CN102319960A

CN102319960A - 超短脉冲激光制作金属薄膜群孔的装置及其方法

Info

Publication number: CN102319960A
Application number: CN201110211814A
Authority: CN
Inventors: 赵裕兴; 狄建科; 张伟
Original assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Current assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明涉及超短脉冲激光制作金属薄膜群孔的装置及方法，高频率短脉冲激光器的输出端布置有光闸，光闸的输出端设置有扩束镜，扩束镜的输出端布置有45度全反射镜，45度全反射镜的输出端依次布置有振镜和扫描场镜，扫描场镜正对于工作平台，工作平台的上方布置有CCD对位观察系统，工作平台上安装有一组夹紧气缸，工作平台的一侧布置有吹气系统，工作平台的另一侧安装有集尘系统，工作平台的下方也安装有集尘系统。通过对超短脉冲激光器进行光学聚焦，使焦点在金属薄膜材料上，高效运用激光器的能量；通过控制超短脉冲激光器的脉冲个数和脉冲之间持续时间，调制出形成每个金属薄膜孔径的脉冲个数和时间，依次加工每个金属薄膜上所需孔径。

Description

超短脉冲激光制作金属薄膜群孔的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种超短脉冲激光制作金属薄膜群孔的装置及其方法，属于激光微加工技术领域。

背景技术

目前群孔制作方法有电子束打孔、电火花腐蚀打孔、电化学打孔、螺旋状打孔和超声波打孔。电子束打孔加工材料固定为金属材料，加工装置只能在真空中进行，否则电子在与原子进行碰撞时被制动，然后发生转向。电火花腐蚀打孔方法加工材料只能为导电材料，打孔速度较慢，整体加工费用较高。电化学打孔的装置需要在液态电解液中加工，但是加工工序复杂繁琐，制作孔的周期较长。螺旋状打孔通过切削方式去除材料，但是钻头的质量要求较高，且非常容易损耗钻头，维护费用较为昂贵。超声波打孔容易对基材产生微细裂纹，对基材损伤，加工应用限制较为严格。

激光打孔技术的定义以激光束为热源，采用热去除方法进行材料分离技术，从而形成特定的孔径的材料加工方法。激光束被聚焦在材料表面，使得材料表面温度急剧升高而达到材料的蒸发气化状态，从而实现材料的去除，包含了材料对光束能量的吸收和材料中的热传导过程，在这个过程中，材料被加热发生急剧气化的过程，主要取决于激光与材料作用时间和激光光束强度。

由于汽车工业的燃油过滤器、流体泵工业金属过滤器产品和航空航天气动元件工业上的持续增长需求，对于金属薄膜的群孔制作有较高精度和较高效率的加工要求，传统的加工方法无法实现，因此，特别需要一种突破传统制作技术的加工群孔的方法和装置，而激光作为现代工业中先进的加工手段，越发受到各个行业的重视，通过激光来实现制作金属薄膜群孔的可行性和实用性也得到越来越多的验证，但是目前还尚未有一种能高效率和高精度制作金属薄膜去群孔的制作装备和工艺方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种超短脉冲激光制作金属薄膜群孔的装置，解决目前微加工中加工效率低、易产生耗材和选择性不强等问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

超短脉冲激光制作金属薄膜群孔的装置，特点是：高频率短脉冲激光器的输出端布置有光闸，光闸的输出端设置有扩束镜，扩束镜的输出端布置有45度全反射镜，45度全反射镜的输出端依次布置有振镜和扫描场镜，扫描场镜正对于工作平台，所述工作平台的上方布置有CCD对位观察系统，所述工作平台上安装有一组夹紧气缸，所述工作平台的一侧布置有吹气系统，工作平台的另一侧安装有集尘系统，工作平台的下方也安装有集尘系统。

进一步地，上述的超短脉冲激光制作金属薄膜群孔的装置，所述高频率短脉冲激光器是波长为<355nm紫外或深紫外、脉宽在100fs～100ns、频率在10KHz～50MHz的激光器。

本发明制作金属薄膜群孔的方法，加工前激光焦点聚焦于金属薄膜的上表面，高频率短脉冲激光器发出的激光经光闸控制开关光，光闸控制激光光束后经过扩束镜对光束进行同轴扩束，改善光束传播的发散角使光路准直，扩束后的光束到达45度全反射镜，光路垂直改向，继而到达振镜和扫描场镜，扫描图形转化为数字信号，图形转化在工作平台上的金属薄膜上进行打孔，金属薄膜由夹紧气缸夹紧拉平，金属薄膜位于同一聚焦平面上，CCD对位观察系统将导入的定位标拍摄并抓取靶标，蚀刻产生的粉尘由吹气系统产生气流，并根据振镜扫描角度和激光焦距确定吹气角度，由集尘系统吸气收集粉尘。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明通过对超短脉冲激光器进行光学聚焦，使其光学聚焦焦点在被加工的金属薄膜材料上，实现最优化的高效运用激光器的能量；通过控制系统来控制超短脉冲激光器的脉冲个数和脉冲之间持续时间，最终调制出形成每个金属薄膜孔径的脉冲个数和脉冲时间；通过控制系统，分别依次加工每个金属薄膜上所需孔径，最终完成整个薄膜上所有孔径的加工工艺；加工过程中辅助吹气、吸气装置，以获得较为高质量、高效率的群孔制作工艺。加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的结构示意图。

图中各附图标记的含义：

1—高频率短脉冲激光器；2—光闸；3—扩束镜；4—45度全反射镜；5—振镜；6—扫描场镜；7—CCD对位观察系统；8—夹紧气缸；9—工作平台； 10—吹气系统；11—集尘系统；12—金属薄膜。

具体实施方式

本发明利用调制脉冲激光器脉冲的光路聚焦系统，对金属薄膜进行群孔的工艺制作，以得到稳定高效的金属薄膜群孔产品。

如图1所示，超短脉冲激光制作金属薄膜群孔的装置，高频率短脉冲激光器1的输出端布置有光闸2，所述高频率短脉冲激光器是波长为<355nm紫外或深紫外、脉宽在100fs～100ns、频率在10KHz～50MHz的激光器，光闸2的输出端设置有扩束镜3，扩束镜3的输出端布置有45度全反射镜4，45度全反射镜4的输出端依次布置有振镜5和扫描场镜6，扫描场镜6正对于工作平台9，工作平台9的上方布置有CCD对位观察系统7，工作平台9上安装有一组夹紧气缸8，工作平台9的一侧布置有吹气系统10，工作平台10的另一侧安装有集尘系统11，工作平台10的下方也安装有集尘系统。

上述装置用于制作金属薄膜群孔时，加工前激光焦点聚焦位于金属薄膜的上表面，高频率短脉冲激光器1发出的激光经光闸2控制开关光，具体可由软件控制感应信号来控制光闸2的开启和关闭，光闸2控制激光光束后经过扩束镜3对光束进行同轴扩束，改善光束传播的发散角使光路准直，控制激光最终聚焦光斑的大小，使得到理想的光斑大小，从而实现激光稳定钻孔的目的；扩束后的光束到达45度全反射镜4，光路垂直改向，继而到达振镜5和扫描场镜6，扫描图形转化为数字信号，图形转化在工作平台9上的金属薄膜12上进行打孔，当然，金属薄膜12被夹紧气缸8夹紧拉平，使金属薄膜12在同一聚焦平面上；蚀刻产生的粉尘由吹气系统10产生气流，并根据振镜扫描角度和激光焦距确定吹气角度， CCD对位观察系统7将导入的定位标拍摄并抓取靶标，然后软件处理控制激光器开始出光加工。此时，吹气系统10和集尘系统11开始工作，吹气角度是根据振镜扫描角度和激光焦距计算得来，使其在特定的吹起角度下配合大流量集尘器达到最佳集尘效果。

超短脉冲激光短于绝大多数化学和物理反应（比如机械和热力学）的特征时间，峰值功率极高，由于超短激光脉冲与物质相互中独特的多光子吸收过程，其加工精度可以突破相干极限的瓶颈，从而使纳米加工和相应微/纳电子、微/纳光学的许多构想成为可能。超快激光脉冲序列可以控制电离过程、选择性地电离原子、控制分子中基态转动等。本发明通过超快脉冲序列设计（调节单个脉冲的能量和脉冲间的延迟）来控制被加工材料电子吸收激光光子的过程（选择性激发/电离），进而控制相变过程，提高加工精度。

对超短脉冲激光器进行光学聚焦，使其光学聚焦焦点在被加工的金属薄膜材料上，实现最优化的高效运用激光器的能量；通过控制系统来控制超短脉冲激光器的脉冲个数和脉冲之间持续时间，最终调制出形成每个金属薄膜孔径的脉冲个数和脉冲时间；通过控制系统，分别依次加工每个金属薄膜上所需孔径，最终完成整个薄膜上所有孔径的加工工艺；加工过程中辅助吹气、吸气装置，以获得较为高质量、高效率的群孔制作工艺。

本发明加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.超短脉冲激光制作金属薄膜群孔的装置，其特征在于：高频率短脉冲激光器（1）的输出端布置有光闸（2），光闸（2）的输出端设置有扩束镜（3），扩束镜（3）的输出端布置有45度全反射镜（4），45度全反射镜（4）的输出端依次布置有振镜（5）和扫描场镜（6），扫描场镜（6）正对于工作平台（9），所述工作平台（9）的上方布置有CCD对位观察系统（7），所述工作平台（9）上安装有一组夹紧气缸（8），所述工作平台（9）的一侧布置有吹气系统（10），工作平台（10）的另一侧安装有集尘系统（11），工作平台（10）的下方也安装有集尘系统。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲激光制作金属薄膜群孔的装置，其特征在于：所述高频率短脉冲激光器是波长为<355nm紫外或深紫外、脉宽在100fs～100ns、频率在10KHz～50MHz的激光器。

3.利用权利要求1所述装置制作金属薄膜群孔的方法，其特征在于：加工前激光焦点聚焦于金属薄膜的上表面，高频率短脉冲激光器（1）发出的激光经光闸（2）控制开关光，光闸（2）控制激光光束后经过扩束镜（3）对光束进行同轴扩束，改善光束传播的发散角使光路准直，扩束后的光束到达45度全反射镜（4），光路垂直改向，继而到达振镜（5）和扫描场镜（6），扫描图形转化为数字信号，图形转化在工作平台（9）上的金属薄膜（12）上进行打孔，金属薄膜（12）由夹紧气缸（8）夹紧拉平，金属薄膜（12）位于同一聚焦平面上，CCD对位观察系统（7）将导入的定位标拍摄并抓取靶标，蚀刻产生的粉尘由吹气系统（10）产生气流，并根据振镜扫描角度和激光焦距确定吹气角度，由集尘系统（11）吸气收集粉尘。