CN102248308A - 利用激光空化微射流进行微加工的方法 - Google Patents

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郭钟宁
黄志刚
刘国跃
张永俊
邓宇
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Abstract

本发明公开了一种利用激光空化微射流进行微加工的方法，包括以下步骤：1)将待加工的工件置于液体中；2)激光束通过透镜组在工件附近的液体中聚焦，焦点处产生空化效应；3)空化效应引发指向工件的高速微射流，并同时产生高强度的微冲击波；4)高速微射流冲击到工件表面形成的极高压强对工件表面的材料形成破坏，高速微射流、微冲击波协同去除工件表面材料；5)在连续激光脉冲的作用下，并辅以激光头的纵向或横向进给，在工件上加工出微细表面结构。相比现有技术的激光蚀刻技术，本发明的热效应低，避免了工件的热损伤，同时在加工过程中不会产生加工飞溅物的重新沉积现象，可获得更高的加工精度，还有助于提高加工效率。

Description

利用激光空化微射流进行微加工的方法
技术领域
本发明涉及一种对微孔、微槽等微细表面结构进行微加工的方法，具体涉及一种利用激光空化微射流进行微加工的方法。
背景技术
在现有技术中，微孔、微槽等微细表面结构的加工通常都通过激光蚀刻技术完成。在激光蚀刻技术中，由于固体激光器发出的激光束具有较多的优良特性，激光微细加工的精度和效率都可以达到较高的水准。目前，利用激光蚀刻技术已经可以加工出直径为数十微米，径深比达到一比数十的优质小孔。当采用飞秒脉冲激光时，甚至可以加工出尺寸达到纳米级别的小孔和微结构。除激光蚀刻外，近年来也涌现了一些新颖的激光加工技术，如水射流导引激光加工，利用水流对激光进行约束(类似于光纤)，并导引激光束进行切割。
然而，由于上述激光加工技术的原理为材料的汽化去除，在加工过程中，热效应的存在会造成工件的热损伤，另外加工飞溅物的重新沉积，对加工精度和加工效率都具有一定的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种利用激光空化微射流进行微加工的方法，本发明的加工精度和加工效率较高，同时还避免了工件的热损伤。
本发明的目的是通过以下方案来实现的：一种利用激光空化微射流进行微加工的方法，包括以下步骤：
1)将待加工的工件置于液体中；
2)激光束通过透镜组在工件附近的液体中聚焦，焦点处产生空化效应；
3)空化效应引发指向工件的高速微射流，并同时产生高强度的微冲击波；
4)高速微射流冲击到工件表面形成的极高压强对工件表面的材料形成破坏，高速微射流、微冲击波协同去除工件表面材料；
5)在连续激光脉冲的作用下，并辅以激光头的纵向或横向进给，在工件上加工出微细表面结构。
在高速微射流作用于工件表面的材料之前，使激光束通过透镜组聚焦于工件表面，预热工件表面的材料，使工件表面的材料迅速软化或熔解。
通过光路设计使激光束产生两个相近的焦点，其中，一个焦点位于工件表面用于工件表面预热，另一个焦点位于工件附近的液体中用于产生空化效应。
通过透镜振动的方法将激光束的焦点的位置在工件表面与工件附近的液体之间不断变换，使激光束形成工件表面预热和空化的交替作用。
本发明的优点在于：相比现有技术的激光蚀刻技术，本发明的热效应低，避免了工件的热损伤，同时在加工过程中不会产生加工飞溅物的重新沉积现象，可获得更高的加工精度，还有助于提高加工效率。
附图说明
图1为本发明的利用激光空化微射流进行微加工的共焦加工方法的实施方式示意图；
图2为本发明的利用激光空化微射流进行微加工的分焦加工方法的实施方式示意图。
在图中：1-工件；2-液体；3-激光束；4-透镜组；5-空泡；6-高速微射流。
具体实施方式
下面通过附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，利用激光空化微射流进行微加工的方法，包括以下步骤：
1)将待加工的工件1置于液体2中；
2)激光束3通过透镜组4在工件1附近的液体2中聚焦，由于光学击穿效应，焦点处产生空泡5；
3)空泡5迅速扩张-收缩-溃灭，由于空泡5邻近工件1表面，其收缩方式为非对称收缩，其引发指向工件1的高速微射流6，并同时产生高强度的微冲击波；
4)视激光脉冲能量不同，射流速度可达数十到上千米每秒，高速微射流6冲击到工件1表面形成的极高压强对工件1表面的材料形成破坏，高速微射流6、微冲击波协同去除工件1表面材料；
5)在连续激光脉冲的作用下，并辅以激光头的纵向或横向进给，在工件1上加工出微细表面结构。
上述为共焦加工方法，为了使本发明的方法可以对陶瓷或硬质金属等难加工材料进行有效加工，要采用下述分焦加工方法。
如图2所示，在高速微射流6作用于工件1表面的材料之前，使激光束3通过透镜组4聚焦于工件1表面，预热工件1表面的材料，使工件1表面的材料迅速软化或熔解。分焦加工方法通过两种具体方法实现：
第一种方法为通过光路设计使激光束3产生两个相近的焦点，其中，一个焦点位于工件1表面用于工件1表面预热，另一个焦点位于工件1附近的液体2中用于产生空化效应。
第二种方法为通过透镜振动的方法将激光束3的焦点的位置在工件1表面与工件1附近的液体2之间不断变换，使激光束3形成工件1表面预热和空化的交替作用。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.一种利用激光空化微射流进行微加工的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将待加工的工件置于液体中；
2)激光束通过透镜组在工件附近的液体中聚焦，焦点处产生空化效应；
3)空化效应引发指向工件的高速微射流，并同时产生高强度的微冲击波；
4)高速微射流冲击到工件表面形成的极高压强对工件表面的材料形成破坏，高速微射流、微冲击波协同去除工件表面材料；
5)在连续激光脉冲的作用下，并辅以激光头的纵向或横向进给，在工件上加工出微细表面结构。
2.按照权利要求1所述的利用激光空化微射流进行微加工的方法，其特征在于：在高速微射流作用于工件表面的材料之前，使激光束通过透镜组聚焦于工件表面，预热工件表面的材料，使工件表面的材料迅速软化或熔解。
3.按照权利要求2所述的利用激光空化微射流进行微加工的方法，其特征在于：通过光路设计使激光束产生两个相近的焦点，其中，一个焦点位于工件表面用于工件表面预热，另一个焦点位于工件附近的液体中用于产生空化效应。
4.按照权利要求2所述的利用激光空化微射流进行微加工的方法，其特征在于：通过透镜振动的方法将激光束的焦点的位置在工件表面与工件附近的液体之间不断变换，使激光束形成工件表面预热和空化的交替作用。
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