CN104096979A - 一种基于静电场辅助的激光加工工艺及其加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静电场辅助的激光加工工艺及其加工装置，包括：激光器、集成激光头，以及用于放置样品的运动平台，集成激光头的出光口位于运动平台的上端；集成激光头包括：圆柱形后端体，以及安装于圆柱形后端体前端的圆锥形前端体，圆柱形后端体与圆锥形前端体之间绝缘连接，圆柱形后端体中安装有用于聚焦激光束的激光束准直与聚焦系统，且圆柱形后端体的侧壁上开设有向圆柱形后端体中通入辅助气体的气体入口；圆锥形前端体上连接有直流电源的负极，直流电源的正极与样品连接，形成辅助强电场，使得样品表面的原子所受束缚力减弱，激光能够容易地对材料实现分层剥离，剥离产物迅速被辅助气流带走，有效避免了热量在材料中的积累。

Description

一种基于静电场辅助的激光加工工艺及其加工装置

技术领域

本发明涉及一种微纳结构的激光精密加工方法领域，具体涉及一种基于静电场辅助的激光加工工艺及其加工装置。

背景技术

激光技术是上世纪六十年代出现而且发展极为迅速的一门高新技术科学。它的发展与渗透，不但影响了人类生活的方方面面，而且带动了其它学科和技术的发展，激光技术已成为本世纪高新技术产业的主要支柱之一。

由于激光具有高亮度、高单色性、高方向性和高相干性等特点，可以被聚焦在数十微米直径的光斑范围内，聚焦后的功率密度最高可超过1020W/cm2，如此高的能量在极短的时间内作用于材料表面或内部，使辐照范围内靶材瞬间发生气化分离，因此激光可以作为一种精密去材加工的理想工具。

激光加工技术因其高效、高精度、低使用成本、加工不受材料限制、易与数控设备集成实现自动化等优点，近年来成为国内外学者研究的热点，并已在航空航天、国防工业、精密仪器、微电子机械系统(MEMS)等领域得到了普遍应用。目前常用的激光微加工技术有激光直写微细加工和激光LIGA技术，其中脉冲激光直写微细加工MEMS器件中最成功的例子就是喷墨打印头的加工，此外，有还有掩膜板和微流控芯片的加工。

虽然激光加工具有诸多优点，但严格说来，这种加工方法仍属于热加工，即都是通过材料吸收激光能量后熔化和气化达到去除材料的目的，即使超快激光也不能完全避免在基体中产生热影响区和残余熔化物。这种固有缺陷的存在影响了激光加工的精度和表面质量，使微纳结构的整体质量下降。

在激光加工中，气化蒸发、平衡沸腾与液相爆破为去除材料的三种主要方式，相关研究表明液相爆破是超快激光加工中去除材料最合适的机理。对于金属材料，激光与物质相互作用过程包括：自由电子吸收光子能量被激发，并发生散射向外辐射声子，将能量传递给晶格(电子-晶格耦合)，在电子与声子达到热平衡之后，通过电子漂移与晶格－晶格耦合，热量向材料周围扩散。当材料中能量沉积的足够高时，离子实(晶格)强烈振动并逐渐摆脱金属键能的束缚，材料开始发生熔化。随着激光能量的继续沉积，液态材料产生过热，发生液相爆破，同时伴随着强烈气化，实现材料与基体的分离。但由于时间与空间对能量分布的影响，加工结果也会有所不同

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明提供了一种基于静电场辅助的激光加工工艺及其加工装置，该方法的加工效率高，加工质量好，加工区周围无热影响无残余熔化物，能够得到轮廓清晰、表面光整的微结构。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

一种基于静电场辅助的激光加工装置，包括：激光器、集成激光头，以及用于放置样品的运动平台，其中，激光器的输出端口与集成激光头的入口同轴设置，集成激光头的出光口位于运动平台的上端；

集成激光头包括：圆柱形后端体，以及安装于圆柱形后端体前端的圆锥形前端体，圆柱形后端体与圆锥形前端体之间绝缘连接，圆柱形后端体中安装有用于聚焦激光束的激光束准直与聚焦系统，且圆柱形后端体的侧壁上开设有向圆柱形后端体中通入辅助气体的气体入口；圆锥形前端体上连接有直流电源的负极，直流电源的正极与样品连接。

所述激光束准直与聚焦系统包括：装于圆柱形后端体中的若干组同轴凸透镜，所述若干组同轴凸透镜将激光束聚焦在圆锥形前端体出光口外0.2mm-1.0mm处。

所述圆柱形后端体的中安装有三组同轴凸透镜，从圆柱形后端体的入口依次为第一凸透镜、第二凸透镜，以及第三凸透镜，第一凸透镜和第二凸透镜焦点重合，第三凸透镜将激光束聚焦在圆锥形前端体出光口外0.2mm-1.0mm处。

所述圆锥形前端体的出光口直径小于1.5mm。

所述激光器的输出端口处安装有用于控制激光束通断的激光光闸，激光器上连接有用于控制激光参数的第一计算机。

还包括用于控制运动平台运动、激光光闸开关，以及直流电源开关的第二计算机。

所述直流电源的电压为10V-100V。

所述圆柱形后端体前端安装有绝缘件，绝缘件通过螺纹配合将圆锥形前端体与圆柱形后端体连为一体。

一种基于静电场辅助的激光加工装置的加工工艺，包括以下步骤：

1)调整激光器与集成激光头在同一轴线上；调整运动平台，使样品上表面与集成激光头端面间隙在0.2-1.0mm范围内，激光光束焦点处在样品上表面；设定直流电源的电压值，并将直流电源的开关初始态设定为断开；

2)打开辅助气体阀门，使得辅助气体通过气体入口进入圆柱形后端体，待气流稳定后接通直流电源，等待电场稳定后，激光器开启，然后驱动运动平台运动，最后完成加工；

3)加工完成后，先停止运动平台运动，再关闭激光器，随后断开直流电源，最后关闭辅助气体阀门。

与现有技术比较，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种基于静电场辅助的激光加工工艺及其加工装置，在激光器的出光口设置集成激光头，并在集成激光头的前端安装直流电源，形成辅助强电场，使得样品材料表面的原子所受束缚力减弱，使超快激光能够更容易地对材料实现分层剥离，剥离产物迅速被辅助气流带走，有效避免了热量在材料中的积累，最终能够得到轮廓清晰、表面光整的微结构，并且加工效率不受影响。

本发明提供的加工工艺，在激光加工过程中借鉴电解加工，加入强静电场，使样品做阳极，使得样品材料表面的原子会因为金属键能降低、自由电子云密度减小，而始终显出正电极性，使样品材料表层原子更容易被激光能量去除，进而降低加工过程中热量在基体内部的传播和积累，减小热影响区范围，提高了样品加工的质量。

附图说明

图1是本发明电场辅助的激光微纳加工系统整体组成；

图2是本发明集成激光头的结构示意图；

图3是本发明集成激光头前端与样件之间形成静电场仿真图；

图4是本发明图3的部放大图；

图5是本发明加工过程中静电场场强分布的仿真。

图中，1为激光器，2集成激光头，3为运动平台，4为激光光闸，5为第一计算机，6为第二计算机，2-1为圆柱形后端体，2-2为圆锥形前端体，2-3为气体入口，2-4为直流电源，2-5为第一凸透镜，2-6为第二凸透镜，2-7为第三凸透镜，2-8为绝缘件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于静电场辅助的激光加工装置，包括：激光器1、集成激光头2，以及用于放置样品的运动平台3，其中，激光器1的输出端口与集成激光头2的入口同轴设置，集成激光头2的出光口位于运动平台3的上端；

如图2所示，集成激光头2包括：圆柱形后端体2-1，以及安装于圆柱形后端体2-1前端的圆锥形前端体2-2，对于集成激光头2具体结构为：

1、聚焦要求：为了提高激光束聚焦质量，将准直与聚焦系统集成设计在集成激光头内部，其中，圆柱形后端体2-1中安装有用于聚焦激光束的激光束准直与聚焦系统，所述激光束准直与聚焦系统包括：装于圆柱形后端体2-1中的若干组同轴凸透镜，所述若干组同轴凸透镜将激光束聚焦在圆锥形前端体2-2出光口外0.2mm-1.0mm处，示例性的，所述圆柱形后端体2-1的中安装有三组同轴凸透镜，从圆柱形后端体2-1的入口依次为第一凸透镜2-5、第二凸透镜2-6，以及第三凸透镜2-7，第一凸透镜2-5和第二凸透镜2-6焦点重合，第三凸透镜2-7将激光束聚焦在圆锥形前端体2-2出光口外0.2mm-1.0mm处。优选的，在圆柱形后端体2-1中设置内套微调透镜组，通过内套微调透镜组来改变焦点位置；

2、辅助气流要求：为了将加工中产生的粉尘带走，在集成激光头中设计可充入高压气体的的接口和通道，使气流吹出方向与激光束平行。圆柱形后端体2-1的侧壁上开设有向圆柱形后端体2-1中通入辅助气体的气体入口2-3。

3、匀强电场要求：本发明的重点为对激光头前端做特殊设计，使其具有大的端面和直径小于1.5mm的出光口，圆锥形前端体2-2上连接有直流电源2-4的负极，直流电源2-4的正极与样品连接，样品与圆锥形前端体2-2平行放置，间距小于1mm，直流电源电压可在10-100V范围内连续调节；电场电源开头通过运动程序控制，以便在圆锥形前端体2-2与样件之间生成均匀且范围较大的强电场，如图3、4、5所示，其中，图3是集成激光头前端与样件之间形成静电场仿真图，图4是图3的局部放大图，图5是加工过程中静电场场强分布的仿真。

4、绝缘要求：将集成激光头前端与后端用绝缘材料连接，以确保前端电场可有效形成；圆柱形后端体2-1与圆锥形前端体2-2之间绝缘连接，具体的，所述圆柱形后端体2-1前端安装有绝缘件2-8，绝缘件2-8通过螺纹配合将圆锥形前端体2-2与圆柱形后端体2-1连为一体。

搭建激光微加工系统：

该激光加工装置还包括第一计算机5和二计算机6；激光器1的输出端口处安装有用于控制激光束通断的激光光闸4shutter，激光器1上连接有用于控制激光参数的第一计算机5，第二计算机6用于控制运动平台3运动、激光光闸4开关，以及直流电源2-4开关。

运动平台3的底座由XYZ三坐标数控系统驱动。通过Z轴调节样品与集成激光头2间的距离，开启激光后，样件随程序在XOZ平面内运动，完成各类金属表面微纳结构的加工。

需要说明的是，本发明中激光类型包含纳秒、皮秒和飞秒脉冲激光。

本发明还提供了一种基于静电场辅助的激光加工装置的加工工艺，包括以下步骤：

1加工前准备：

通过第一计算机5设定激光参数；激光束通断激光光闸4处于关闭状态；调整集成激光头2与整激光器1发出的激光束牌同一轴线；通过第二计算机6调整运动平台3的Z轴，使样品上表面与集成激光头2前端面距离在0.2-1.0mm范围内，并且激光焦点在样品表面；通过直流电源2-4设定电压值，开关初始态为断开；根据加工要求，在第二计算机6中编写2D或2.5D加工程序。

2加工过程：

打开辅助气体阀门，使得辅助气体通过气体入口2-3进入圆柱形后端体2-1，设定气压，待气流稳定后开启加工程序，程序中设置先接通电场电源，等待2秒钟电场稳定后，激光光闸4和运动平台3运动3同时开启，然后按照已有程序完成加工。

3加工结束：

加工完成后，先停止运动平台运动3，激光光闸4延迟0.1秒关闭，随后断开电场开源，最后关闭辅助气体阀门。

本发明正是基于激光与物质的相互作用中材料的去除机理，对于金属材料，要使特定区域材料与母材分离，就必须使施加在该区域的某种去除能量高于金属键对原子的束缚能量，这种能量可以是动能如机械切削力、热能或电化学能等。其中动能和热能加工是纯粹通过提高施予能而实现的，但电化学加工，如电解，是通过降低金属键对表面原子的束缚使材料以离子形式逃逸而实现的，前两者的特点是加工效率高，后者是加工质量好。如果在激光加工过程中借鉴电解加工，加入强静电场，使样品做阳极，材料表面的原子会因为金属键能降低、自由电子云密度减小，而始终显出正电极性，使表层原子更容易被激光能量去除，进而降低加工过程中热量在基体内部的传播和积累，减小热影响区范围。

Claims (9)

1.一种基于静电场辅助的激光加工装置，其特征在于，包括：激光器(1)、集成激光头(2)，以及用于放置样品的运动平台(3)，其中，激光器(1)的输出端口与集成激光头(2)的入口同轴设置，集成激光头(2)的出光口位于运动平台(3)的上端；

集成激光头(2)包括：圆柱形后端体(2-1)，以及安装于圆柱形后端体(2-1)前端的圆锥形前端体(2-2)，圆柱形后端体(2-1)与圆锥形前端体(2-2)之间绝缘连接，圆柱形后端体(2-1)中安装有用于聚焦激光束的激光束准直与聚焦系统，且圆柱形后端体(2-1)的侧壁上开设有向圆柱形后端体(2-1)中通入辅助气体的气体入口(2-3)；圆锥形前端体(2-2)上连接有直流电源(2-4)的负极，直流电源(2-4)的正极与样品连接。

2.根据权利要求1所述的基于静电场辅助的激光加工装置，其特征在于，所述激光束准直与聚焦系统包括：装于圆柱形后端体(2-1)中的若干组同轴凸透镜，所述若干组同轴凸透镜将激光束聚焦在圆锥形前端体(2-2)出光口外0.2mm-1.0mm处。

3.根据权利要求2所述的基于静电场辅助的激光加工装置，其特征在于，所述圆柱形后端体(2-1)的中安装有三组同轴凸透镜，从圆柱形后端体(2-1)的入口依次为第一凸透镜(2-5)、第二凸透镜(2-6)，以及第三凸透镜(2-7)，第一凸透镜(2-5)和第二凸透镜(2-6)焦点重合，第三凸透镜(2-7)将激光束聚焦在圆锥形前端体(2-2)出光口外0.2mm-1.0mm处。

4.根据权利要求1或2所述的基于静电场辅助的激光加工装置，其特征在于，所述圆锥形前端体(2-2)的出光口直径小于1.5mm。

5.根据权利要求1或2所述的基于静电场辅助的激光加工装置，其特征在于，所述激光器(1)的输出端口处安装有用于控制激光束通断的激光光闸(4)，激光器(1)上连接有用于控制激光参数的第一计算机(5)。

6.根据权利要求5所述的基于静电场辅助的激光加工装置，其特征在于，还包括用于控制运动平台(3)运动、激光光闸(4)开关，以及直流电源(2-4)开关的第二计算机(6)。

7.根据权利要求1所述的基于静电场辅助的激光加工装置，其特征在于，所述直流电源(2-4)的电压为10V-100V。

8.根据权利要求1所述的基于静电场辅助的激光加工装置，其特征在于，所述圆柱形后端体(2-1)前端安装有绝缘件(2-8)，绝缘件(2-8)通过螺纹配合将圆锥形前端体(2-2)与圆柱形后端体(2-1)连为一体。

9.一种如权利要求1所述的基于静电场辅助的激光加工装置的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)调整激光器(1)与集成激光头(2)在同一轴线上；调整运动平台(3)，使样品上表面与集成激光头(2)端面间隙在0.2-1.0mm范围内，激光光束焦点处在样品上表面；设定直流电源(2-4)的电压值，并将直流电源(2-4)的开关初始态设定为断开；

2)打开辅助气体阀门，使得辅助气体通过气体入口(2-3)进入圆柱形后端体(2-1)，待气流稳定后接通直流电源(2-4)，等待电场稳定后，激光器(1)开启，然后驱动运动平台(3)运动，最后完成加工；

3)加工完成后，先停止运动平台(3)运动，再关闭激光器(1)，随后断开直流电源(2-4)，最后关闭辅助气体阀门。