CN104475976A - 磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法和装置，所述方法是使用磁粉作为吸收层来吸收激光能量，使得能量主要集中辐照在溶液/材料界面上，从而击穿溶液产生等离子体，形成冲击应力和空化应力，作用在绝缘透明材料表面，实现材料去除。降低了对绝缘透明材料加工工件刻蚀加工对激光器功率的要求，提高了加工效率，也避免了高能量激光加工绝缘透明材料加工工件易产生碎裂的缺陷。

Description

磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法和装置

技术领域

本发明属于材料微加工领域，尤其是一种磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法和装置。

背景技术

由于激光具有强度高、亮度大、波长频率稳定，单色性好、相干性好、相干长度长及方向性好等优异性能，使其在工业加工领域中得到了广泛的应用。

进行激光加工时，一旦激光入射到被加工试样表面，其表面会吸收和反射激光，这种吸收和反射主要取决于试样表面的光学性质。试样表面吸收激光能量，使其表面温度上升，从而能够改变试样表面组织的结构和性能，甚至造成不可逆转的破坏作用。这一现象已在激光加工中，如切割、淬火、焊接、辐射以及靶材表面处理等方面，得到广泛的应用。试样在激光作用下，其表面物质迅速吸收激光能量，使得表面温度上升至汽化温度，从而出现汽化。试样表面蒸汽继续吸收激光能量，使其温度进一步升高，导致蒸汽分子电离，从而形成等离子体。等离子体自身对入射激光存在很强的吸收作用，其吸收后续激光能量并对外膨胀，高温高压等离子体在膨胀的过程中会发光并形成激光等离子体冲击波。

另外，在液体环境中，等离子体在对外膨胀过程中还将产生空泡现象。即：激光与液体相互作用发生光学击穿时，不仅产生激光等离子体和其膨胀冲击波，同时还产生特有的物理现象：空化。通常，在液体中，当局部压力低于该温度下的饱和蒸汽压或液体中局部温度高于常压下饱和蒸汽温度都会产生空化现象。液体中因某种扰动而出现空腔的现象称为空穴。球形空穴称之为空泡，由激光击穿液体产生的空泡就叫做激光空泡。

玻璃是一种常见的绝缘透明材料，由于其硬度高、脆性大，对其实现微小尺度的加工一直都具有很大的难度。玻璃对于可见光、近红外波段具有较高的透过率，使用脉冲激光器对玻璃进行刻蚀加工时，对于波长为1064纳米激光，当辐照能量较低时，由于玻璃的高透过率，激光会透过玻璃，很难在玻璃表面产生刻蚀效果；随着激光能量的逐步提高，在玻璃表面有等离子体形成，等离子体吸收激光能量形成等离子体冲击波，作用于玻璃表面，实现对玻璃的刻蚀。因此，在一般条件下，要想实现激光对玻璃的刻蚀加工，需要使用功率较高的激光器。但是高功率激光器成本高，操作复杂，并且高功率激光器使用时会产生大量的热，容易造成玻璃的热裂缺陷，制约了其加工应用。

发明内容

本发明的目的是为克服上述难题，提出了一种磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法，使用磁粉作为吸收层来吸收激光能量，使得能量主要集中辐照在溶液/材料界面上，从而击穿溶液产生等离子体，形成冲击应力和空化应力，作用在绝缘透明材料表面，实现材料去除。还提供了一种磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的装置。

磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)绝缘透明材料加工工件由夹具固定并置于工作腔内，所述工作腔内装有能够浸没工件的液体，液体中悬浮有磁粉；工件下方设有由夹具固定的电磁装置；

(2)电磁装置通电，悬浮在碱性溶液中的磁粉在电磁装置的磁场作用下被吸附在工件表面；

(3)脉冲激光聚焦辐照于绝缘透明材料表面，吸附在工件表面的磁粉作为吸收层吸收激光能量，使得激光能量主要集中在液体/工件界面上；激光焦点处的能量超过溶液的击穿阈值时，击穿液体，产生高温高压等离子体并对外膨胀，将磁粉冲开，形成直接作用于绝缘透明材料表面的冲击应力和空化应力，造成冲击空化效果，带动磁粉颗粒撞击工件，并使工件上激光照射的局部区域快速升温；当脉冲激光进入脉冲间歇时，工件在液体的对流传热作用下快速冷却，由于热胀冷缩作用，工件在很小的范围内产生应力集中，由此表面出现微小裂纹，同时磁粉颗粒在磁场作用下又吸附到工件表面；在脉冲激光的反复冲击空化效应作用及超声振动的热力复合作用下，工件表面不断产生微小裂纹、并扩展，实现工件表面材料的微量剥落，从而实现去除加工。

优选地，工作腔内装的液体为对所述绝缘透明材料具有腐蚀作用的腐蚀性溶液。

优选地，所述方法还包括以下步骤：

(5)工件与电磁装置一同移动，同时保持脉冲激光的聚焦光斑位置不变，实现对绝缘透明材料工件的二维或三维去除加工。

优选地，所述磁粉的粒径小于1μm。

优选地，所述脉冲激光的波长为1064纳米、脉冲宽度为10纳秒、频率10-100Hz、能量为1焦耳、激光的光斑模式为基模或多模。

磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的装置，包括激光输出装置、光束传输系统、激光刻蚀加工系统，其特征在于，所述激光输出装置为纳秒脉冲激光器，所述光束传输系统位于激光光路上，所述激光刻蚀加工系统包括电磁装置、工作腔、与电磁装置电联接的可调稳压电源以及用于夹持绝缘透明材料工件、且能够使工件位于工作腔内的夹具，所述电磁装置固定在夹具上、且位于工件的下方，所述工作腔内装有能够浸没工件的液体，液体中悬浮有磁粉。

优选地，所述磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的装置还包括运动控制系统，所述运动控制系统包括依次连接的计算机、运动控制卡、X-Y-Z三坐标数控平台，所述工作腔固定在X-Y-Z三坐标数控平台上。

优选地，所述电磁装置外部设有防水装置。

优选地，所述可调稳压电源输出电压12伏～60伏。

本发明所述的方法：

(1)对于绝缘透明材料，由于在绝缘透明材料工件下方放置的电磁装置作用，液体中的磁粉会吸附分布在工件表面，用于吸收激光能量，使其能量主要集中辐照在液体/工件界面上，从而击穿液体产生等离子体，形成冲击应力和空化应力，作用在工件表面，实现材料去除。

(2)脉冲激光产生的高频等离子体冲击波，可以造成多次的空泡空化效应，形成连续的脉动超声冲击空化效果，带动磁粉颗粒撞击工件，使工件上激光照射的局部区域快速升温。

(3)激光的脉冲能量消失后，由于液体对流又使其快速冷却，硬脆的工件在这种快速升温和冷却作用下，表面出现微小裂纹，超声振动的冲击空化效应就可以使裂纹扩展，实现材料去除。

(4)由于磁粉颗粒微小，等离子体产生后的膨胀扩张会将磁粉冲开，不会影响激光等离子体对玻璃的刻蚀效果；激光能量消失后，在磁场作用下，又吸附到加工表面，吸收下一个脉冲的激光能量。

(5)整个工件浸入腐蚀性溶液中，脉冲激光产生的高温高压可以使工件受辐照处变软，并发生化学溶解腐蚀，加快去除材料。

本发明有益效果是：

(1)被加工工件的表面附着磁粉吸收层，可以吸收激光能量，使得激光能量主要集中辐照在液体/工件界面上，防止了激光透过绝缘透明材料加工工件表面；

(2)磁粉作为吸收层，其吸收激光能量，使得激光能量主要集中辐照在液体/工件界面上，从而击穿液体产生等离子体，形成冲击应力和空化应力，作用在工件表面，实现材料去除。因此其降低了对激光器功率的要求，使用较低功率的激光器，也可以实现对绝缘透明材料加工工件刻蚀加工。

(3)相对于高功率激光器，较低功率激光器具有更高的输出频率，因此使用磁粉作为吸收层也可以实现加工效率的提高，也避免了高能量激光加工绝缘透明材料加工工件易产生碎裂的缺陷。

附图说明

图1为本发明所述磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的装置的结构示意图。

图2为本发明所述方法加工的工件的示意图。

图中：

1-聚焦透镜，2-反射镜，3-激光束，4-激光器，5-计算机，6-运动控制卡，7-可调稳压电源，8-工作台，9-X-Y-Z三坐标数控平台，10-工作腔，11-电磁装置，12-夹具，13-绝缘透明的玻璃材料，14-磁粉，15-碱性溶液。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的装置，包括激光输出装置、光束传输系统、激光刻蚀加工系统。所述激光输出装置为纳秒脉冲激光器，输出的脉冲激光的波长为1064纳米，脉冲时间为10纳秒，频率10-100Hz，激光能量为1焦耳，激光的光斑模式选择基膜或多模。所述光束传输系统位于激光光路上，包括可调反光镜和可调聚焦透镜，激光发出的激光束经光束调制及传输系统聚焦于玻璃表面。所述激光刻蚀加工系统包括电磁装置、工作腔、与电磁装置电联接的可调稳压电源以及用于夹持绝缘透明材料工件、且能够使工件位于工作腔内的夹具。所述可调稳压电源输出电压12伏～60伏。所述电磁装置固定在夹具上、且位于工件的下方，所述工作腔内装有能够浸没工件的液体，液体中悬浮有磁粉，磁粉粒径均小于1μm。所述电磁装置外部设有防水装置，电磁装置通电后产生强磁场，对磁粉颗粒产生吸引力，使得液体中的磁粉吸附在工件表面。

本发明所述磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的装置用于刻蚀绝缘透明材料的方法，括以下步骤：

(1)绝缘透明材料加工工件由夹具固定并置于工作腔内，所述工作腔内装有能够浸没工件的液体，液体中悬浮有磁粉；工件下方设有由夹具固定的电磁装置。

(2)电磁装置通电，悬浮在碱性溶液中的磁粉在电磁装置的磁场作用下被吸附在工件表面。

(3)当脉冲激光穿过液体时，少部分的能量被溶液反射及吸收以外，大部分激光能量能够辐照在玻璃表面的磁粉上。激光输出装置发出的激光束经光束传输系统聚焦于聚焦于绝缘透明材料表面，吸附在工件表面的磁粉作为吸收层吸收激光能量，使得激光能量主要集中在液体/工件界面上；激光焦点处的能量超过溶液的击穿阈值时，击穿液体，产生高温高压等离子体并对外膨胀，将磁粉冲开，形成直接作用于绝缘透明材料表面的冲击应力和空化应力，造成冲击空化效果，带动磁粉颗粒撞击工件，并使工件上激光照射的局部区域快速升温；当脉冲激光进入脉冲间歇时，工件在液体的对流传热作用下快速冷却，由于热胀冷缩作用，工件在很小的范围内产生应力集中，由此表面出现微小裂纹，同时磁粉颗粒在磁场作用下又吸附到工件表面；在脉冲激光的反复冲击空化效应作用及超声振动的热力复合作用下，工件表面不断产生微小裂纹、并扩展，实现工件表面材料的微量剥落，从而实现去除加工。

较佳地，将工作腔中的液体更换为对所述绝缘透明材料具有腐蚀作用的腐蚀性溶液，使整个工件浸入腐蚀性溶液中，脉冲激光产生的高温高压可以使工件受辐照处变软，并发生化学溶解腐蚀，加快去除材料。

本发明所要加工的绝缘透明材料，具有硬脆性、耐磨损、难加工等特性，例如玻璃、石英、聚晶金刚石等，对于玻璃作为加工工件时，所述腐蚀性溶液可以采用浓度为15％-20％的NaOH溶液。

进一步地，为了实现对所述加工工件的二维或三维去除加工，所述磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的装置中，还设置了运动控制系统，所述运动控制系统包括依次连接的计算机、运动控制卡、X-Y-Z三坐标数控平台，所述工作腔固定在X-Y-Z三坐标数控平台上。相应的在刻蚀绝缘透明材料时，通过计算机输出指令信号给运动控制卡，运动控制卡控制X-Y-Z三坐标数控平台运行，X-Y-Z三坐标数控平台带动工作腔运动，实现工件与电磁装置一同移动，同时保持脉冲激光的聚焦光斑位置不变，实现对绝缘透明材料工件的二维或三维去除加工，在工件表面上加工出平面图形或者三维立体结构。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)绝缘透明材料加工工件由夹具固定并置于工作腔内，所述工作腔内装有能够浸没工件的液体，液体中悬浮有磁粉；工件下方设有由夹具固定的电磁装置；

(2)电磁装置通电，悬浮在碱性溶液中的磁粉在电磁装置的磁场作用下被吸附在工件表面；

(3)脉冲激光聚焦辐照于绝缘透明材料表面，吸附在工件表面的磁粉作为吸收层吸收激光能量，使得激光能量主要集中在液体/工件界面上；激光焦点处的能量超过溶液的击穿阈值时，击穿液体，产生高温高压等离子体并对外膨胀，将磁粉冲开，形成直接作用于绝缘透明材料表面的冲击应力和空化应力，造成冲击空化效果，带动磁粉颗粒撞击工件，并使工件上激光照射的局部区域快速升温；当脉冲激光进入脉冲间歇时，工件在液体的对流传热作用下快速冷却，由于热胀冷缩作用，工件在很小的范围内产生应力集中，由此表面出现微小裂纹，同时磁粉颗粒在磁场作用下又吸附到工件表面；在脉冲激光的反复冲击空化效应作用及超声振动的热力复合作用下，工件表面不断产生微小裂纹、并扩展，实现工件表面材料的微量剥落，从而实现去除加工。

2.根据权利要求1所述的磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法，其特征在于，工作腔内装的液体为对所述绝缘透明材料具有腐蚀作用的腐蚀性溶液。

3.根据权利要求1所述的磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

(5)工件与电磁装置一同移动，同时保持脉冲激光的聚焦光斑位置不变，实现对绝缘透明材料工件的二维或三维去除加工。

4.根据权利要求1所述的磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法，其特征在于，所述磁粉的粒径小于1μm。

5.根据权利要求1所述的磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的方法，其特征在于，所述脉冲激光的波长为1064纳米、脉冲宽度为10纳秒、频率10-100Hz、能量为1焦耳、激光的光斑模式为基模或多模。

6.磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的装置，包括激光输出装置、光束传输系统、激光刻蚀加工系统，其特征在于，所述激光输出装置为纳秒脉冲激光器，所述光束传输系统位于激光光路上，所述激光刻蚀加工系统包括电磁装置、工作腔、与电磁装置电联接的可调稳压电源以及用于夹持绝缘透明材料工件、且能够使工件位于工作腔内的夹具，所述电磁装置固定在夹具上、且位于工件的下方，所述工作腔内装有能够浸没工件的液体，液体中悬浮有磁粉。

7.根据权利要求6所述磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的装置，其特征在于，还包括运动控制系统，所述运动控制系统包括依次连接的计算机、运动控制卡、X-Y-Z三坐标数控平台，所述工作腔固定在X-Y-Z三坐标数控平台上。

8.根据权利要求6所述磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的装置，其特征在于，所述电磁装置外部设有防水装置。

9.根据权利要求6所述磁粉诱导式激光等离子刻蚀绝缘透明材料的装置，其特征在于，所述可调稳压电源输出电压12伏～60伏。