CN105499811A - 环形复合脉冲激光打孔方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种环形复合脉冲激光打孔方法及装置。所述方法包括：产生短脉宽脉冲列；产生长脉宽脉冲，并调整所述长脉宽脉冲能量的空间分布，使所述长脉宽脉冲光斑的中心能流密度小于光斑周界附近能流密度，且使所述长脉宽脉冲与短脉宽脉冲列在构件表面产生的熔坑直径相等；调整所述长脉宽脉冲，使其能量的大小等于或大于所述短脉宽脉冲列打孔过程中小孔侧壁与孔底的熔流层厚度熔化所需的熔化热；将所述短脉宽脉冲列和长脉宽脉冲通过组束装置进行组束，构成环形复合脉冲；将所述环形复合脉冲发射到构件上进行激光打孔。本发明可以高效地并且高质量地加工航空发动机构件上的气膜孔，并可以有效地降低涡轮叶片气膜孔最大再铸层厚度。
Description
技术领域
本发明涉及激光打孔领域，尤其涉及一种环形复合脉冲激光打孔方法及装置，特别是一种用于航空发动机构件的环形复合脉冲激光打孔的方法及装置。
背景技术
已知目前现有的各种特别是使用特定激光装置的用于在上述构件中打孔的方法，按照激光的脉宽大致可以分为三类。
第一类方法是采用闪光灯泵浦的毫秒脉冲激光器。这种激光器产生脉宽较长的大能量长脉宽脉冲，脉宽一般不小于0.1毫秒，例如1毫秒；能量一般在1焦和300焦之间，例如10焦。长脉宽脉冲激光打孔产生较大的熔流，过程难以控制，会产生较厚的再铸层与扩展到基体上的微裂纹。
另一类方法是采用激光谐振腔内置有调Q开关的纳秒脉冲激光器以及锁模元件的激光器产生的短脉宽脉冲。这种激光器产生的脉宽非常短，远小于1微秒，例如10纳秒。短脉宽脉冲的另一个含义是仅仅与长脉宽脉冲相对而言。
通用电气公司研发中心的陈湘立(XiangliChen)，使用1064纳米波长的毫秒、纳秒脉冲激光，对航空发动机气膜孔打孔进行了对比研究(J.LaserAppl.8,233,1996；J.LaserAppl.9,287,1997；PatentNo.US6172331B1,2001)。实验中使用了金属间单晶镍铝(NiAl)与单晶镍基(N5)两种高温合金。微秒脉冲列打孔的再铸层厚度20微米至50微米，常规微秒脉冲打孔的再铸层厚度20微米至250微米。微秒脉冲列可以降低再铸层厚度，“但是不能减轻有害的微裂纹问题”。使用了两种短脉宽脉冲形式，脉宽300纳秒重频5千赫的调Q脉冲；以及脉宽260皮秒的脉冲间隔为12纳秒的调Q/锁模脉冲。高温合金N5再铸层厚度为10微米至130微米，“与长脉宽脉冲列相比并没有明显的优点”；高温合金NiAl的微裂纹被局限在再铸层附近，最大再铸层75微米。
北京航空制造所的张晓兵研究了纳秒脉冲列对高温合金再铸层的影响(100纳秒至700纳秒脉冲列YAG激光加工镍基合金小孔,应用激光,25,90,2005)。使用脉宽250纳秒单脉冲能量18毫焦、脉冲列中脉冲重频30千赫、脉冲列重频2赫兹的短脉冲列打孔。实验发现对于2毫米厚的定向结晶镍基合金DZ125试件，小孔为入口直径250微米出口直径40微米的锥形孔，比小孔入口直径120微米的1毫米厚的试件，入口直径增大1倍。小孔入口再铸层较厚，而出口再铸层较薄。这是由于纳秒脉冲持续时间很短，孔壁能量的损耗，使得熔流还没有完全喷出就凝结在出口附近。
伯尔尼大学的万奥曼(M.vonAllmen)指出，纳秒脉冲激光打孔，“由于等离子体的横向膨胀，从等离子体传递到靶体的能量分布在一个比光斑大得多的面积上”，即熔坑直径远远大于光束聚焦的光斑直径(Laser-BeamInteractionswithMaterials,Springer,p.181,1987)。
改善短脉宽脉冲打孔熔流的一个技术措施是提高脉冲重频。通用原子公司的弗斯曼(A.C.Forsman)提出双脉冲间隔70纳秒脉冲能量1.2毫焦脉宽4纳秒重频10千赫的双脉冲打孔，可提高1倍的纳秒或者皮秒脉冲的打孔效率，(J.Appl.Phys.98，033302,2005；PatentNo.US6664498B2,2003)。这实际上等价于重频为14.3兆赫的脉冲列以10千赫的频率打孔。但这种技术使用1.2毫焦的脉冲打孔，打孔直径很小，效率仍然很低，只适合微加工，不适合于加工涡轮叶片气膜孔。
亚琛工大的冯格(J.Finger)研究了高重频皮秒脉冲打孔(Opt.Express22,18790,2014)。使用脉宽10皮秒最高重频10兆赫的激光器，在重频超过2兆赫时烧蚀速率明显加快，但是出现熔流。“加工质量的降低，是由于明显的再铸层的形成”。这类技术的特点是，单脉冲能量非常小，抑制了等离子体的横向膨胀导致的孔径扩大，打出的小孔直径很小。微焦级的高重频打孔技术适用于环转打孔，不能采用冲击打孔方式在构件上打出所需直径的小孔。
提高短脉宽脉冲的重频，即提高能流密度以后，应考虑等离子体的扩张对孔壁的烧蚀效应以及由于能量扩散损失产生的再铸层。高能流密度短脉宽脉冲打孔要解决的技术难题是，控制等离子体横向膨胀产生的熔流。
为了兼顾使用长脉宽脉冲打孔效率高以及短脉宽脉冲的高峰值功率打孔的特性，出现了同时使用长脉宽脉冲和短脉宽脉冲进行打孔的第三类复合脉冲激光打孔技术。
布法罗州立大学的莱涵(C.Lehane)使用复合脉冲进行打孔实验(Appl.Phys.A,73,45,2001)。该实验使用能量2.5焦脉宽0.15毫秒的短脉宽脉冲相对于能量22.5焦脉宽3.5毫秒的长脉宽脉冲延迟4毫秒至8毫秒条件下，打孔效率明显提高。这种方法属于大能量毫秒脉冲打孔，不能降低热影响区大小和减少进入构件基体的微裂纹条数。
亚琛工大的魏泽(K.Walther)和布拉迪克(M.Brajdic)对复合脉冲打孔进行实验研究(Int.J.Adv.Manuf.Tech.35，895，2008；Opt.Laser.Eng.46,648,2008)。该实验使用频率20赫兹脉宽0.5毫秒能量0.64焦的灯泵板条激光器的微秒脉冲，与频率10千赫脉宽17纳秒的二极管连续泵浦固体激光器的纳秒脉冲，组成复合脉冲，对不锈钢进行打孔实验。毫秒脉冲是打孔的主脉冲，纳秒脉冲起辅助作用。孔壁上有近100微米深的爆炸坑。这种技术没有明显地改善打孔质量。
短脉宽脉冲产生的等离子体在扩展过程中会熔化孔壁，使得冲击打孔获得的小孔，其纵剖面的形状像竹子节，对气流的流动产生较大的阻力，不利于气膜孔的冷却。目前还没有报道过对高重频短脉冲打孔过程为主的能量的补偿。因此两种脉冲的叠加，还要考虑能量的空间分布的匹配。
综上所述，大能量长脉宽脉冲激光打孔的主要问题是较大的再铸层以及扩散到基体上的微裂纹。短脉宽脉冲打孔方法，在脉宽为50纳秒至500纳秒范围内，不能明显减小再铸层厚度；当脉宽小于10纳秒，打孔效率变得极低。为提高短脉冲打孔速率，出现的高重频打孔技术，不能解决因提高速率而导致的加工质量下降问题。
已提出的联合使用毫秒脉冲激光器和纳秒脉冲激光器打孔的第三类复合脉冲方法，采用微秒脉冲为主脉冲，纳秒脉冲为辅助脉冲，孔壁有氧气爆炸式排出残渣而造成的凹坑，再铸层较厚，超过到70微米。
发明内容
本发明实施例提供一种环形复合脉冲激光打孔方法及装置，以提升激光打孔质量并提高打孔效率。
为了达到上述目的，本发明实施例提供了一种环形复合脉冲激光打孔方法，包括：产生短脉宽脉冲，所述短脉宽脉冲由短脉宽脉冲列构成，所述短脉宽脉冲列的脉宽小于或等于500纳秒，脉冲列内的脉冲重频等于或大于100千赫，单脉冲能量等于或小于100毫焦；产生长脉宽脉冲，并调整所述长脉宽脉冲能量的空间分布，使所述长脉宽脉冲的光斑中心的能流密度小于光斑边界附近能流密度，且使所述长脉宽脉冲在构件表面产生的熔坑直径等于所述短脉冲列产生的熔坑直径；调整所述长脉宽脉冲，使其能量的大小等于或大于所述短脉宽脉冲列打孔过程中小孔侧壁与孔底的熔流层厚度熔化所需的熔化热，使其焦点相对于所述短脉宽脉冲焦点的距离为0.1毫米至4毫米；将所述短脉宽脉冲和长脉宽脉冲通过组束装置进行组束，构成环形复合脉冲；将所述环形复合脉冲发射到构件上进行激光打孔。
进一步地，所述长脉宽脉冲为环形光斑，由谐振腔内或腔外整形形成。
进一步地，所述长脉宽脉冲的M2光束传播因子大于所述短脉宽脉冲列的M2光束传播因子。
进一步地，所述长脉宽脉冲的M2光束传播因子等于或大于4倍的短脉宽脉冲的M2光束传播因子。
进一步地，所述长脉宽脉冲的光斑中心的能流密度比光斑边界附近能流密度小1倍以上。
进一步地，所述长脉宽脉冲的焦点位置比所述短脉宽脉冲列的焦点位置高0.1毫米至4毫米。
进一步地，所述长脉宽脉冲的脉宽等于或大于所述短脉宽脉冲列内脉冲重频倒数的10倍。
进一步地，所述短脉宽脉冲列和长脉宽脉冲的激光波长等于或小于1.064微米。
进一步地，所述短脉宽脉冲列和长脉宽脉冲的激光波长等于或小于0.532微米。
进一步地，所述短脉宽脉冲列的首脉冲前沿相对于所述长脉宽脉冲的前沿同步对齐，定时抖动小于1微秒，相对延迟为0至100微秒。
为了达到上述目的，本发明实施例还提供一种复合脉冲激光打孔装置，包括：短脉宽脉冲列激光谐振腔，用于产生短脉宽脉冲，所述短脉宽脉冲由短脉宽脉冲列构成，所述短脉宽脉冲列的脉宽小于或等于500纳秒，脉冲列内的脉冲重频等于或大于100千赫，单脉冲能量等于或小于100毫焦；长脉宽脉冲激光谐振腔，用于产生长脉宽脉冲，并调整所述长脉宽脉冲能量的空间分布，使所述长脉宽脉冲的光斑中心的能流密度小于光斑边界附近能流密度，且使所述长脉宽脉冲在构件表面产生的熔坑直径等于所述短脉冲列产生的熔坑直径；调整所述长脉宽脉冲，使其能量的大小等于或大于所述短脉宽脉冲列打孔过程中小孔侧壁与孔底的熔流层厚度熔化所需的熔化热，使其焦点相对于所述短脉宽脉冲焦点的距离为0.1毫米至4毫米；组束装置，用于将所述短脉宽脉冲和长脉宽脉冲进行组束，构成环形复合脉冲；引导整形装置，用于将所述环形复合脉冲发射到构件上进行激光打孔。
本发明实施例的环形复合脉冲激光打孔方法及装置，吸取了纳秒脉冲列加工小孔熔流层较薄，而微秒环形脉冲补偿了纳秒绿光脉冲的熔流时间以及在孔壁上损失的能量的特性，使得熔化的残渣可以有效地喷出孔外，故可以高效地并且高质量地加工航空发动机构件上的气膜孔，并可以有效地降低涡轮叶片气膜孔最大再铸层厚度最小到5微米，且提高短脉宽脉冲的打孔速率1倍左右。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的环形复合脉冲激光打孔方法的处理流程图；
图2为本发明实施例的环形复合脉冲时间叠加的方法示意图；
图3为本发明实施例的环形复合脉冲组束聚焦光斑空间匹配示意图；
图4为本发明实施例的环形复合脉冲组束打孔焦点匹配示意图；
图5为本发明实施例的环形复合脉冲激光打孔装置的结构示意图；
图6为本发明的环形复合脉冲激光打孔装置的一具体实施例的结构示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的原理：纳秒脉冲列加工小孔熔流层较薄，而微秒脉冲可以补偿纳秒脉冲的熔流时间以及在孔壁上损失的能量，使得熔化的残渣可以有效地喷出孔外。即：将纳秒级脉宽的短脉宽脉冲作为主脉冲，毫秒级脉宽的长脉宽脉冲作为辅助脉冲，纳秒级脉冲的脉宽在100纳秒至500纳秒之间，并受调Q频率与泵浦功率影响；毫秒级脉冲的脉宽在0.1毫秒至1毫秒之间，并由激光电源的泵浦脉宽控制；双光束采用偏振组束方式；通过调整长脉宽脉冲聚焦光斑光强的空间分布与长脉宽脉冲能量的大小，长脉宽脉冲在激光打孔过程中为短脉宽脉冲打孔产生的熔流、蒸汽及等离子体等形成一个“热导管”，在提高打孔效率的同时，抑制了熔流再铸层的形成，有效地提高了打孔质量。
在本发明中，该激光打孔技术主要应用在航空发动机构件上，构件包括具有热障涂层的涡轮叶片。
图1为本发明实施例的环形复合脉冲激光打孔方法的处理流程图。如图1所示，包括：步骤S102，产生短脉宽脉冲，所述短脉宽脉冲由短脉宽脉冲列构成，所述短脉宽脉冲列的脉宽小于或等于500纳秒，脉冲列内的脉冲重频等于或大于100千赫，单脉冲能量等于或小于100毫焦；步骤S104，产生长脉宽脉冲，并调整所述长脉宽脉冲能量的空间分布，使所述长脉宽脉冲光斑中心的能流密度小于光斑边界附近能流密度，且使所述长脉宽脉冲在构件表面产生的熔坑直径等于所述短脉冲列产生的熔坑直径；步骤S105，调整所述长脉宽脉冲，使其能量的大小等于或大于所述短脉宽脉冲列打孔过程中小孔侧壁与孔底的熔流层厚度熔化所需的熔化热，使其焦点相对于所述短脉宽脉冲焦点的距离为0.1毫米至4毫米；步骤S106，将所述短脉宽脉冲和长脉宽脉冲通过组束装置进行组束，构成环形复合脉冲；步骤S108，将所述环形复合脉冲发射到构件上进行激光打孔。
具体的，在步骤S104和步骤S105中，产生的长脉宽脉冲为毫秒级脉冲，即指脉宽大于100微秒的脉冲。在本发明实施例中，毫秒级脉宽的长脉宽脉冲作为辅助脉冲，以补偿纳秒脉冲列的熔流时间以及在孔壁上损失的能量，产生热导管效应。
图2为本发明实施例的环形复合脉冲时间叠加的方法示意图。短脉宽脉冲列2和长脉宽脉冲4通过组束装置同频地叠加成复合脉冲6。短脉宽脉冲列2相对于长脉宽脉冲4延迟时间8为0至100微秒，相对定时抖动小于1微秒。短脉宽脉冲列的特点是其中的短脉宽脉冲的重复频率等于或大于100千赫，而长脉宽脉冲的脉宽是短脉宽脉冲列中脉冲周期的10倍或更长，以确保每一发复合脉冲中的短脉宽脉冲具有足够的数量以提高加工效率。这些短脉宽脉冲列以蒸发、熔化并存的方式打孔，同时长脉宽脉冲为短脉宽脉冲列加工出的残渣提供孔壁能量损耗的补偿。长脉宽脉冲的能量等于或大于每一发短脉宽脉冲列2产生的小孔侧壁与孔底的熔流层厚度熔化所需的熔化热。
在本发明实施例中，短脉宽脉冲列2中的短脉宽脉冲3的脉冲宽度小于500纳秒，脉冲能量等于或小于100毫焦。短脉宽脉冲3具有较高的峰值功率，作用于构件基体产生熔化、蒸发及等离子体。短脉宽脉冲的作用时间较短，熔流时间与熔流层厚度都较小，因此必须自身具有高重复频率。同时长脉宽脉冲的能量较小，仅仅等于或大于补偿熔流层流动、等离子体喷射过程在孔壁上损失的能量，长脉宽脉冲对打孔仅仅起辅助作用。
图3为本发明实施例的环形复合脉冲组束聚焦光斑空间匹配示意图。短脉宽脉冲列的光斑纵截面10表示短脉宽脉冲列的光强从中心单调下降，光强为高斯分布。短脉宽脉冲列的光斑横截面12为实心圆形。长脉宽脉冲的光斑纵截面14表示光斑中心的光强或能流密度小于光斑边界附近光强或能流密度；进一步地，小于1倍以上。长脉宽脉冲的光斑横截面16为空心圆环或者凹面分布。环形复合脉冲的光斑纵截面18表示短脉宽脉冲列的光斑纵截面10与长脉宽脉冲的光斑纵截面14光强的叠加。环形复合脉冲的光斑横截面20表示了短脉宽脉冲列的光斑横截面12与长脉宽脉冲的光斑横截面16的空间叠加效果。
实验表明，长脉宽脉冲的烧蚀直径总是小于短脉宽脉冲列的烧蚀直径。长脉宽脉冲在构件表面产生的熔坑直径等于或大于所述短脉冲列产生的熔坑直径时，才能有效地补偿短脉冲列在等离子体膨胀、熔流流动过程中的能量损耗，产生热导管效应。因此，长脉宽脉冲的M2光束传播因子大于短脉宽脉冲的M2光束传播因子。进一步地，等于或大于4倍的短脉宽脉冲的M2光束传播因子时，长脉宽脉冲的聚焦光斑直径是短脉宽脉冲列的2倍。
图4为本发明实施例的环形复合脉冲组束打孔焦点匹配示意图。如图4所示，会聚透镜22将短脉宽脉冲列光束24与长脉宽脉冲光束26汇聚在构件34上。长脉宽脉冲焦点28比短脉宽脉冲列焦点30位置高，焦点间距32为0.1毫米至4毫米。长脉宽脉冲光束26的环形光斑由谐振腔形成，也可由腔外整形形成。短脉宽脉冲列光束24与长脉宽脉冲光束26的聚焦光斑直径小于小孔36的直径；进一步地，小于小孔36的直径的1/2。
图5为本发明实施例的环形复合脉冲激光打孔装置的结构示意图。如图5所示，包括短脉宽脉冲列激光谐振腔42，用于产生短脉宽脉冲，所述短脉宽脉冲由短脉宽脉冲列构成，所述短脉宽脉冲列的脉宽小于或等于500纳秒，脉冲列内的脉冲重频等于或大于100千赫，单脉冲能量等于或小于100毫焦；长脉宽脉冲激光谐振腔60，用于产生长脉宽脉冲，并调整所述长脉宽脉冲能量的空间分布，使所述长脉宽脉冲的光斑中心的能流密度小于光斑边界附近能流密度，且所述长脉宽脉冲在构件表面产生的熔坑直径等于所述短脉冲列产生的熔坑直径；调整所述长脉宽脉冲，使其能量的大小等于或大于所述短脉宽脉冲列打孔过程中小孔侧壁与孔底的熔流层厚度熔化所需的熔化热，使其焦点相对于所述短脉宽脉冲焦点的距离为0.1毫米至4毫米；组束装置72，用于将所述短脉宽脉冲和长脉宽脉冲进行组束，构成环形复合脉冲；引导整形装置100，用于将所述环形复合脉冲发射到构件上进行激光打孔。
进一步地，如图6所示，为环形复合脉冲激光打孔装置的一具体实施例的结构示意图。该装置包括提供环形复合脉冲6中短脉宽脉冲列2的纳秒绿光脉冲激光谐振腔42，提供长脉宽环形脉冲16的微秒环形脉冲激光谐振腔60。
纳秒绿光脉冲激光谐振腔42包括，第一双波长高反镜44，第二双波长高反镜56，闪光灯泵浦腔50，倍频晶体52，声光调Q开关46，波长/4波片48，布氏偏振片54。
闪光灯泵浦腔50中的激光棒出射的波长1064纳米激光P偏振分量透过倍频晶体52，布氏偏振片54，到达第二双波长高反镜56，按原路径被反射回来，再次通过布氏偏振片54，倍频晶体52，进入闪光灯泵浦腔50被激光棒放大，抵达波长/4波片48。波长/4波片48将P光转换为圆偏振光。经过声光调Q开关46抵达第一双波长高反镜44，按原路径被反射回来，再次经过波长/4波片48。波长/4波片48将圆偏振光变为S光，经过激光棒的再次放大后，达到振荡阈值，1064纳米激光被倍频晶体52变换为532纳米绿光，抵达布氏偏振片54，被反射出纳秒绿光脉冲激光谐振腔42。需要说明的是，输出的激光成分中包括1064纳米基频光。
长脉宽脉冲激光谐振腔60包括，高反镜62，高斯输出镜68，闪光灯泵浦腔66，布氏片64。长脉宽环形脉冲激光谐振腔提供毫秒环形脉冲，“毫秒级脉冲”是指脉宽大于100微秒的脉冲。
纳秒绿光脉冲列以S光分量58与毫秒环形脉冲以P光分量70形式通过组束装置72组束，构成环形绿光复合脉冲6。在本实施例中，组束装置72为起偏布氏片。
在本发明实施例中，如图6所示，引导整形装置100包括小孔光阑74、波长/4波片76、汇聚透镜80、防护镜82、辅助气体激光喷嘴(图中未示)。其中，复合脉冲6经过小孔光阑74，滤除不整齐的边缘光束。复合脉冲6包括激光波长1064纳米、532纳米，再经过波长/4波片76，变为圆偏振光。经过含有汇聚透镜80的激光头78的汇聚，再通过防护镜82和辅助气体激光喷嘴(图中未示)，打在构件84上。在构件84后面，还设置有能量计探头86，用于在构件被击穿以后，探测并测量剩余的激光脉冲能量。
激光打孔的加工过程在空气环境中进行；进一步地，小孔加工使用辅助加工气体，包括压缩空气、压缩氧气。
结合以上实施例，本发明实施例的环形复合脉冲激光打孔方法及装置，吸取了纳秒脉冲列加工小孔熔流层较薄，而微秒脉冲补偿了纳秒脉冲的熔流时间以及在孔壁上损失的能量的特性，使得熔化的残渣可以有效地喷出孔外，故可以高效地并且高质量地加工航空发动机构件上的气膜孔，并可以有效地降低涡轮叶片气膜孔最大再铸层厚度最小到5微米，且提高短脉宽脉冲的打孔速率1倍左右。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种环形复合脉冲激光打孔方法，其特征在于，包括：
产生短脉宽脉冲，所述短脉宽脉冲由短脉宽脉冲列构成，所述短脉宽脉冲列的脉宽小于或等于500纳秒，脉冲列内的脉冲重频等于或大于100千赫，单脉冲能量等于或小于100毫焦；
产生长脉宽脉冲，并调整所述长脉宽脉冲能量的空间分布，使所述长脉宽脉冲光斑中心的能流密度小于光斑边界附近能流密度，且使所述长脉宽脉冲在构件表面产生的熔坑直径等于所述短脉冲列产生的熔坑直径；
调整所述长脉宽脉冲，使其能量的大小等于或大于所述短脉宽脉冲列打孔过程中小孔侧壁与孔底的熔流层厚度熔化所需的熔化热，使其焦点相对于所述短脉宽脉冲焦点的距离为0.1毫米至4毫米；
将所述短脉宽脉冲长脉宽脉冲通过组束装置进行组束，构成环形复合脉冲；
将所述环形复合脉冲发射到构件上进行激光打孔。
2.根据权利要求1所述的环形复合脉冲激光打孔方法，其特征在于，所述长脉宽脉冲为环形光斑，由谐振腔内或腔外整形形成。
3.根据权利要求1所述的环形复合脉冲激光打孔方法，其特征在于，所述长脉宽脉冲的M2光束传播因子大于所述短脉宽脉冲列的M2光束传播因子。
4.根据权利要求2所述的环形复合脉冲激光打孔方法，其特征在于，所述长脉宽脉冲的M2光束传播因子等于或大于4倍的短脉宽脉冲的M2光束传播因子。
5.根据权利要求1所述的环形复合脉冲激光打孔方法，其特征在于，所述长脉宽脉冲的光斑中心的能流密度比光斑边界附近能流密度小1倍以上。
6.根据权利要求1所述的环形复合脉冲激光打孔方法，其特征在于，所述长脉宽脉冲的脉宽等于或大于所述短脉宽脉冲列内脉冲重频倒数的10倍。
7.根据权利要求1所述的环形复合脉冲激光打孔方法，其特征在于，所述短脉宽脉冲列和长脉宽脉冲的激光波长等于或小于1.064微米。
8.根据权利要求1所述的环形复合脉冲激光打孔方法，其特征在于，所述短脉宽脉冲列和长脉宽脉冲的激光波长等于或小于0.532微米。
9.根据权利要求1所述的环形复合脉冲激光打孔方法，其特征在于，所述短脉宽脉冲列的首脉冲前沿相对于所述长脉宽脉冲的前沿同步对齐，定时抖动小于1微秒，相对延迟为0至100微秒。
10.一种环形复合脉冲激光打孔装置，其特征在于，包括：
短脉宽脉冲列激光谐振腔，用于产生短脉宽脉冲，所述短脉宽脉冲由短脉宽脉冲列构成，所述短脉宽脉冲列的脉宽小于或等于500纳秒，脉冲列内的脉冲重频等于或大于100千赫，单脉冲能量等于或小于100毫焦；
长脉宽脉冲激光谐振腔，用于产生长脉宽脉冲，并调整所述长脉宽脉冲能量的空间分布，使所述长脉宽脉冲的光斑中心的能流密度小于光斑边界附近能流密度，且使所述长脉宽脉冲在构件表面产生的熔坑直径等于所述短脉冲列产生的熔坑直径；调整所述长脉宽脉冲，使其能量的大小等于或大于所述短脉宽脉冲列打孔过程中小孔侧壁与孔底的熔流层厚度熔化所需的熔化热，使其焦点相对于所述短脉宽脉冲焦点的距离为0.1毫米至4毫米；
组束装置，用于将所述短脉宽脉冲和长脉宽脉冲进行组束，构成环形复合脉冲；
引导整形装置，用于将所述环形复合脉冲发射到构件上进行激光打孔。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201511021628.0A CN105499811B (zh) | 2015-12-31 | 2015-12-31 | 环形复合脉冲激光打孔方法及装置 |
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