CN112372144A - 一种激光透明材料镀层/刻蚀的方法及装置 - Google Patents

一种激光透明材料镀层/刻蚀的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种激光透明材料镀层/刻蚀的方法及装置，包括如下步骤：透明材料固定在金属板材上方，通过夹持装置使透明材料与金属板材紧密结合；本发明利用透明材料的透光特性使脉冲激光焦点聚焦在透明材料下表面和金属板上表面交界处，脉冲激光产生的冲击应力和空化应力作用于交界处。所述脉冲激光产生的冲击应力和空化应力作用于交界处的金属板材表面，经过金属板材的反射和吸收，在交界处激发出等离子体，实现激光对透明材料背向镀层或刻蚀加工。通过此种方法在工件表面定域覆盖镀层能够实现良好的生物性，化学性能以及良好的导电性能。

Description

一种激光透明材料镀层/刻蚀的方法及装置
技术领域
本发明涉及激光刻蚀领域或者激光镀层领域或者透明材料的激光加工领域，特别涉及一种激光透明材料镀层/刻蚀的方法及装置。
背景技术
以玻璃为代表的透明类材料具有绝缘性好、耐腐蚀、耐高温、硬度高等特点，目前在航空航天、信息通信、生物医疗、精密仪器等领域受到广泛应用。由于其本身的高硬度和高脆性特点，传统的机械切削加工方法难以完成微细结构的加工，激光加工方法是目前较为合适的加工方法。
激光加工是把具有足够能量的激光束聚焦后照射到所加工工件的适当部位，在极短的时间内，被辐照部位吸收光能，光能转化为热能使材料迅速升温，材料以融化和气化的形式去除。激光加工由于激光束和工件之间不接触，没有机械应力，能够获得较高的表面加工质量。激光加工具有适应性强，能加工多种材质，加工效率高，加工质量好，综合效益高等优点。
但是透明类材料由于材料本身透光率较高，因此对激光的吸收较少，材料损伤阀值较大，大部分激光透过材料造成激光难以形成加工痕迹，要想实现材料去除需要达到更高的能量密度。且由于透明材料本身杂质的影响，过高的激光能量会造成材料工痕迹不均匀，加工质量差。
相关研究人员对激光加工透明材料技术的研究取得了一定进展，中国专利号提出将过渡金属离子或稀土离子掺入待加工玻璃中，离子掺杂的浓度达到使待加工玻璃的吸收光谱发生改变并形成吸收峰，得到颜色玻璃；测量得到的颜色玻璃的吸收光谱，将该吸收光谱中吸收峰的波长作为共振吸收波长；采用飞秒激光工艺对所述颜色玻璃的表面或内部进行加工，其中采用的飞秒激光的波长等于共振吸收波长。与传统的飞秒激光加工方法相比，能够实现对材料的高效率和波长选择性加工，但该专利中需要对玻璃进行处理，得到颜色玻璃才能实现后续加工，无法有效加工已有的玻璃及其他透明类材料。而且需要选择特定波长的激光器。
中国专利号提出一种静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的设备，透明介质材料与水接触产生接触面，能提高透明介质材料在接触界面的激光吸收率，有助于提高纳秒激光的加工效率，利于提升纳秒激光加工效果，使加工后的激光材料质量能得到保证，利用发条的特性及磁性原理，能实现对不同厚度的激光材料的压紧，通过与密封圈的配合，防止待激光加工透明介质材料渗水，进一步提高激光吸收率。然而，该技术方案利用水面增强激光的反射，反射率不稳定，反射效果有限，会造成加工结果不稳定。此外，该技术方案只适用于特定大小的工件，无法胜任各种不同尺寸工件的灵活加工。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种激光透明材料镀层/刻蚀的方法及装置，利用透明材料的透光特性使激光焦点聚焦在透明材料下表面和金属板上表面交界处，经过金属板的反射和吸收，在交界处激发出等离子体，实现激光对透明材料的背向镀层或刻蚀加工。本发明实现了透明类材料的高效加工，激光焦点聚焦在透明材料下表面和金属板上表面交界处，经过金属板的反射和吸收，在交界处激发出等离子体，不但可以实现激光对透明材料的背向线加工，还可以实现背向面加工以及减薄加工。同时由于金属板的反射和吸收，不需要很高的能量密度就可以实现材料去除，将透明材料中的杂质影响降到最低，可以在提高表面加工质量和尺寸精度的同时提高加工效率。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种激光透明材料镀层的方法，包括如下步骤：
透明材料固定在金属板材上方，通过夹持装置使透明材料与金属板材紧密结合；
脉冲激光穿过透明材料聚焦在金属板材上表面和透明材料下表面交界处，脉冲激光产生的冲击应力和空化应力作用于交界处，用于在透明材料下表面形成镀层。
进一步，所述脉冲激光产生的冲击应力和空化应力作用于交界处的金属板材表面，经过金属板材的反射和吸收，在交界处激发出等离子体，实现激光对透明材料的背向镀层。
进一步，在透明材料下表面形成镀层具体为：
利用脉冲激光产生的冲击应力，使金属板材上表面产生金属粉末；
通过脉冲激光熔覆金属粉末，且熔覆后的金属粉末位于金属板材上表面和透明材料下表面交界处；
通过冷却透明材料使熔覆后的金属粉末附着在透明材料下表面。
一种激光透明材料刻蚀的方法，包括如下步骤：
透明材料固定在金属板材上方，通过夹持装置使透明材料与金属板材紧密结合；
脉冲激光穿过透明材料聚焦在金属板材上表面和透明材料下表面交界处，脉冲激光产生的冲击应力和空化应力作用于交界处，用于在透明材料下表面形成镀层；
通过与镀层反应的酸溶液去除所述透明材料下表面的镀层。
进一步，所述脉冲激光产生的冲击应力和空化应力作用于交界处的金属板材表面，经过金属板材的反射和吸收，在交界处激发出等离子体，实现激光对透明材料的背向镀层。
进一步，在透明材料下表面形成镀层具体为：
利用脉冲激光产生的冲击应力，使金属板材上表面产生金属粉末；
通过脉冲激光熔覆金属粉末，且熔覆后的金属粉末位于金属板材上表面和透明材料下表面交界处；
通过冷却透明材料使熔覆后的金属粉末附着在透明材料下表面。
一种实现激光透明材料刻蚀/镀层的方法的装置，包括激光辐照***、辅助加工***和运动控制***；
所述辅助加工***包括金属板材、透明材料、夹持装置和运动平台；金属板材放置于透明材料下方，所述金属板材和透明材料通过夹持装置安装在运动平台；
所述激光辐照***包括脉冲激光器和聚焦透镜，所述脉冲激光器用于产生脉冲激光，所述脉冲激光经过聚焦透镜聚焦在金属板材与透明材料交界面处；
所述运动控制***包括计算机和运动控制器，所述计算机分别与脉冲激光器和运动控制器连接，所述运动控制器用于控制运动平台空间运动。
进一步，还包括吹气装置，所述吹气装置位于透明材料附近，用于对透明材料进行散热。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的激光透明材料镀层/刻蚀的方法，采用金属板材辅助激光背向加工，在透明材料下方紧贴固定金属板，利用透明材料的透光特性使激光焦点聚焦在透明材料下表面和金属板上表面交界处，经过金属板的反射和吸收，在交界处激发出等离子体，不但可以实现激光对透明材料的线加工，还可以实现面加工以及减薄加工。
2.本发明所述的激光透明材料镀层/刻蚀的方法，透明类材料由于材料本身透光率较高，因此对激光的吸收较少，材料损伤阀值较大，大部分激光透过材料造成激光难以形成加工痕迹，要想实现材料去除需要达到更高的能量密度。且由于透明材料本身杂质的影响，过高的激光能量会造成材料工痕迹不均匀，加工质量差。本技术方案由于金属板的反射和吸收，不需要很高的能量密度就可以实现材料去除，将透明材料中的杂质影响降到最低，可以在提高表面加工质量和尺寸精度的同时提高加工效率。
3.本发明所述的激光透明材料镀层/刻蚀的方法，激光焦点位于工件和金属板材交界处，加工过程中产生的金属粉末不会飘散到空气中造成污染，随着加工结束，工件和金属板材温度降低，粉末会附着在加工表面形成镀层。通过此种方法在工件表面定域覆盖镀层能够实现良好的生物性，化学性能以及良好的导电性能。金属板材辅助激光微细加工透明材料技术在航空航天、生物医学、化工、冶金等领域的精密加工制造具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述实现激光透明材料刻蚀/镀层的方法的装置的示意图。
图2为本发明的加工区域放大图。
图中：
1-计算机；2-运动控制器；3-第二光学箱；4-第一光学箱；5-脉冲激光器；6-聚焦透镜；7-脉冲激光束；8-吹气装置；9-夹持装置；10-运动平台；11-透明材料；12-金属板材。
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，本发明所述的激光透明材料镀层/刻蚀的装置，包括激光辐照***、辅助加工***和运动控制***；
激光辐照***包括脉冲激光器5、第一光学箱4、第二光学箱3和聚焦透镜6，所述脉冲激光器5发出的脉冲激光依次经过第一光学箱4、第二光学箱3和聚焦透镜6，经第一光学箱4扩束，第二光学箱3改变光路，最后由聚焦透镜6聚焦。
辅助加工***包括金属板材12、透明材料11、夹持装置9、运动平台10和吹气装置8；金属板材12放置于透明材料11下方，通过夹持装置9夹紧，夹持装置9可根据共建大小自由调节，夹持装置9夹持金属板材12和透明材料11并固定在运动平台10上，所述运动平台10可x-y-z三轴运动。脉冲激光束7经聚焦透镜10聚焦在金属板材12上表面和透明材料11下表面交界处，金属板材根据实际需要选择不同金属种类；
运动控制***包括计算机1和运动控制器2；计算机1分别与脉冲激光器5和运动控制器2相连，运动控制器2与运动平台10电连接，通过计算机1可控制运动控制器2和脉冲激光器5各项参数，同时计算机1也能够用上位机软件来运行刀具路径执行代码，通过运动控制器2来控制运动平台10的运动。
一种激光透明材料镀层的方法，包括以下步骤：
将根据需要选择的金属板材12和透明材料11进行去油和超声清洗，烘干后将透明材料11固定于金属板材12上方，使透明材料11下表面与金属板材12上表面紧密结合，然后通过夹持装置9夹紧并固定于运动平台10上；
打开脉冲激光器5，脉冲激光器5发出的脉冲激光束7依次经过第一光学箱4、第二光学箱3和聚焦透镜6，经第一光学箱4扩束，第二光学箱3改变光路，最后由聚焦透镜6聚焦；调节运动平台10的高度，使脉冲激光束7聚焦于金属板材12上表面和透明材料11下表面交界处；激光光束经聚焦后在金属板材12上表面和透明材料11下表面交界处产生焦点，进而形成冲击应力和空化应力作用于透明材料11的下表面和金属板材12上表面交界处；所述脉冲激光产生的冲击应力和空化应力作用于交界处的金属板材12表面，经过金属板材12的反射和吸收，在交界处激发出等离子体，实现激光对透明材料11的背向镀层。
通过计算机1设定脉冲激光器5的运动路径对透明材料11进行持续加工直至加工运动路径程序结束；
透明材料11加工完成后关闭脉冲激光器5，取出透明材料11，对透明材料11进行清洗和烘干。
在透明材料11下表面形成镀层具体过程为：利用脉冲激光产生的冲击应力，使金属板材上表面产生金属粉末；通过脉冲激光熔覆金属粉末，且熔覆后的金属粉末位于金属板材上表面和透明材料11下表面交界处；通过冷却透明材料11使熔覆后的金属粉末附着在透明材料11下表面。由于激光焦点聚焦在工件和金属板材交界处，因此加工过程中产生的金属粉末并不会飘散到空气中造成污染，随着加工结束，工件和金属板材温度降低，粉末会重新附着在加工区域，实现熔覆的效果，在玻璃类的透明材料上熔覆金属粉末可以实现导电性，生物相容性等特定性能，在医疗，生化，电子等方面有广泛应用前景。此外，可以通过选择不同的金属板材实现在工件上熔覆不同金属粉末。
本发明的另一个实施例，一种激光透明材料刻蚀的方法，在激光透明材料镀层的方法的基础上，通过与镀层反应的酸溶液去除所述透明材料11下表面的镀层。对于附着在透明材料11上的粉末，可以用盐酸或者硫酸较好的去除。
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 (8)

1.一种激光透明材料镀层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
透明材料(11)固定在金属板材(12)上方，通过夹持装置(9)使透明材料(11)与金属板材(12)紧密结合；
脉冲激光穿过透明材料(11)聚焦在金属板材上表面和透明材料(11)下表面交界处，脉冲激光产生的冲击应力和空化应力作用于交界处，用于在透明材料(11)下表面形成镀层。
2.根据权利要求1所述的激光透明材料镀层的方法，其特征在于，所述脉冲激光产生的冲击应力和空化应力作用于交界处的金属板材(12)表面，经过金属板材(12)的反射和吸收，在交界处激发出等离子体，实现激光对透明材料(11)的背向镀层。
3.根据权利要求1所述的激光透明材料镀层的方法，其特征在于，在透明材料(11)下表面形成镀层具体为：
利用脉冲激光产生的冲击应力，使金属板材上表面产生金属粉末；
通过脉冲激光熔覆金属粉末，且熔覆后的金属粉末位于金属板材上表面和透明材料(11)下表面交界处；
通过冷却透明材料(11)使熔覆后的金属粉末附着在透明材料(11)下表面。
4.一种激光透明材料刻蚀的方法，其特征在于，包括如下步骤：
透明材料(11)固定在金属板材(12)上方，通过夹持装置(9)使透明材料(11)与金属板材(12)紧密结合；
脉冲激光穿过透明材料(11)聚焦在金属板材上表面和透明材料(11)下表面交界处，脉冲激光产生的冲击应力和空化应力作用于交界处，用于在透明材料(11)下表面形成镀层；
通过与镀层反应的酸溶液去除所述透明材料(11)下表面的镀层。
5.根据权利要求4所述的激光透明材料刻蚀的方法，其特征在于，所述脉冲激光产生的冲击应力和空化应力作用于交界处的金属板材(12)表面，经过金属板材(12)的反射和吸收，在交界处激发出等离子体，实现激光对透明材料(11)的背向镀层。
6.根据权利要求4所述的激光透明材料刻蚀的方法，其特征在于，在透明材料(11)下表面形成镀层具体为：
利用脉冲激光产生的冲击应力，使金属板材上表面产生金属粉末；
通过脉冲激光熔覆金属粉末，且熔覆后的金属粉末位于金属板材上表面和透明材料(11)下表面交界处；
通过冷却透明材料(11)使熔覆后的金属粉末附着在透明材料(11)下表面。
7.一种实现权利要求1或4所述的激光透明材料刻蚀/镀层的方法的装置，其特征在于，包括激光辐照***、辅助加工***和运动控制***；
所述辅助加工***包括金属板材(12)、透明材料(11)、夹持装置(9)和运动平台(10)；金属板材(12)放置于透明材料(11)下方，所述金属板材(12)和透明材料(11)通过夹持装置(9)安装在运动平台(10)；
所述激光辐照***包括脉冲激光器(5)和聚焦透镜(6)，所述脉冲激光器(5)用于产生脉冲激光，所述脉冲激光经过聚焦透镜(6)聚焦在金属板材(12)与透明材料(11)交界面处；
所述运动控制***包括计算机(1)和运动控制器(2)，所述计算机(1)分别与脉冲激光器(5)和运动控制器(2)连接，所述运动控制器(2)用于控制运动平台(10)空间运动。
8.根据权利要求7所述的实现激光透明材料刻蚀/镀层的方法的装置，其特征在于，还包括吹气装置(8)，所述吹气装置(8)位于透明材料(11)附近，用于对透明材料(11)进行散热。
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