溶液當中傳輸時造成的功率衰減與散射、折射等問題，達到更高的加工精度和更好的加工效果。本方法可以加工損傷閾值較高的透明材料，通過對激光參數、焦斑半徑以及掃描路徑的精密控制，可以對材料進行各種表面微結構的處理與加工，在不需要其他精密器件的前提下，可獲得幾微米的加工精度。同時可以減少對激光功率的要求，節省了激光器的購置與使用成本。

本發明的技術方案是這樣實現的：一種飛秒光絲背向沖擊波用于表面超精細加工裝置，用于在高損傷閾值透明材料表面實現微納結構加工，包括：激光光源裝置、掃描控制部、光束聚焦部、材料加工部、方案控制部，所述的掃描控制部輸入端與激光光源裝置的輸出端相連接，并接收方案控制部的反饋信號進行實時的監控與調節；所述的光束聚焦部輸入端與掃描振鏡部的輸出端相連接；所述的材料加工部連接掃描振鏡部的輸出端；

所述激光光源裝置：包含用于產生激光光束的激光裝置；由驅動電路、激光器組成；激光器的電源輸入端連接驅動電路，輸出端作為激光光源裝置的輸出端；輸出的激光功率由驅動電路輸入激光器的電流控制；