CN102059451A

CN102059451A - 纳飞秒双激光复合加工系统

Info

Publication number: CN102059451A
Application number: CN2010105354432A
Authority: CN
Inventors: 姜澜; 蔡海龙
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2011-05-18

Abstract

本发明涉及一种纳飞秒双激光复合加工系统。包括飞秒激光器、纳秒激光器、同步控制电路、照明光源、半透半反镜、第一二向色镜、第二二向色镜、聚焦透镜和CCD图像探测器。同步控制电路控制飞秒激光器和纳秒激光器的激光脉冲输出，在时间上精确调节纳秒与飞秒脉冲的相对时间使二者脉冲的前沿同步；照明光源位于半透半反镜的一侧，另一侧为第二二向色镜、第一二向色镜和聚焦透镜依次同轴放置，并与照明光源位于一条直线上；CCD图像探测器位于半透半反镜的反射光路末端。本发明同时集合了飞秒激光加工精度高和纳秒激光加工效率高的优点，实现了高精度、高效率可兼顾的微纳加工；可广泛应用于航空、航天关键零件的高精度加工、激光核聚变点火靶的微结构加工、微型传感器微结构加工等领域。

Description

纳飞秒双激光复合加工系统

技术领域

本发明涉及一种纳飞秒双激光复合加工系统，属于超快激光与微纳加工技术领域。

背景技术

微小型化是制造、生物、环境、信息、医疗器件等领域的普遍发展趋势。激光是理想的微/纳制造工具之一，具有三维可控制、精度高、灵活、无接触、无污染、材料适应性强等特点。激光微/纳制造是一个前沿的交叉学科领域，涉及机械、光学、物理、化学、材料、信息等，可用于制造微/纳尺度的机电系统、光电器件、能源器件、传感器、执行器、流体系统、光纤通讯系统、生物医疗/诊断仪器、芯片实验室等。在美欧日等国家和地区已受到广泛关注，并在应用及基础理论方面取得了长足的发展。

纳秒、飞秒等超快激光相对于毫秒、微秒等长脉冲激光以及连续激光脉冲宽度更窄，其热效应更小、可控性更好、适应性更强，尤其适合微纳尺度加工。在单光束直写加工过程中，纳秒激光加工具有速度快，加工效率高等优点，但受限于衍射极限，加工精度为微米级，更适于微米制造。飞秒激光加工非金属材料具有多光子吸收和强阈值效应，可得到小于衍射极限的加工精度，但加工效率很低。因此采用不同激光在微纳加工的不同尺度下很难同时兼顾加工精度和效率，这制约了激光微/纳制造的应用发展。

发明内容

本发明的目的是克服现有微纳加工技术不能同时兼顾加工精度和效率的不足，提供一种纳飞秒双激光复合加工系统，可同时提高微纳加工精度和效率。

本发明的纳飞秒双激光复合加工系统包括飞秒激光器、纳秒激光器、同步控制电路、照明光源、半透半反镜、第一二向色镜、第二二向色镜、聚焦透镜和CCD图像探测器。

本发明各部分之间的连接关系为：飞秒激光器和纳秒激光器分别通过信号控制线与同步控制电路相连；照明光源位于半透半反镜的一侧，另一侧为第二二向色镜、第一二向色镜和聚焦透镜依次同轴放置，并与照明光源位于一条直线上；CCD图像探测器位于半透半反镜的反射光路末端，该反射光路轴线与第一二向色镜、第二二向色镜、聚焦透镜的轴线垂直。

同步控制电路的作用为控制飞秒激光器和纳秒激光器的激光脉冲输出，在时间上精确调节纳秒与飞秒脉冲的相对时间使二者脉冲的前沿同步。

飞秒激光器采用通用的飞秒激光器，其作用为提供超快加工热源，提高加工精度，并通过产生种子自由电子瞬时局部改变加工材料的特性。

纳秒激光器采用通用的纳秒激光器，其作用为提供加工所需的大部分能量。

照明光源采用普通的白光光源，其作用是照亮非金属样品表面，为CCD图像探测器获得非金属样品表面的显微图像提供照明光。

半透半反镜可使照射的照明光分成能量相同的两部分，一部分被半透半反镜反射至CCD图像探测器接收，另一部分透过半透半反镜照亮非金属样品表面，而从非金属样品表面反射的照明光又返回被半透半反镜反射至CCD图像探测器接收。

第一二向色镜和第二二向色镜的作用是使某一波长范围内的激光不能透射，而其他波长的激光能够透射。其中第一二向色镜不能透射、只能反射飞秒激光器出射的该波长的飞秒激光，同时其他波长的光能够透射，其能量阈值要求大于飞秒激光的能量；第二二向色镜不能透射、只能反射纳秒激光器出射的该波长的纳秒激光，同时其他波长的光能够透射，其能量阈值要求大于纳秒激光的能量。

聚焦透镜可采用单个的透镜，也可采用商用的聚焦物镜，其作用是使飞秒激光束、纳秒激光束和照明光光束聚焦到非金属样品表面，其能量阈值要求大于飞秒激光和纳秒激光的能量。

CCD图像探测器可采用商用的高分辨率CCD产品，其作用是接收从非金属样品表面反射的照明光并进行成像，从而获得非金属样品表面被加工处的显微结构图。

本发明的纳飞秒双激光复合加工系统的工作过程为：

首先，进行加工前的共轴校准。照明光源出射的照明光依次通过半透半反镜、第二二向色镜、第一二向色镜和聚焦透镜照射到待加工非金属样品表面，反射光按原路返回直至半透半反镜，被其反射后被CCD图像探测器接收，根据接收图像判断样品表面是否处于聚焦焦点处。

然后，进行加工过程。采用同步控制电路在时间上精确调节纳秒激光器和飞秒激光器出射脉冲的相对时间使二者脉冲的前沿同步，从飞秒激光器出射并经第一二向色镜反射的飞秒激光与从纳秒激光器出射并经第二二向色镜反射的纳秒激光共光轴，共光路的纳秒和飞秒激光再经聚焦透镜聚焦后照射到待加工非金属样品上；当飞秒激光和纳秒激光的脉冲前沿同时到达非金属样品表面时，飞秒激光将首先在材料中将电子激发，产生自由电子，非金属在瞬间内转变为具有金属特性的等离子体。由于纳秒激光的脉冲宽度远远大于飞秒激光的脉冲宽度(10⁶倍)，在一个周期内，飞秒脉冲结束后，纳秒激光继续照射材料，之前由飞秒激光产生的已形成金属性质的该部分材料吸收纳秒激光脉冲的能量，进而形成永久的材料去除，最终完成材料的加工。

有益效果

本发明采用纳飞秒双激光复合加工技术，同时集合了飞秒激光加工精度高和纳秒激光加工效率高的优点，从而实现了高精度、高效率可兼顾的微纳加工。可广泛应用于航空、航天关键零件的高精度加工、激光核聚变点火靶的微结构加工、微型传感器微结构加工等领域。

附图说明

图1为本发明纳飞秒双激光复合加工系统的光路原理图；

图2为本发明中飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲的时序同步示意图；

图3为具体实施方式中用纳飞秒双激光复合加工系统熔融石英微孔的实验效果比较图；其中(a)为只采用飞秒激光加工的效果图，(b)为只采用纳秒激光加工的效果图，(c)为同时采用飞秒激光和纳秒激光(时间间隔为飞秒脉冲落后纳秒脉冲60ns)加工的效果图，(d)为同时采用飞秒激光和纳秒激光(时间间隔为飞秒脉冲落后纳秒脉冲30ns)加工的效果图，(e)为同时采用飞秒激光和纳秒激光(脉冲时间重合)加工的效果图，(f)为同时采用飞秒激光和纳秒激光(时间间隔为飞秒脉冲领先纳秒脉冲30ns)加工的效果图，(g)为同时采用飞秒激光和纳秒激光(时间间隔为飞秒脉冲领先纳秒脉冲60ns)加工的效果图，(h)为四种加工方式的效果图表(单位：微米)。

标号说明

1-同步控制电路、2-飞秒激光器、3-纳秒激光器、4-照明光源、5-CCD图像探测器、6-半透半反镜、7-第二二向色镜、8-第一二向色镜、9-聚焦透镜、10-非金属待加工样品。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的纳飞秒双激光复合加工系统如图1所示，飞秒激光器2和纳秒激光器3分别通过信号控制线与同步控制电路1相连；照明光源4位于半透半反镜6的一侧，另一侧为第二二向色镜7、第一二向色镜8和聚焦透镜9依次同轴放置，并与照明光源4位于一条直线上；CCD图像探测器5位于半透半反镜6的反射光路上，该反射光路轴线与第一二向色镜8、第二二向色镜7、聚焦透镜9的轴线垂直。

本实施例选用钛-蓝宝石飞秒激光器，中心波长为800nm，脉冲宽度120fs，出射的飞秒激光脉冲被第一二向色镜8反射，第一二向色镜不能透射而只能反射800nm波长附近的激光，同时其他波长范围的激光能够透射。被反射的飞秒激光脉冲被聚焦透镜9聚焦后照射到非金属待加工样品10表面。纳秒激光器选用Nd:YAG激光器，中心波长为355nm，脉冲宽度为30ns，出射的纳秒激光脉冲被第二二向色镜7反射，第二二向色镜7不能透射而只能反射355nm波长附近的激光，同时其他波长范围的激光能够透射。被反射的纳秒激光脉冲透射经过第一二向色镜8并与前面的飞秒激光脉冲共光路，被聚焦透镜9聚焦后照射到非金属待加工样品10表面，在本实施例中非金属待加工样品为熔融石英。同步控制电路1与飞秒激光器2和纳秒激光器3的控制器相连，在时间上可精确调节纳秒与飞秒脉冲的相对时间。照明光源4出射的照明光依次通过半透半反镜6、第二二向色镜7、第一二向色镜8和聚焦透镜9照射到样品表面，反射光按原路返回直至半透半反镜6，被其反射后被CCD图像探测器5接收，其图像用于加工前对样品表面进行聚焦调整时的观察。同步控制电路1精确调节纳秒与飞秒脉冲的相对时间使二者脉冲的前沿同步，如图2所示。这样，当飞秒脉冲和纳秒脉冲的前沿同时到达样品表面时，飞秒激光在120fs的超短时间内将首先将样品硅原子中的电子激发，产生自由电子，硅原子在瞬间内转变为具有金属特性的等离子体。120fs后，飞秒脉冲结束，纳秒激光继续照射材料，之前由飞秒激光产生的已形成金属性质的部分吸收纳秒激光脉冲的能量，进而形成永久的材料去除，最终完成熔融石英的加工。

图3为采用本实施例的纳飞秒双激光复合加工系统在不同时间间隔下进行熔融石英微孔加工以及只采用现有的单一飞秒激光或纳秒激光技术加工的效果比较图。从图3的加工效果照片可以看出，当飞秒脉冲和纳秒脉冲重合即时间间隔为零时，微孔的深度最大，材料去除最多，加工效果最好，如图3(e)所示。从图3(h)的加工效果比较图中也可以看出：随着飞秒脉冲领先或落后纳秒脉冲的时间间隔的增大，微孔加工的难度提高了。所以本发明纳飞秒双激光复合加工系统当飞秒脉冲和纳秒脉冲重合时加工效果最佳。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，例如采用不同类型的飞秒、纳秒激光器，在飞秒和纳米激光器输出光路中加入光学参量放大器、衰减器、脉冲调制器等用于改变激光波长、能量、脉冲宽度、脉冲间隔等进一步优化提高加工精度的措施。但是，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.纳飞秒双激光复合加工系统，其特征在于：包括飞秒激光器、纳秒激光器、同步控制电路、照明光源、半透半反镜、第一二向色镜、第二二向色镜、聚焦透镜和CCD图像探测器；

上述各部分之间的连接关系为：飞秒激光器和纳秒激光器分别通过信号控制线与同步控制电路相连；照明光源位于半透半反镜的一侧，另一侧为第二二向色镜、第一二向色镜和聚焦透镜依次同轴放置，并与照明光源位于一条直线上；CCD图像探测器位于半透半反镜的反射光路末端，该反射光路轴线与第一二向色镜、第二二向色镜、聚焦透镜的轴线垂直。

2.根据权利要求1所述的纳飞秒双激光复合加工系统，其特征在于：所述的同步控制电路用于控制飞秒激光器和纳秒激光器的激光脉冲输出，使二者脉冲的前沿同步。

3.根据权利要求1所述的纳飞秒双激光复合加工系统，其特征在于：所述的飞秒激光器提供加工热源，并通过产生种子自由电子瞬时局部改变加工材料的特性。

4.根据权利要求1所述的纳飞秒双激光复合加工系统，其特征在于：所述的半透半反镜使照射的照明光分成能量相同的两部分，一部分被半透半反镜反射至CCD图像探测器接收，另一部分透过半透半反镜照亮非金属样品表面，从非金属样品表面反射的照明光又返回被半透半反镜反射至CCD图像探测器接收。

5.根据权利要求1所述的纳飞秒双激光复合加工系统，其特征在于：所述的第一二向色镜和第二二向色镜使一定波长范围内的激光不能透射，而其他波长的激光能够透射；其中第一二向色镜不能透射、只能反射飞秒激光器出射的该波长的飞秒激光，同时其他波长的光能够透射，其能量阈值大于飞秒激光的能量；第二二向色镜不能透射、只能反射纳秒激光器出射的该波长的纳秒激光，同时其他波长的光能够透射，其能量阈值大于纳秒激光的能量。

6.根据权利要求1所述的纳飞秒双激光复合加工系统，其特征在于：所述的聚焦透镜使飞秒激光束、纳秒激光束和照明光光束聚焦到非金属样品表面，其能量阈值大于飞秒激光和纳秒激光的能量。

7.根据权利要求1所述的纳飞秒双激光复合加工系统，其特征在于：所述的CCD图像探测器接收从非金属样品表面反射的照明光并进行成像，从而获得非金属样品表面被加工处的显微结构图。