[發(fā)明專利]一種射流約束飛秒激光超精密加工系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910316944.2
• 申請(qǐng)日: 2019-04-19
• 公開（公告）號(hào): CN109866028B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚鵬;王慶偉;黃傳真;朱洪濤;劉含蓮;鄒斌;何婉盈
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): B23P23/00
• 分類號(hào): B23P23/00;B23K26/00
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

本發(fā)明公開了一種射流約束飛秒激光超精密加工系統(tǒng)及方法，包括B軸工作臺(tái)、液槽、激光射流耦合裝置、平面鏡、平凸透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、支架、C軸卡盤，工作時(shí)，在超精密數(shù)控機(jī)床的控制下，B軸工作臺(tái)和C軸卡盤可實(shí)現(xiàn)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)及沿軸移動(dòng)，飛秒激光經(jīng)聚焦后與射流發(fā)生耦合作用并到達(dá)工件表面，同時(shí)化學(xué)溶液與工件已加工表面發(fā)生微腐蝕作用并去除表面變質(zhì)層等缺陷，隨后在水射流的作用下將加工及化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生的碎屑等雜質(zhì)清除，提高加工表面質(zhì)量，結(jié)合C軸卡盤及B軸工作臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)，從而完成表面為平面、自由曲面等任意形狀工件的三維結(jié)構(gòu)化微細(xì)加工，拓展飛秒激光加工工件表面的種類，實(shí)現(xiàn)寬范圍、高效、高質(zhì)量加工的目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種射流約束飛秒激光超精密加工系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

這里的陳述僅提供與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)，而不必然地構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。

近年來，飛秒激光憑借短脈寬、高分辨率和低熱輸入等特點(diǎn)在生物醫(yī)療、光電信息、機(jī)械制造和3D打印等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。飛秒激光加工尺寸小、熱效應(yīng)小，加工對(duì)象范圍廣，工藝簡單且綠色環(huán)保，可用于加工一些難加工的半導(dǎo)體材料及硬脆光學(xué)晶體，相對(duì)于一些傳統(tǒng)加工方法，其分辨率高，熱影響區(qū)小，可無掩膜加工，可實(shí)現(xiàn)材料三維高效、高質(zhì)量的微細(xì)加工。但是空氣環(huán)境下飛秒激光與固體材料相互作用會(huì)在材料表面產(chǎn)生燒蝕碎屑及不規(guī)則微納周期條紋結(jié)構(gòu)，使得燒蝕區(qū)及部分未燒蝕區(qū)難以獲得高表面質(zhì)量及面形精度。

目前，通過對(duì)飛秒激光加工后的工件表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕以提高表面質(zhì)量的方法得到了應(yīng)用，但是腐蝕時(shí)間較長，腐蝕效率較低。而且，目前飛秒激光微細(xì)加工以工件表面為平面為主，且表面加工的結(jié)構(gòu)多為孔、線槽等簡單三維結(jié)構(gòu)，難以在材料表面實(shí)現(xiàn)柱面、非球面或自由曲面等復(fù)雜曲面三維結(jié)構(gòu)加工。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為解決飛秒激光加工精度相對(duì)不高、難以完成具有復(fù)雜表面形貌工件的超精密加工問題，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)制造成本低的射流約束飛秒激光加工系統(tǒng)以及一種能夠?qū)崿F(xiàn)平面、自由曲面、微細(xì)結(jié)構(gòu)、曲面陣列等多種工件表面形狀與結(jié)構(gòu)加工的方法。

本發(fā)明的第一發(fā)明目的是提供一種射流約束飛秒激光超精密加工系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種射流約束飛秒激光超精密加工系統(tǒng)，包括B軸工作臺(tái)、液槽、激光射流耦合裝置、平面鏡、平凸透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、支架和C軸卡盤；

所述的B軸工作臺(tái)能繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)以及沿Z軸移動(dòng)，所述的液槽用于放置工件，其固定在B軸工作臺(tái)上，所述的激光射流耦合裝置位于液槽上方并固定在支架上，所述的平面鏡、平凸透鏡位于激光射流耦合裝置內(nèi)部，其中平凸透鏡可聚焦激光光線，平面鏡可傳輸光線并將射流與平凸透鏡隔開；所述的激光射流耦合裝置的側(cè)壁上開設(shè)有供液體流入的第一孔,且第一孔在高度方向上的位置低于平凸透鏡；

所述的第二反射鏡與外部夾持裝置連接固定，所述的第一反射鏡可反射激光光線并固定在支架上，所述的支架固定在C軸卡盤上，所述的C軸卡盤與機(jī)床連接并可以繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)以及沿X軸、Y軸移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)加工系統(tǒng)的五軸聯(lián)動(dòng)。

本發(fā)明的第二發(fā)明目的是提供一種利用上述系統(tǒng)進(jìn)行射流約束飛秒激光超精密加工方法，具體如下：

將激光射流耦合裝置固定在支架上、液槽固定在B軸工作臺(tái)上、支架固定在C軸卡盤上，C軸卡盤、B軸工作臺(tái)與超精密數(shù)控機(jī)床連接并實(shí)現(xiàn)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)及沿軸移動(dòng)，飛秒激光經(jīng)平凸透鏡聚焦后與從外部射流進(jìn)來的化學(xué)反應(yīng)液發(fā)生耦合作用并到達(dá)待加工工件表面，同時(shí)溶液與飛秒激光加工后的工件表面發(fā)生進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)微腐蝕并去除表面變質(zhì)層等缺陷的目的，并在水射流的作用下將飛秒激光加工及溶液化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的雜質(zhì)清除以及帶走加工過程中產(chǎn)生的部分熱量，隨后結(jié)合C軸卡盤及B軸工作臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平面、自由曲面、曲面陣列結(jié)構(gòu)等多種工件表面形狀與結(jié)構(gòu)的射流約束飛秒激光超精密加工。