CN103639603A - 基于共振吸收的高效率高精度激光微纳加工新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于共振吸收的高效率高精度激光微纳加工新方法，包括如下步骤：（1）将待加工工件放入电容器的两极板中间，电容器与电源和可变电压器串联；（2）采用激光器对工件预打孔处进行加热，同时开启电源，对于不同金属材料的工件，调节设定可变电压器的电压值，使得金属材料自由电子的固有频率接近激光的频率，达到共振吸收的目的，提高金属材料对激光的吸收率至最大。本发明对被加工金属材料施加外部电场来改变其表面自由电子的分布，使得自由电子的固有频率接近或等于激光的频率，最终两者发生共振，能够大幅度提高金属材料对激光的吸收，克服了传统激光微纳加工效率不高的不足。

Description

基于共振吸收的高效率高精度激光微纳加工新方法

技术领域

本发明涉及激光微纳加工技术，具体涉及一种基于共振吸收的激光微纳加工的方法。利用共振吸收原理，使金属自由电子的固有频率与激光的频率无限接近，此时，激光会被较好的吸收，尤其适用于铝合金、钛合金及镍基合金材料的高效率高精度微纳加工。

背景技术

微纳加工技术是指制造微小尺寸的零件,实现微米、亚微米至纳米量级加工精度的制造技术及其相关设备。从广义上来说,微纳加工技术包含了各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的新方法。目前,先进工业国都在开发高技术,高技术发展的需要推动着微纳加工技术的发展，微纳加工技术成果几乎能在所有产业中发挥作用。因此,先进工业国都把它看成技术和经济的命脉。随着半导体器件、金属印刷电路、微型机械、光通讯和集成电路等技术的发展,对更加精细图形和更高精度尺寸、形状加工要求愈加强烈,使微纳结构加工技术不断发展。在当今的工业生产中显得越来越重要,微纳结构加工技术已成为目前许多高科技技术领域的基础和前提,提高微纳加工中的加工尺寸、加工精度和加工速度已成为迫在眉睫的问题。

现有技术中，激光微纳加工是以激光为热源对工件材料进行加工，激光与物质相互作用是激光微纳加工的物理基础。激光与材料反应机理中光热作用占主导地位，在高能量密度的激光入射到工件表面时，不同频率的激光首先被材料吸收并转化为热能，然后产生升温、熔化、汽化、喷溅等一系列的雾化反应，以此来达到材料不同形式微纳加工的效果。这种传统的激光微纳加工方法已经有较长的历史，它具有许多明显的优点：如激光可直接写入结构，与加工材料无接触、无污染（这点在医学和生物学中尤其重要），对工件几乎无作用力，能在易变形的工件上打孔，可在硬、脆、软等各类材料上进行加工，速度快，经济效益高，适合数量多、高密度的微结构加工。这些优点使得激光微纳加工在当今国际领域中极其引人注目，具有十分诱人的应用前景。激光束直接照射工件材料表面时，光的辐射能一部分被吸收并对材料加热，一部分被反射，还有一部分因热传导而损失。不同工件材料对光波的吸收与反射，差别很大。尤其是金属材料对激光的反射率比较高（大多数金属材料的反射率为70%-95%），导致激光吸收率下降，加工效率也随之降低。另外，激光微纳加工设备昂贵，生产效率较低，导致使用成本较高，只能局限在技术含量较高的航空工业中使用，在汽车制造、机械加工等普通工业中无法应用。因此，在激光微纳加工技术中使用的上述加工方法尚有需要完善的地方，需要针对不同加工对象的特征来研究相关加工机理，获得材料对激光的最佳吸收效果。

专利号为CN200910248827.3的发明专利，名称为“带涂层钛合金激光打孔方法”，该发明提供一种可有效防止小孔周围涂层脱落的带涂层钛合金激光打孔方法，保证加工质量，提高加工效率。发明中采用的激光与带涂层钛合金相互作用的原理，其缺点是金属材料不能对激光进行选择性吸收，激光利用率低，光能不能很好地转换成热能，工件表面的加热速度发生了变化，不均匀的加热速度必然会对加工精度产生影响。

专利号为CN200910189291.2的发明专利，名称为“一种激光打孔方法及系统”，该发明提供了一种激光打孔方法及系统，用机床的注入功率调制激光脉冲宽度，机床打孔过程中可以根据打孔要求实时修改激光脉冲的宽度，使激光脉冲的功率随打孔要求变化，打孔质量高、速度快。不足之处是激光打孔系统包括采集模块、调制模块和打孔模块，不同模块耦合复杂，操作不便，设计制造成本高。

采用共振吸收的新加工方法，使得自由电子的固有频率接近激光的频率，两者产生共振，大大增加金属材料对激光的吸收，达到高效率（提高十倍以上）高精度的激光微纳加工就可以解决以上不足，而且避免了花费大量精力与物力在微纳加工激光系统的研发上。本发明就是利用对光波共振吸收的新方法，通过对被加工金属材料施加外部电场来调节自由电子的分布来增强金属材料对激光的吸收，达到激光光子与自由电子共振吸收的目的，能很好地提高加工效率和精度。

发明内容

本发明的目的是综合解决当前金属材料吸收率低，生产效率较低以及激光微纳加工设备昂贵，使用成本高的问题，提供一种基于共振吸收的高效率高精度激光微纳加工新方法。

共振是外加驱动力频率与振动系统固有频率相同时，出现振动系统振幅最大现象。从原子物理的观点来看，使激光脉冲的光子能量与金属材料中的电子跃迁的某一能级差相对应，可实现共振吸收。当自由电子的固有频率接近激光的频率、金属材料发生共振时，它的自由电子运动就会加剧，加剧的原因就是自由电子吸收了能量，从而激光光子与自由电子产生共振吸收，激光能量被金属材料较好地并有效地吸收利用。

本发明所采用的技术方案是：

基于共振吸收的高效率高精度激光微纳加工新方法，包括如下步骤：（1）将待加工工件放入电容器的两极板中间，电容器与电源和可变电压器串联；（2）采用激光器对工件预打孔处进行加热，同时开启电源，对于不同金属材料的工件，调节设定可变电压器的电压值，使得金属材料自由电子的固有频率接近激光的频率，达到共振吸收的目的，提高金属材料对激光的吸收率至最大。

金属材料中存在大量的自由电子，并且集中在金属表面，因此，对激光的吸收主要是由自由电子来完成的。通常情况下，自由电子的固有频率只有在接近激光的频率时激光才会被较好地吸收。金属自由电子的固有频率一般处在紫外到近红外波段，而当前用于激光微纳加工的大部分为处于远红外波段的激光，金属材料对远红外激光的高反射率对激光微纳加工是非常不利的。上述方法中所述改变金属材料固有频率为采用外加电场，使得金属表面自由电子重新分布，增加金属材料对激光的吸收率。

本发明的优点是：在待加工的金属材料上施加一个外电场，外加电场依据加工用激光频率改变金属材料自由电子的固有频率，使两者接近或相等，从而形成共振吸收，激光很好地被金属材料吸收，光能几乎全部转化成热能传递给工件材料，实现高效率高精度的激光微纳加工。这就克服了激光微纳加工效率不高的不足，而且不需要花费大量精力与物力在微纳加工激光系统的研发上。该方法具有高效率、高精度、操作简单、低成本等优点，进一步推动微纳加工技术的飞跃性发展，在未来工业批量化生产中将具有举足轻重的地位。经过本发明加工的金属材料零件，生产效率高和产品质量好，为金属零件的后续加工工艺流程奠定良好的基础。

附图说明

图1为激光微纳加工过程中金属材料外加电场原理图。

图2为激光打孔物理模型示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施进一步说明本发明的实质性特点，但本发明决非仅仅限于所述的实施例。

在金属材料激光微纳加工过程中，通过改变金属表面自由电子分布，降低金属表面被激光辐照区域的自由电子密度，提高激光对金属的吸收率，获得合适的自由电子的固有频率，即自由电子的固有频率无限接近激光频率,进而激光光子与自由电子形成共振吸收，通过改变金属材料的固有频率得到对光波共振吸收的新制造方法，最终实现高效、高精度的激光微纳加工。

图1是激光微纳加工过程中金属材料外加电场原理图。A,B为电容器的两极，并连上可变电压器，在电容中间放上待加工工件，工件尺寸为L×B×H,两端的面积为S₁=L×H，上下表面的面积为S₂=L×B，电容两极板之间的距离为d，U为两极板间的电势差，电容器两极板间的电场强度为：

$E=\frac{U}{d}---\left(1\right)$

电场中的工件内的电场为0，工件为等势体，工件两端感生的电势差U′为：

U′=E×H    （2）

则工件两端的电荷数q′为：

$q^{\′}=U^{\′}{C}^{\′}=E\×H\×\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{S}_1}{H}=E{\mathrm{\ϵ}}_r{S}_1={\mathrm{\ϵ}}_r{S}_1\frac{U}{d}---\left(3\right)$

式中，

为工件的电容，ε_r为工件的相对介电常数。由菲涅耳公式可知金属材料对激光的吸收率A为：

$A=2\sqrt{\frac{2\mathrm{\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\σ}}}=2\sqrt{\frac{2c{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\λ\σ}}}---\left(4\right)$

式中，σ，c，λ，ε₀分别为金属表面的自由电子的密度、光速、入射光波长、真空中的介电常数。

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\σ}}_0-\frac{q^{\′}}{1.6\×{10}^{-19}\×2S_2}={\mathrm{\σ}}_0-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{S}_{1}U}{3.2\×{10}^{-19}d{S}_2}---\left(5\right)$

式中，σ₀为工件未加电场前的表面自由电荷密度，将（5）式代入（4）式得：

$A=2\sqrt{\frac{2\mathrm{\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\σ}}}=2\sqrt{\frac{2c{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\λ}[{\mathrm{\σ}}_0-{\mathrm{\ϵ}}_r{S}_{1}U/3.2\×{10}^{-19}d{S}_2]}}---\left(6\right)$

加入电场后金属表面自由电子密度在一定程度减少后，激光得以透过表面自由电子的遮蔽进入金属内部，被金属材料吸收。从（6）式中可看出，金属的吸收率随着外加电压的变化而变化。因此，对于不同的金属材料，合理调节设定电压值，使得金属自由电子的固有频率接近激光的频率，达到共振吸收的目的，提高金属对激光的吸收率至最大。

具体实施步骤如下：

1.在激光微纳加工实验中，以加工微孔为例，选取不锈钢2Cr13为实验材料，工件尺寸为2.5mm×8mm×15mm，比热容为461J·kg^-1·K^-1,质量为3.86g，实验中用三维半导体泵浦纳秒激光器（RLA1504-AG/A），其波长为532nm，脉冲重复频率为1KHz，调整单脉冲能量到200μJ对工件中心进行加热，工件的温度随着辐照时间的增加而增加，工件材料被熔化、蒸发、汽化并溅出，形成小孔。

2.如图1激光微纳加工过程中金属材料外加电场原理图所示，将工件两端加0V-250V的电压，每隔25V改变一次电压值，使用电子显微镜测量微孔的孔深和孔径值并观察孔的几何形貌。

根据式（6）计算得到在不同电压下的激光吸收率，计算结果如表1所示。

表1不同电压下材料的激光吸收率

从实验结果可看出，金属材料的吸收率随着电压的增大而增大，孔深、孔径也增大，孔入口处的重铸层减少，打孔效率和质量均被提高。因此本发明提供了一种基于共振吸收的高效率高精度的激光微纳加工的新方法。本发明方法操作简便，容易实现，可重复性高，成本较低。

Claims (2)

1.基于共振吸收的高效率高精度激光微纳加工新方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将待加工工件放入电容器的两极板中间，电容器与电源和可变电压器串联；

（2）采用激光器对工件预打孔处进行加热，同时开启电源，对于不同金属材料的工件，调节设定可变电压器的电压值，使得金属材料自由电子的固有频率接近激光的频率，达到共振吸收的目的，提高金属材料对激光的吸收率至最大。

2.根据权利要求1所述的基于共振吸收的高效率高精度激光微纳加工新方法，其特征在于，所述待加工工件的材料为不锈钢2Cr13。

Images