CN112872629B - 一种基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔方法及***，其特点是利用类法布里珀罗干涉仪的脉冲序列产生装置，将超快激光脉冲整形为特定能量比、子脉冲间隔的脉冲序列，然后根据需要设定四光楔旋切头的角度偏转参数以及位移旋转参数，控制光束角度以及路径，将激光聚焦于待加工样品表面，加工出所需的微孔。本发明与现有技术相比具有结构简单，不需要复杂的光路对齐，可重复性高，配合多轴精密运动控制***以及智能控制算法，可实现高深径比、多孔型的高精度超快激光加工。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光加工技术领域，具体的说是一种基于超快激光脉冲序列以及四光楔旋切钻孔的加工方法及其加工***。
背景技术
目前，激光加工技术应用到几乎所有的主流制造领域，如汽车制造、电子器件、航空航天、石油化工、冶金矿山以及能源交通等等，只是不同的领域普及程度不同而已。由于激光束与加工材料的非接触性、加工效率高以及加工质量好等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术，激光加工技术在各个领域中的应用，直接或间接地推动了相关领域的发展。长脉冲激光加工方式，材料吸收激光能量温度升高，达到材料熔点沸点，从而达到材料烧蚀加工的效果。长脉冲激光加工属于热加工，有较强的热效应，对材料本体有较大的热损伤，无法应用于对加工质量以及加工精度要求极高的应用领域。
随着，啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification，CPA）技术的发展，激光脉宽可达到飞秒量级，大大降低激光烧蚀的热效应，实现冷加工。超快激光加工，具有加工材料范围广，非接触且峰值功率高和脉冲超短等特点，可以实现无重铸层和无热影响区的冷加工，热影响区极小，因此在航空、航天等精密微孔加工领域得到了广泛关注，并在超硬、超脆和超软材料的加工中率先得到应用。然而，直接的超快激光加工的潜力是有限的，材料的有效烧蚀需要克服高脉冲能量阈值，在激光能量较低时，材料的有效烧蚀速率较低，若使用更高激光功率，提高烧蚀效率的同时会带来更复杂的影响。例如在更高的激光功率下，材料会由于热积累而产生屏蔽、饱和以及对材料本体的热损伤。同时由于激光光斑的高斯分布，激光直接冲击式打孔，会导致所加工的孔型呈锥形，且深径比十分有限。因此如何在提高激光功率的同时保证加工质量，以及控制所加工微孔的孔型、孔径、深径比，是超快激光加工面临的技术难点。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔方法及***，将超快激光脉冲整形为特定能量比、子脉冲间隔的脉冲序列，采用四光楔旋切头根据设定的脉冲序列以及光束角度和路径，将激光束聚焦于待加工样品表面，加工出所需要的微孔，实现高深径比、多孔型微孔的超快激光加工，脉冲序列产生装置配合多轴精密运动控制***，用以解决孔型、孔径、深径比的控制问题，具有结构简单，不需要复杂的光路对齐，可重复性高，加工成本低等优点，并且进一步配合多轴精密运动控制***以及智能控制算法，可实现多种加工需求，大大满足了更高质量、更大深径比的超快激光微孔加工，较好的解决了直接加工孔型差、深径比有限的问题。
实现本发明目的的具体技术方案是：一种基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔方法，其特点是将超快激光脉冲整形为具有一定能量比和子脉冲间隔的脉冲序列，采用四光楔旋切头根据设定的脉冲序列以及光束角度和路径，将激光束聚焦于待加工样品表面，实现高深径比、多孔型微孔的超快激光加工，所述脉冲序列由两个互相平行的半透半反镜生成，其能量比通过选用不同反射率的半透半反镜组合实现，并通过两半透半反镜的间距控制脉冲序列中子脉冲间隔。
一种基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔***，其特点是采用脉冲序列产生装置与样品监测单元和样品加工单元组成四光楔旋切钻孔***进行高深径比、多孔型微孔的超快激光加工，该***包括：超快激光器、机械开关、半波片、格兰棱镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、一维精密电控平移台、四光楔旋切头、超快激光高反镜、聚焦透镜、待加工样品、多轴精密电控平移台、白光照明光源、白光分束镜、CCD成像设备。
所述超快激光器发出的激光经开启的机械开关进入半波片、格兰棱镜、第一半透半反镜以及设置在一维电控平移台上的第二半透半反镜构成第二半透半反镜输出的脉冲序列，或第一半透半反镜输出的脉冲序列光路上增设分光镜、高反镜和挡光板构成第一半透半反镜输出的脉冲序列；所述第一半透半反镜输出的脉冲序列或第二半透半反镜输出的脉冲序列由四光楔旋切头、超快激光高反镜和聚焦透镜依次连接的光路，将激光束引至多轴电控平移台上的待加工样品进行微孔加工；所述白光照明光源由白光分束镜、超快激光高反镜和聚焦透镜依次连接的光路到达待加工样品表面，经样品表面反射沿原路径返回到达CCD成像设备，实现对微孔加工的成像观察和监控。
本发明基于激光与物质相互作用机制以及烧蚀冷却原理，通过特定的脉冲序列调控材料加工中局部瞬态电子动态，从原理上减小材料加工中的热效应，提高微孔的加工质量，实现高深径比、多孔型的高精度超快激光加工。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果和优点：
1）本发明所产生的超快激光脉冲序列可以调控被加工样品局部瞬时自由电子动态，可以本质上控制激光与被加工材料的相互作用，减小材料加工中的热效应，从而使所加工的微孔的质量及精度明显提高。
2）本发明所使用的基于法布里珀罗干涉仪的脉冲序列产生方法，可以很方便的调控脉冲序列的能量比以及子脉冲的时间间隔，调节方式灵活，时间间隔范围广涵盖飞秒到纳秒，并且还具有结构简单，成本较低等优点。
3）本发明基于四光楔旋切钻孔，改进了直接冲击打孔方式的孔型锥度不可控、深径比有限等问题，通过四光楔参数的匹配，可以自由控制孔的直径、深径比以及锥度。
4）本发明的配合多轴精密电控平移台，通过精密的样品多维运动控制，可以实现更大尺寸的高质量高精度加工，同时还可实现异型加工，包括异型孔、异型切割，例如涡轮叶片异型气膜孔加工，3D手机全面屏的异型切割等。
附图说明
图1为第二半透半反镜输出脉冲序列的四光楔旋切钻孔***示意图；
图2为第一半透半反镜输出脉冲序列的四光楔旋切钻孔***示意图。
具体实施方式
本发明使用的超快激光器为钛-蓝宝石飞秒激光再生放大***，中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs，基本重复频率为1000Hz，线偏振。超快激光脉冲序列以及四光楔旋切钻孔的高质量高深径比微孔加工方法，具体包括以下步骤：
步骤一：根据需要生成合适的超快激光脉冲序列，包括选择合适反射率的第一半透半反镜和第二半透半反镜，以及调节两个半透半反镜至合适的距离。脉冲序列的能量比不同会影响激光与物质的相互作用过程，选定不同反射率的第一半透半反镜和第二半透半反镜组合，生成不同能量比的脉冲序列。根据超快激光与物质相互作用机制以及烧蚀冷却原理，样品在激光照射后的不同时间尺度内，所激发的动力学过程不同，因此子脉冲间隔是控制激光与物质相互作用最重要的参数。将第二半透半反镜安装在一维精密电控平移台上，通过控制两半透半反镜之间的距离，来调节子脉冲时间间隔，尽可能减小加工时的热效应，提高加工质量。
步骤二：根据需要输入合适的的四光楔参数，所述四光楔旋切头包括：角度偏转光楔组以及位移旋转光楔组，不仅可以改变光束的方向，还可以控制光束的运动路径。当需要加工零锥度圆孔时，由于直接的冲击打孔会使孔型有一定的锥度，因此需要设置合适的角度偏转来消除这一锥度，同时根据不同孔径尺寸，输入不同的位移旋转参数。当需要加工正锥度或负锥度圆孔时，设置相应的角度偏转参数，并根据不同孔径尺寸，输入不同的位移旋转参数。
步骤三：利用步骤一和步骤二设置好的参数进行激光加工。将设置好激光参数以及光束路径的超快激光加工光束引至待加工样品表面，加工好的微孔由CCD成像设备进行观察和监测。
本发明基于超快激光脉冲序列以及四光楔旋切钻孔的高质量高深径比微孔加工方法配合多轴精密电控平移台及相关运动控制算法，可以实现更大尺寸、更大深径比的高质量微孔加工，配合智能运动控制算法可实现高质量的异型孔加工以及异型切割等。
通过以下具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
参阅附图1，本四光楔旋切钻孔***包括：脉冲序列产生装置
、样品监测单元
和样品加工单元
，所述脉冲序列产生装置
由超快激光器1与半波片3、格兰棱镜4、第一半透半反镜5和第二半透半反镜6依次连接的光路构成；所述样品监测单元
由白光照明光源13和白光分束镜14连接的光路与CCD成像设备15构成；所述样品加工单元
由四光楔旋切头8、超快激光高反镜9和聚焦透镜10依次连接的光路与多轴电控平移台12构成；所述超快激光器1发出的激光经半波片3、格兰棱镜4、第一半透半反镜5进入设置在一维电控平移台7上的第二半透半反镜6构成第二半透半反镜6输出的脉冲序列；所述第一半透半反镜5输出的脉冲序列由四光楔旋切头8、超快激光高反镜9和聚焦透镜10依次连接的光路，将激光束引至多轴电控平移台12上的待加工样品11进行微孔加工；所述白光照明光源13由白光分束镜14、超快激光高反镜9和聚焦透镜10依次连接的光路到达待加工样品11表面，经样品表面反射沿原路径返回到达CCD成像设备15，实现对微孔加工的成像观察和监控。
本四光楔旋切钻孔***是这样进行微孔加工的：开启机械开关2，从超快激光器1发出的激光经过半波片3、格兰棱镜4，到达由第一半透半反镜5和第二半透半反镜6组成的脉冲序列产生装置，基于法布里珀罗干涉仪的原理和结构，激光在第一半透半反镜5和第二半透半反镜6之间来回反射形成具有特定时间延迟的脉冲序列，并从第二半透半反镜6输出。通过控制两半透半反镜之间的距离来控制脉冲序列中子脉冲间隔，其中子脉冲间隔最小可至677飞秒，最大可达6.7纳秒以上。根据需要选定合适的半透半反镜，不同反射率的第一半透半反镜5和第二半透半反镜6组合会生成不同能量比的脉冲序列，若第一半透半反镜5的反射率为a，第二半透半反镜6的反射率为b，其生成的脉冲序列以a*b的等比例衰减，例如当第一半透半反镜5、第二半透半反镜6反射率均选为90%，生成的脉冲序列中各子脉冲能量比例为1: 0.81: 0.66: 0.53: 0.43: ……。调节子脉冲时间间隔，尽可能减小加工时的热效应，提高加工质量。根据超快激光与物质相互作用机制以及烧蚀冷却原理，样品在激光照射后的不同时间尺度内，所激发的动力学过程不同，因此子脉冲间隔是控制激光与物质相互作用最重要的参数。将第二半透半反镜6安装在一维精密电控平移台7上，通过控制一维电控平移台7来调节两个半透半反镜之间的距离，从而控制子脉冲时间间隔。更换不同的半透半反镜组合以及试验不同的子脉冲间隔，通过CCD成像设备15观察不同参数下所加工的孔表面形貌，找到最优参数范围。
根据需要加工的孔型、孔径设置四光楔角度偏转参数以及位移旋转参数，调制的脉冲序列由第二半透半反镜6输出，进入四光楔旋切头8的脉冲序列经光束的角度及旋转路径的控制，依次进入高反镜9、聚焦透镜10到达待加工样品11表面。通过设置相应的四光楔运动参数，控制超快激光脉冲序列在样品表面的入射角度以及运动路径，加工出不同孔径、不同锥度的孔，可以加工出零锥度、正锥度以及负锥度的圆孔。待加工样品11放置在多轴电控平移台12上，通过计算机输入智能运动控制指令，实现待加工样品11的多轴精密姿态调节及运动。四光楔光束路径控制配合五轴精密运动控制，不仅可以进一步加大孔的直径以及深径比，还可以加工出异型孔，并且实现异型切割。通过脉冲序列控制激光与物质相互作用，减小热效应提高加工质量，通过四光楔旋切头控制所加工孔的锥度与孔径，实现不同锥度、不同孔径、不同深径比的高质量微孔加工。
实施例2
参阅附图2，本四光楔旋切钻孔***包括：脉冲序列产生装置
、样品监测单元
和样品加工单元
，所述脉冲序列产生装置
由超快激光器1与半波片3、格兰棱镜4、第一半透半反镜5、第二半透半反镜6、分光镜16、高反镜17和挡光板18连接的光路构成；所述样品监测单元
由白光照明光源13和白光分束镜14连接的光路与CCD成像设备15构成；所述样品加工单元
由四光楔旋切头8、超快激光高反镜9和聚焦透镜10依次连接的光路与多轴电控平移台12构成；所述超快激光器1发出的激光经半波片3、格兰棱镜4、第一半透半反镜5进入设置在一维电控平移台7上的第二半透半反镜6，激光在第一半透半反镜5和第二半透半反镜6之间来回反射形成具有特定时间延迟的脉冲序列，由第一半透半反镜5输出，并由分光镜16以及高反镜17输出，构成第一半透半反镜5输出的脉冲序列；所述第一半透半反镜5输出的脉冲序列由四光楔旋切头8、超快激光高反镜9和聚焦透镜10依次连接的光路，将激光束引至多轴电控平移台12上的待加工样品11进行微孔加工；所述白光照明光源13由白光分束镜14、超快激光高反镜9和聚焦透镜10依次连接的光路到达待加工样品11表面，经样品表面反射沿原路径返回到达CCD成像设备15，实现对微孔加工的成像观察和监控。
本四光楔旋切钻孔***是这样进行微孔加工的：开启机械开关2，从超快激光器1发出的激光经过半波片3、格兰棱镜4，到达由第一半透半反镜5和第二半透半反镜6组成的脉冲序列产生装置，基于法布里珀罗干涉仪的原理和结构，激光在第一半透半反镜5和第二半透半反镜6之间来回反射形成具有特定时间延迟的脉冲序列，由第一半透半反镜5输出，在第一半透半反镜5前放置与入射激光成45°角的分光镜16和高反镜17将脉冲序列引入四光楔旋切头8，然后由高反镜9和聚焦透镜10将激光束引至多轴电控平移台12上的待加工样品11进行微孔加工；所述白光照明光源13由白光分束镜14、超快激光高反镜9和聚焦透镜10依次连接的光路到达待加工样品11表面，经样品表面反射沿原路径返回到达CCD成像设备15，实现对微孔加工的成像观察和监控。通过脉冲序列控制激光与物质相互作用，减小热效应提高加工质量，通过四光楔旋切头控制所加工孔的锥度与孔径，实现不同锥度、不同孔径、不同深径比的高质量微孔加工。
根据需要选定不同反射率的第一半透半反镜5和第二半透半反镜6组合会生成不同能量比的脉冲序列，假设第一半透半反镜5的反射率为a，第二半透半反镜6的反射率为b，由第一半透半反镜5输出的脉冲序列除第一个脉冲外，其余都以a*b的等比例衰减，例如当第一半透半反镜5反射率为40%，第二半透半反镜6选用相应波段的反射率为1的高反镜，经第一半透半反镜5输出的的脉冲序列中各子脉冲能量比例为40: 36: 14.4: 5.8: 2.3:……。调节子脉冲时间间隔，尽可能减小加工时的热效应，提高加工质量。根据超快激光与物质相互作用机制以及烧蚀冷却原理，样品在激光照射后的不同时间尺度内，所激发的动力学过程不同，因此子脉冲间隔是控制激光与物质相互作用最重要的参数。将第二半透半反镜6安装在一维精密电控平移台7上，通过控制一维电控平移台7来调节两个半透半反镜之间的距离，从而控制子脉冲时间间隔。更换不同的半透半反镜组合以及试验不同的子脉冲间隔，通过CCD监控成像***，观察不同参数下所加工的孔表面形貌，找到最优参数范围。通过脉冲序列控制激光与物质相互作用，减小热效应提高加工质量，通过四光楔旋切头控制所加工孔的锥度与孔径，实现不同锥度、不同孔径、不同深径比的高质量微孔加工。
根据需要加工的孔型、孔径设置四光楔角度偏转参数以及位移旋转参数，使用第一半透半反镜5输出的脉冲序列，调制的脉冲序列经分光镜16以及高反镜17反射进入四光楔旋切头8，控制光束角度及旋转路径，后依次经过高反镜9、聚焦透镜10到达待加工样品11表面。通过设置相应的四光楔运动参数，控制超快激光脉冲序列在样品表面的入射角度以及运动路径，加工出不同孔径、不同锥度的孔，可以加工出零锥度、正锥度以及负锥度的圆孔。配合多轴精密电控平移台及智能运动控制算法，可实现高质量的异型孔加工以及异型切割等。待加工样品11放置在多轴电控平移台12上，通过计算机输入智能运动控制指令，实现待加工样品的多轴精密姿态调节及运动。四光楔光束路径控制配合五轴精密运动控制，不仅可以进一步加大孔的直径以及深径比，还可以加工出异型孔，并且实现异型切割。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但并不仅限于上述实施例，其他的任何在本发明的原理及原则下所作的任何改变、修饰、替代、组合，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (12)
1.一种基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔***，其特征在于，采用脉冲序列产生装置与样品监测单元和样品加工单元组成四光楔旋切钻孔***进行微孔的超快激光加工，所述脉冲序列产生装置由超快激光器与半波片、格兰棱镜、第一半透半反镜和第二半透半反镜依次连接的光路构成；所述样品监测单元由白光照明光源和白光分束镜连接的光路与CCD成像设备构成；所述样品加工单元由四光楔旋切头、超快激光高反镜和聚焦透镜依次连接的光路与多轴电控平移台构成；所述超快激光器发出的激光经半波片、格兰棱镜、第一半透半反镜进入设置在一维电控平移台上的第二半透半反镜生成由第二半透半反镜输出的脉冲序列；所述第二半透半反镜输出的脉冲序列由四光楔旋切头、超快激光高反镜和聚焦透镜依次连接的光路，将激光束引至多轴电控平移台上的待加工样品进行微孔加工；所述白光照明光源由白光分束镜、超快激光高反镜和聚焦透镜依次连接的光路到达待加工样品表面，经样品表面反射沿原路径返回到达CCD成像设备，实现对微孔加工的成像观察和监控。
2.根据权利要求1所述的基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔***，其特征在于，所述第一半透半反镜与第二半透半反镜为平行设置且与入射激光垂直，通过调整两半透半反镜的间距，控制脉冲序列中子脉冲间隔，并通过选用不同反射率的半透半反镜组合控制所生成的脉冲序列的能量比。
3.根据权利要求1所述的基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔***，其特征在于，所述四光楔旋切头包括角度偏转光楔组以及位移旋转光楔组，通过角度偏转和位移旋转参数的调整控制光束角度以及光束运动路径，实现不同锥度、不同孔径的微孔加工。
4.根据权利要求1所述的基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔***，其特征在于，所述超快激光器由机械开关实现激光开启或关闭的控制。
5.根据权利要求1所述的基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔***，其特征在于，所述多轴电控平移台为具有X/Y/Z三个平移运动轴与两个旋转轴组成的五轴电控平移工作台，通过计算机输入智能运动控制指令，进行多轴精密姿态调节及运动，实现异型孔加工或异型切割。
6.一种基于权利要求1-5任一项钻孔***的超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔方法，其特征在于，采用脉冲序列产生装置将超快激光脉冲整形为具有一定能量比和子脉冲间隔的脉冲序列，采用四光楔旋切头根据设定的脉冲序列以及光束角度和路径，将激光束聚焦于待加工样品表面，实现高深径比、多孔型微孔的超快激光加工，所述脉冲序列由两个不同反射率且互相平行的半透半反镜生成不同能量比的脉冲序列，并通过改变两半透半反镜的间距控制脉冲序列中子脉冲间隔。
7.一种基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔***，其特征在于，采用脉冲序列产生装置与样品监测单元和样品加工单元组成四光楔旋切钻孔***进行微孔的超快激光加工，所述脉冲序列产生装置由超快激光器与半波片、格兰棱镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、分光镜、高反镜和挡光板连接的光路构成；所述样品监测单元由白光照明光源和白光分束镜连接的光路与CCD成像设备构成；所述样品加工单元由四光楔旋切头、超快激光高反镜和聚焦透镜依次连接的光路与多轴电控平移台构成；所述超快激光器发出的激光经半波片、格兰棱镜、第一半透半反镜进入设置在一维电控平移台上的第二半透半反镜，激光在第一半透半反镜和第二半透半反镜之间来回反射形成具有特定时间延迟的脉冲序列，由第一半透半反镜输出，并依次由分光镜、高反镜反射输出；所述高反镜反射输出的脉冲序列由四光楔旋切头、超快激光高反镜和聚焦透镜依次连接的光路，将激光束引至多轴电控平移台上的待加工样品进行微孔加工；所述白光照明光源由白光分束镜、超快激光高反镜和聚焦透镜依次连接的光路到达待加工样品表面，经样品表面反射沿原路径返回到达CCD成像设备，实现对微孔加工的成像观察和监控。
8.根据权利要求7所述的基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔***，其特征在于，所述第一半透半反镜与第二半透半反镜为平行设置且与入射激光垂直，通过调整两半透半反镜的间距，控制脉冲序列中子脉冲间隔，并通过选用不同反射率的半透半反镜组合控制所生成的脉冲序列的能量比。
9.根据权利要求7所述的基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔***，其特征在于，所述四光楔旋切头包括角度偏转光楔组以及位移旋转光楔组，通过角度偏转和位移旋转参数的调整控制光束角度以及光束运动路径，实现不同锥度、不同孔径的微孔加工。
10.根据权利要求7所述的基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔***，其特征在于，所述超快激光器由机械开关实现激光开启或关闭的控制。
11.根据权利要求7所述的基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔***，其特征在于，所述多轴电控平移台为具有X/Y/Z三个平移运动轴与两个旋转轴组成的五轴电控平移工作台，通过计算机输入智能运动控制指令，进行多轴精密姿态调节及运动，实现异型孔加工或异型切割。
12.一种基于权利要求7-11任一项钻孔***的超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔方法，其特征在于，采用脉冲序列产生装置将超快激光脉冲整形为具有一定能量比和子脉冲间隔的脉冲序列，采用四光楔旋切头根据设定的脉冲序列以及光束角度和路径，将激光束聚焦于待加工样品表面，实现高深径比、多孔型微孔的超快激光加工，所述脉冲序列由两个不同反射率且互相平行的半透半反镜生成不同能量比的脉冲序列，并通过改变两半透半反镜的间距控制脉冲序列中子脉冲间隔。
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