CN105945435B - 一种环形微孔的激光加工装置及方法 - Google Patents

一种环形微孔的激光加工装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种环形微孔的激光加工装置，包括脉冲激光器、偏振控制***、扫描振镜、光圈、聚焦透镜、约束层、单层纳米颗粒、三维移动平台和电脑控制***；脉冲激光器、偏振控制***和扫描振镜沿同一光轴中心依次排布；扫描振镜正下方设有光圈和聚焦透镜；聚焦透镜正下方设有三维移动平台；脉冲激光器、聚焦透镜和三维移动平台均和电脑控制***电连接；通过预处理工件表面，沉积单层纳米颗粒于工件表面，确定能量增强倍数、脉冲激光器输出能量对加工工件表面进行加工，实现环形微孔的制作。本发明实现了环形微孔的激光加工，具有精度高、尺寸可控、加工效率高、设备简单等特点。

Description

一种环形微孔的激光加工装置及方法
技术领域
本发明属于激光加工领域，尤其是一种环形微孔的激光加工装置及方法。
背景技术
工业技术的进步，使得激光加工技术得到了快速发展，其中激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术。由于激光打孔具有速度快，效率高，经济效益好等优点，已经成为激光加工的主要应用领域之一。
激光打孔技术是利用高功率密度的激光束照射靶材，使靶材表面的温度快速升至汽化温度，蒸发形成孔洞，一束激光单次作用只能形成一个孔洞。而当将激光打孔技术应用在微纳加工领域中时，就面临很多问题。主要有：①不能大面积制作微孔，在微纳加工尺度进行微孔制作时，效率大大降低；②激光微孔尺寸受到激光束光斑直径的限制，而通过调整加工激光的光斑直径来加工各种微纳尺度孔径的方式实现难度很大，微孔尺寸并未达到可控的要求；③微孔形状单一，均为圆形，无法加工奇异孔，如环形微孔。
为克服激光微孔制作中不能大面积制作微孔的技术缺陷，专利号：CN201310007951公开了一种通过光学器件对激光束进行分束整形的装置，实现了一束激光多孔成型的技术效果，能够加工多种组合的微孔阵列。但是该装置有多个光学***构成，搭建成本高，操作难度大。而微孔尺寸不可控和形状单一等问题并未得到有效解决。当人们将研究目光聚焦到微纳加工领域时，对激光打孔工艺的要求也越来越高，尤其是在激光微纳加工领域，迫切需求一种激光打孔技术，能够解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中激光微孔技术存在加工效率低、微孔尺寸不可控、形状单一等不足，本发明提供了一种环形微孔的激光加工装置及方法，利用贵金属纳米颗粒使激光能量在被加工工件表面形成环形能量增强区域，实现了环形微孔的激光加工，具有高精度、尺寸可控、加工效率高、设备简单等特点。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种环形微孔的激光加工装置，包括脉冲激光器、偏振控制***、扫描振镜、光圈、聚焦透镜、约束层、单层纳米颗粒、三维移动平台和电脑控制***；所述脉冲激光器、偏振控制***和扫描振镜沿同一光轴中心依次排布；所述扫描振镜正下方设有光圈；所述光圈正下方设有聚焦透镜；所述聚焦透镜正下方设有三维移动平台；所述三维移动平台上表面放置工件；所述工件上表面覆盖单层纳米颗粒；所述单层纳米颗粒上表面覆盖约束层；所述脉冲激光器、聚焦透镜和三维移动平台均和电脑控制***电连接。优选的，所述单层纳米颗粒为贵金属纳米颗粒。
优选的，所述贵金属纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒中的一种。
优选的，所述单层纳米颗粒的直径为a，所述脉冲激光器的波长为λ，则其满足关系式：λ/10<a<λ。
优选的，所述约束层为透明材料；所述偏振控制***由线偏振器和1/4玻片组成；所述光圈为低通圆孔滤波器。
一种环形微孔的激光加工方法，包括如下步骤：
S1：搭建好环形微孔的激光加工装置：调整脉冲激光器、偏振控制***和扫描振镜处于同一光轴中心；调整光圈、聚焦透镜、三维移动平台至扫描振镜的焦点处；将脉冲激光器、聚焦透镜、三维移动平台和电脑控制***电连接；
S2：预处理工件表面：将单层纳米颗粒配置成纳米颗粒悬浮液，并将纳米颗粒悬浮液沉积在工件表面，得到表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件；
S3：确定能量增强倍数A：根据工件、脉冲激光器和单层纳米颗粒的特征参数，求解工件表面的归一化激光能量分布，绘制出能量增强特征曲线；根据环形微孔的加工内径d或加工外径D确定出能量增强倍数A；
S4：确定激光输出能量参数：根据步骤S3确定的能量增强倍数A，打开电脑控制***，设置脉冲激光器的输出能量密度J，J＝J0/A，其中J0为工件损伤能量密度阈值；
S5：调整光束偏振态和工件位置：调整偏振控制***，使得出射的激光束为圆偏振光；将步骤S2中所述表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件放置于三维移动平台上；在单层纳米颗粒上表面覆盖一层约束层；
S6：加工工件：电脑控制***输出激光，对工件表面进行加工，实现环形微孔的制作。
优选的，步骤S2中所述预处理工件表面过程如下：对工件表面打磨抛光、超声波清洗，并在工件表面涂抹包含亲水基团的溶剂；所述得到表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件过程如下：将单层纳米颗粒配置成5％固含量的纳米颗粒悬浮液，将纳米颗粒悬浮液置于超声波清洗机中超声10-15min；使用微量移液器，每次取出500μL，小心滴在已经进行预处理的工件表面；将滴有纳米颗粒溶液的工件放置在通风无尘厨中倾斜9°静置12h，至溶剂完全蒸发，得到表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件。
优选的，步骤S3中所述确定能量增强倍数A过程如下：归一化入射脉冲激光能量密度为1，设定纳米颗粒和加工工件表面的接触点为横坐标的坐标原点o，横轴为工件表面的位置点，纵坐标为能量增强倍数，进而构建坐标系；能量增强倍数的峰值Amax对应的横轴位置点分别为+h和-h，在坐标系中对应的坐标为(±h，Amax)；在能量增强倍数由接触点o上升至峰值Amax区间段，设激光能量密度为1处的位置点分别为+p和-p，在坐标系中对应的坐标为(±p，1)；在能量增强倍数A由峰值Amax下降至0区间段，设激光能量密度为1处的位置点分别为+q和-q，在坐标系中对应的坐标为(±q，1)。其中p、h、q的值满足：0<p<h<q；
当要求加工工件的内径为d时，要求op<d/2<oh,根据d尺寸确定+d或-d位置点对应的能量增强倍数Ad；当要求加工工件的外径为D时，要求oh≤D/2<oq，根据D尺寸确定+D或-D位置点对应的能量增强倍数AD。
优选的，步骤S4中所述工件的材料为金属材料或者半导体材料。
优选的，所述工件的材料为钢、铜、钛合金、单晶硅、多晶硅中的任意一种。
本发明的有益效果：
(1)本发明所述的一种环形微孔的激光加工装置及方法，利用将贵金属纳米颗粒涂覆在预处理的工件表面，形成单层纳米颗粒，以增强激光辐射能量，并将激光能量约束在纳米颗粒底部，在被加工工件表面形成环形能量增强区域，通过合理选择加工参数，制作出环形微孔阵列。
(2)精度高。环形微孔加工尺度为微纳米量级，在近场光学领域使用贵金属纳米颗粒，形成局域场增强效应，能够突破激光束的衍射极限；微孔尺寸可控。由于微孔尺寸取决于纳米颗粒和激光能量的选取，根据能量增强曲线可以预测环形微孔的特征尺寸，实现可控的技术效果。
(3)热效应低，能量利用率高。能够极大增强入射激光的能量，使得加工过程中可以使用较低的能量获得微纳米级的微孔，具有很高的精度；加工效率高。在工件表面亲水处理后，纳米颗粒可以大面积沉积在工件表面，从而该方法能够大面积制作微纳米级的微孔。
(4)装置简单，容易操作。本发明提出的激光打孔装置没有复杂的光学***器件，加工过程中没有多余的调控步骤，简单易操作。
附图说明
图1为所述环形微孔的激光加工装置的结构示意图。
图2为实施例1激光能量截面分布图，白色虚线部分为直径200nm的金纳米颗粒。
图3为实施例1加工工件表面的能量分布图。
图4为图3加工工件表面白色虚线部分的能量增强曲线。
图5为实施例1和2钛合金表面的能量增强曲线图及对应的取值点。
附图标记如下：1-脉冲激光器，2-偏振控制***，3-脉冲激光，4-扫描振镜，5-光圈，6-聚焦透镜、7-约束层，8-单层纳米颗粒，9-工件，10-三维移动平台，11-电脑控制***。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种环形微孔的激光加工装置，包括脉冲激光器1、偏振控制***2、扫描振镜4、光圈5、聚焦透镜6、约束层7、单层纳米颗粒8、三维移动平台10和电脑控制***11；所述脉冲激光器1、偏振控制***2和扫描振镜4沿同一光轴中心依次排布；所述偏振控制***2由线偏振器和1/4玻片组成，调整脉冲激光为圆偏振光，作用于工件9表面；所述扫描振镜4正下方设有光圈5；所述光圈5为低通圆孔滤波器，作用为过滤约束层7反射的光，防止反射光掺杂在加工激光中；所述光圈5正下方设有聚焦透镜6；所述聚焦透镜6将脉冲激光汇聚并垂直入射在工件9表面。所述脉冲激光器1在加工过程中选取的能量密度应小于工件9的损伤能量密度阈值。
所述聚焦透镜6正下方设有三维移动平台10，所述三维移动平台10上表面放置工件9，用于调整工件9位于激光束的焦点位置。所述工件9上表面覆盖单层纳米颗粒8，单层纳米颗粒8为贵金属纳米颗粒，如金纳米颗粒或银纳米颗粒中的一种；所述单层纳米颗粒8上表面覆盖约束层7，约束层7为透明材料，如玻璃；所述单层纳米颗粒8的直径为a，所述脉冲激光器1的波长为λ，则其满足关系式：λ/10<a<λ。所述脉冲激光器1、聚焦透镜6和三维移动平台10均和电脑控制***11电连接。
整个装置的加工过程如下：
所述脉冲激光器1发射的脉冲激光，经过所述偏振控制***2得到圆偏振光，由扫描振镜4控制扫描路径，通过光圈5过滤掉杂光，被聚焦透镜6汇聚并辐射到工件9表面。单层纳米颗粒8在激光辐射作用下在工件9表面形成局域场增强效应，进而实现工件9表面的微孔加工。在近场光学范围内，激光在传播过程中能够绕过障碍物继续传播，到达工件9表面，在颗粒底部多次反射。贵金属纳米颗粒具有丰富的核外电子，在激光能量的激励下容易形成表面等离子激元，进而形成局域场增强效应。结合时域有限差分法和米氏散射理论，可以求解出工件9表面的激光能量场分布，进而得到工件9表面的能量增强曲线，预测加工后的工件表面环形微孔形貌特征。
实施例1
S1：搭建好环形微孔的激光加工装置：调整脉冲激光器1、偏振控制***2和扫描振镜4处于同一光轴中心；调整光圈5、聚焦透镜6、三维移动平台10至扫描振镜4的焦点处；将脉冲激光器1、聚焦透镜6、三维移动平台10和电脑控制***11电连接。其中，选用贵金属纳米颗粒材质为金；使用的激光器为IPG系列脉冲光纤激光器，中心波长1064nm，重复频率10KHz-100KHz可调，光斑直径50μm，最大脉冲能量1mJ；
S2：选取工件9，材料为钛合金，尺寸为20mm*20mm*5mm，其损伤阈值为J0＝30.5mJ/cm2；预处理工件9表面：粗糙度依次为120、600、1200、3000目的砂纸对钛合金表面进行抛光，去除表面明显的划痕；将抛光好的钛合金利用无水乙醇作为溶剂，在超声波清洗机中清洗5分钟。由于钛合金表面不具有亲水性，在清洗完干燥后使用富含亲水基团的肥皂水涂抹其表面，使其具有亲水性；
选择5％固含量的直径a＝200nm的金纳米颗粒悬浮液，满足λ/10<a<λ，即106.4nm<a<1064nm。将悬浮液置于超声波清洗机中超声15min，使得纳米颗粒充分分散开；使用微量移液器，每次取出500μL，小心滴在已经进行亲水处理的钛合金表面，使得纳米颗粒溶液充分分散到钛合金表面；将滴有纳米颗粒溶液的钛合金放置在通风无尘厨中倾斜9°静置12h，至溶剂完全蒸发，得到表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件。将制备好的加工工件需保存在培养皿中，以免灰尘杂物等污染表面。图2为单个直径a＝200nm的金颗粒在1064nm波长的脉冲激光能量分布截面图，激光束的偏振态为圆形。纳米颗粒将激光能量约束在颗粒底部，形成局域场增强效应。由图2可知，增强能量集中于工件9表面与纳米颗粒接触区域。为了更清楚地观察加工工件表面的能量分布，图3为图2对应的工件9表面的能量分布图。由图3可清晰看出纳米颗粒底部形成的激光能量增强区域，工件9表面形成的场增强区域为环形。
S3：确定能量增强倍数A：根据工件9、脉冲激光器1和单层纳米颗粒8的特征参数，求解工件9表面的归一化激光能量分布，绘制出能量增强特征曲线；根据环形微孔的加工内径d或加工外径D确定出能量增强倍数A；如图4所示，当归一化入射脉冲激光能量密度为1，设定纳米颗粒和加工工件表面的接触点为横坐标的坐标原点o，横轴为工件表面的位置点，纵坐标为能量增强倍数A。根据图5可知，能量增强倍数的峰值Amax＝154.33对应的位置点分别为+h和-h，此处的h＝15nm，对应坐标系中的坐标为(±15，154.33)。要求加工环形微孔的外径D＝100nm，此时q＝50，满足oh≤D/2<oq，根据能量增强特征曲线，对应在坐标系中的坐标为(50，9.01323)，则确定出能量增强倍数AD＝9.01323。
S4：根据步骤S3确定的能量增强倍数A，打开电脑控制***11，设置脉冲激光器的输出能量密度J，J＝J0/A，其中J0为工件9损伤能量密度阈值；已知激光束的光斑直径为50μm，计算得到激光能量选择为0.015mJ，设置重复频率为20KHz，扫描速度为10m/s。
S5：调整偏振控制***2，使得出射的激光束为圆偏振光；将步骤S2中所述表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件放置于三维移动平台10上；在单层纳米颗粒8上表面覆盖一层约束层7；
S6：电脑控制***11输出激光，对加工工件表面进行加工，实现环形微孔的制作。
使用扫描电镜对该实施例加工的环形微孔进行观察，发现所加工的环形微孔的外径D均值为95.6nm，与加工要求符合得很好。
实施例2
要求加工环形微孔的内径d＝20nm，此时p＝10，满足op<d/2<oh。如图5，根据求解得到的能量增强特征曲线，确定出能量增强倍数Ad＝24.5。打开电脑控制***，已知激光束的光斑直径为50μm，计算得到激光能量选择为0.019mJ，设置重复频率为50KHz，扫描速度为25m/s。其他加工的步骤、参数和同实施例1相同。
使用扫描电镜对加工的环形微孔进行观察，发现所加工的环形微孔的内径d均值为18.78nm，与加工要求符合得很好。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种环形微孔的激光加工方法，该激光加工方法采用了一种环形微孔的激光加工装置，所述激光加工装置包括脉冲激光器(1)、偏振控制***(2)、扫描振镜(4)、光圈(5)、聚焦透镜(6)、约束层(7)、单层纳米颗粒(8)、三维移动平台(10)和电脑控制***(11)；所述脉冲激光器(1)、偏振控制***(2)和扫描振镜(4)沿同一光轴中心依次排布；所述扫描振镜(4)正下方设有光圈(5)；所述光圈(5)正下方设有聚焦透镜(6)；所述聚焦透镜(6)正下方设有三维移动平台(10)；所述三维移动平台(10)上表面放置工件(9)；所述工件(9)上表面覆盖单层纳米颗粒(8)；所述单层纳米颗粒(8)上表面覆盖约束层(7)；所述脉冲激光器(1)、聚焦透镜(6)和三维移动平台(10)均和电脑控制***(11)电连接；其特征在于，该激光加工方法包括如下步骤：
S1：搭建好环形微孔的激光加工装置：调整脉冲激光器(1)、偏振控制***(2)和扫描振镜(4)处于同一光轴中心；调整光圈(5)、聚焦透镜(6)、三维移动平台(10)至扫描振镜(4)的焦点处；将脉冲激光器(1)、聚焦透镜(6)、三维移动平台(10)和电脑控制***(11)电连接；
S2：预处理工件(9)表面：将单层纳米颗粒(8)配置成纳米颗粒悬浮液，并将纳米颗粒悬浮液沉积在工件(9)表面，得到表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件；
S3：确定能量增强倍数A：根据工件(9)、脉冲激光器(1)和单层纳米颗粒(8)的特征参数，求解工件(9)表面的归一化激光能量分布，绘制出能量增强特征曲线；根据环形微孔的加工内径d或加工外径D确定出能量增强倍数A；
S4：确定激光输出能量参数：根据步骤S3确定的能量增强倍数A，打开电脑控制***(11)，设置脉冲激光器的输出能量密度J，J＝J0/A，其中J0为工件(9)损伤能量密度阈值；
S5：调整光束偏振态和工件位置：调整偏振控制***(2)，使得出射的激光束为圆偏振光；将步骤S2中所述表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件放置于三维移动平台(10)上；在单层纳米颗粒(8)上表面覆盖一层约束层(7)；
S6：加工工件：电脑控制***(11)输出激光，对工件表面进行加工，实现环形微孔的制作。
2.根据权利要求1所述的一种环形微孔的激光加工方法，其特征在于，步骤S2中所述预处理工件(9)表面过程如下：对工件(9)表面打磨抛光、超声波清洗，并在工件(9)表面涂抹包含亲水基团的溶剂；
所述得到表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件过程如下：将单层纳米颗粒(8)配置成5％固含量的纳米颗粒悬浮液，将纳米颗粒悬浮液置于超声波清洗机中超声10-15min；使用微量移液器，每次取出500μL，小心滴在已经进行预处理的工件(9)表面；将滴有纳米颗粒溶液的工件放置在通风无尘厨中倾斜9°静置12h，至溶剂完全蒸发，得到表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件。
3.根据权利要求1所述的一种环形微孔的激光加工方法，其特征在于，步骤S3中所述确定能量增强倍数A过程如下：
归一化入射脉冲激光能量密度为1，设定纳米颗粒和加工工件表面的接触点为横坐标的坐标原点o，横轴为工件表面的位置点，纵坐标为能量增强倍数，进而构建坐标系；能量增强倍数的峰值Amax对应的横轴位置点分别为+h和-h，在坐标系中对应的坐标为(±h，Amax)；在能量增强倍数由接触点o上升至峰值Amax区间段，设激光能量密度为1处的位置点分别为+p和-p，在坐标系中对应的坐标为(±p，1)；在能量增强倍数A由峰值Amax下降至0区间段，设激光能量密度为1处的位置点分别为+q和-q，在坐标系中对应的坐标为(±q，1)；其中p、h、q的值满足：0<p<h<q；
当要求加工工件的内径为d时，要求op<d/2<oh,根据d尺寸确定+d或-d位置点对应的能量增强倍数Ad；当要求加工工件的外径为D时，要求oh≤D/2<oq，根据D尺寸确定+D或-D位置点对应的能量增强倍数AD。
4.根据权利要求1所述的一种环形微孔的激光加工方法，其特征在于，步骤S4中所述工件(9)的材料为金属材料或者半导体材料。
5.根据权利要求4所述的一种环形微孔的激光加工方法，其特征在于，所述工件(9)的材料为钢、铜、钛合金、单晶硅、多晶硅中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种环形微孔的激光加工方法，其特征在于，所述单层纳米颗粒(8)为贵金属纳米颗粒。
7.根据权利要求6所述的一种环形微孔的激光加工方法，其特征在于，所述贵金属纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒中的一种。
8.根据权利要求1或6所述的一种环形微孔的激光加工方法，其特征在于，所述单层纳米颗粒(8)的直径为a，所述脉冲激光器(1)的波长为λ，则其满足关系式：λ/10<a<λ。
9.根据权利要求1或6所述的一种环形微孔的激光加工方法，其特征在于，所述约束层(7)为透明材料；所述偏振控制***(2)由线偏振器和1/4玻片组成；所述光圈(5)为低通圆孔滤波器。
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