CN107322171A - 一种利用超短脉冲激光的复合加工系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用超短脉冲激光的复合加工系统，属于超快激光与传统激光加工结合的精细加工技术领域。主要由照明光源，分光棱镜、CCD图像探测器、飞秒激光器、圆环衍射光栅、向色镜一、皮秒激光器、向色镜二、聚焦透镜、二维移动台以及微机控制系统组成。本发明的优势在于将飞秒激光加工精度高和皮秒激光加工能量密度大，效率高的优点结合了起来，可同时满足激光加工过程中高效率和高精度的要求，可广泛的应用于高深径比的激光打孔，航空航天领域关键零件的精细加工，微纳传感器以及微结构制造等领域。

Description

一种利用超短脉冲激光的复合加工系统
技术领域
本发明涉及一种利用超短脉冲激光的复合加工系统，属于超快激光与传统激光加工结合的精细加工技术领域。
背景技术
激光以其单色性和相干性好、方向性强的优点，在涉及加工及测量等方面发挥着重要的作用。目前，在快速成型制造过程中利用普通长脉冲激光加工技术加工工件时，加工件上的热量会从激光焦点向外扩散，使得熔融区域的尺寸远大于激光聚焦点的尺寸，由于热扩散以及冲击波等多种效应的影响易对周围材料造成影响和热损伤，在激光快速加工成型过程中会造成被加工件表面粗糙，而且受衍射极限的限制加工精度低。
皮秒激光、飞秒激光相对于长脉冲激光以及连续激光其脉冲宽度更窄，热效应小，可控性更强，尤其适合于微纳加工领域。而且由于飞秒激光是一种超短脉冲激光，脉冲持续时间虽然在飞秒量级，但却具有非常高的瞬时功率，最高可达百万亿瓦，可快速将能量沉积到材料中，避免了热扩散等长脉冲激光加工时存在的不足，可加工其他激光难以加工的材料，如透明材料，高熔点材料、热分解器和热变形材料等，具有加工精度高，热影响小，损伤阈值低，适合于三维结构的微纳加工，特别是在高深径比的打孔技术中具有明显的应用优势。
但是由于飞秒激光的平均功率较低，在对被加工件快速成型的过程中效率较低。将皮秒激光能量密度大，效率高的优势和飞秒激光加工精度高的优势结合起来，既提高了加工精度兼顾了加工效率，又提升了加工尺度。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前精细加工过程中不能同时兼顾精度和效率的不足，而提出了一种利用超短脉冲激光的复合加工系统，可同时提高加工精度，加工尺度和加工效率。
本发明的目的是通过如下方案实现的：
一种利用超短脉冲激光的复合加工系统，包括照明光源，分光棱镜、CCD图像探测器、飞秒激光器、圆环衍射光栅、向色镜一、皮秒激光器、向色镜二、聚焦透镜、二维移动台以及微机控制系统。
各部分之间的连接关系是：照明光源、分光棱镜，向色镜一、向色镜二以及聚焦透镜依次同轴放置；CCD图像探测器、飞秒激光器、圆环衍射光栅以及皮秒激光器位于向色镜所在轴线的同侧。飞秒激光器输出光通过圆环衍射光栅出射后变为飞秒激光圆环光束，经向色镜一完全反射后进入向色镜一所在轴线，并通过向色镜二与皮秒激光光束轴心重合，最终照射在固定于二维移动台上被加工工件。CCD图像探测器位于分光棱镜反射光路的末端，该反射光路与向色镜一和向色镜二所在光路轴线垂直。微机控制系统与二维移动台、皮秒激光器、飞秒激光器及CCD图像探测器之间通过控制总线连接。
工作过程为：
步骤一：照明光源发出的照光透过分光棱镜，向色镜一、向色镜二以及聚焦透镜照亮被加工样品的表面，从被加工样品表面反射回的照明光经分光棱镜反射至CCD图像探测器接收，用于监测被加工样品表面的结构。反射回来的飞秒激光和皮秒激光分别被向色镜一和向色镜二滤掉。
步骤二：飞秒激光出射光束经过圆环形衍射光栅进行位相调制，经过圆环形衍射光栅将飞秒激光变为等强度圆环光强分布的远场衍射光斑。圆环衍射光栅由光电晶体制成，其位相可通过施加不同电压来调节，进而影响通过圆环衍射光栅出射的激光束圆环半径。飞秒激光圆环束经过向色镜一完全反射后进入主光轴，皮秒激光光束经向色镜二进入主光轴，在向色镜二处，飞秒激光圆环束与皮秒激光束轴心重合。经过微机控制系统对圆环衍射光栅的位相进行调整可以使飞秒激光圆环包围皮秒激光束，皮秒激光束将飞秒激光圆环的内环填充。
步骤三：皮秒复合激光束以及照明光通过聚焦透镜聚焦在被加工样品表面，该聚焦透镜可承受的能量阈值大于加工光束的能量。二维移动台可以用来固定被加工样品，通过微机控制系统控制二维移动台完成样品的加工。聚焦透镜可承受的能量阈值大于入射合束光的总能量。
向色镜一的作用是不能透射、只能反射飞秒激光器输出激光的波段，而其他波长的光能够透射，该向色镜可承受的能量阈值大于飞秒激光的能量；向色镜二不能透射，只能反射皮秒激光器输出激光的波段，而其他波长的光可以透射，其可承受的能量阈值大于皮秒激光的能量。微机控制系统主要用来对加工过程各部件进行预调、监测和控制。
有益效果
复合激光束的内环是皮秒激光，其能量密度大可完成被加工样品的快速成型，而复合激光束的外环是飞秒激光，其在皮秒加工的同时可以其加工形成的切口进行精细加工，消除切面毛刺，降低表面粗糙度，提高加工精度。这样的合束光即保留了皮秒激光的加工效率由结合了飞秒激光加工精度高的优势。
附图说明
图1是一种利用超短脉冲激光的复合加工系统的构成图；
附图标记：1-照明光源；2-分光棱镜；3-向色镜一；4-向色镜二；5-聚焦透镜；6-被加工样品；7-二维移动台；8-微机控制系统；9-皮秒激光器；10-圆环形衍射光栅；11-飞秒激光器；12-CCD图像探测器；13-控制总线。
图2是复合激光束的截面图；
附图标记：14-飞秒激光圆环光束；15-皮秒激光光束。
图3是飞秒激光圆环光束的强度分布图；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
本发明的一种利用超短脉冲激光的复合加工系统图如图1所示，照明光源1发出的照明光透过分光棱镜2照射到向色镜一3，照明光依次通过向色镜一3和向色镜二4之后通过聚焦透镜5照射在固定于二维移动台7上的被加工样品8。
从被加工样品6表面反射回的照明光依次经向色镜二4、向色镜一3、分光棱镜2反射至CCD图像探测器12接收，用于监测被加工样品表面的显微结构，根据样品表面显示的图像来判断样品表面是否处于聚焦焦点处。反射回来的飞秒激光和皮秒激光分别被向色镜一3和向色镜二4滤掉。
飞秒激光器11出射的飞秒激光镜经过圆环形衍射光栅10变为等强度圆环光强分布的远场衍射光斑，圆环形衍射光栅10的位相可以通过外界施加电压调整位相，进而影响飞秒激光圆环光束14的半径。经过圆环形衍射光栅10形成的飞秒激光圆环光束14，通过向色镜一3完全反射后进入主光轴，即向色镜一3、向色镜二4以及聚焦透镜5所在光轴，经过向色镜一3反射的飞秒激光圆环光束14与主光轴重合，皮秒激光器9输出的皮秒激光光束15经过向色镜二4完全反射后也与主光轴重合，飞秒激光圆环光束14透射向色镜二4后与皮秒激光光束15轴心重合。微机控制系统8通过控制总线13对圆环衍射光栅10外加电压对圆环衍射光栅10位相进行调整，改变飞秒激光圆环光束14半径，使飞秒激光圆环包围皮秒激光束，皮秒激光束将飞秒激光圆环的内环填充。飞秒激光圆环光束14与皮秒激光光束15形成的复合激光光束经过聚焦透镜5聚焦在被加工样品6表面。其中，其中飞秒激光圆环光束14和皮秒激光光束15见附图2所示。图3给出了经过圆环形衍射光栅10的飞秒激光圆环光束14的强度分布图。
选择向色镜时，向色镜一3不能透射、只能反射飞秒激光器11输出激光的波段，而其他波长的光能够透射，该向色镜一3可承受的能量阈值大于飞秒激光的能量；向色镜二4不能透射，只能反射皮秒激光器9输出激光的波段，而其他波长的光可以透射，其可承受的能量阈值大于皮秒激光的能量。聚焦透镜5可采用单个透镜或者聚焦物镜，可以使复合激光束与照明光聚焦在被加工样品的被加工样品6表面。
加工过程中，复合激光束中的皮秒激光提供加工过程中的总热源，用于被加工工件的快速成型，而环绕在皮秒激光周围的飞秒激光圆环光束14辅助皮秒激光提供超快加热源提高加工精度，可起去除毛刺，减小被加工样品表面粗糙度等效果。
以上的具体描述，对发明目的、技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，例如采用不同类型的飞秒。皮秒激光器，在飞秒和皮秒激光器输出光路中加入光学参量放大器、衰减器、等用于改变激光波长、能量、脉冲宽度和重复频率等进一步优化提高加工精度的措施，但是，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于：包括照明光源，分光棱镜、CCD图像探测器、飞秒激光器、圆环衍射光栅、向色镜一、皮秒激光器、向色镜二、聚焦透镜、二维移动台以及微机控制系统；连接关系为：照明光源、分光棱镜、向色镜一、向色镜二以及聚焦透镜依次同轴放置；CCD图像探测器、飞秒激光器、圆环衍射光栅以及皮秒激光器位于向色镜所在轴线的同侧；飞秒激光器输出光通过圆环衍射光栅出射后变为飞秒激光圆环光束，经向色镜一完全反射后进入向色镜一所在轴线，并通过向色镜二与皮秒激光光束轴心重合，最终照射在固定于二维移动台上的被加工工件；CCD图像探测器位于分光棱镜反射光路的末端，该反射光路与向色镜一和向色镜二所在光路轴线垂直；微机控制系统与二维移动台、皮秒激光器、飞秒激光器及CCD图像探测器之间通过控制总线连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于：工作过程为如下步骤：
步骤一，照明光源发出的照光透过分光棱镜，向色镜一、向色镜二以及聚焦透镜照亮被加工样品的表面，从被加工样品表面反射回的照明光经分光棱镜反射至CCD图像探测器接收，用于监测被加工样品表面的结构，反射回来的飞秒激光和皮秒激光分别被向色镜一和向色镜二滤掉；
步骤二，飞秒激光出射光束经过圆环形衍射光栅进行位相调制，经过圆环形衍射光栅将飞秒激光变为等强度圆环光强分布的远场衍射光斑；圆环衍射光栅的位相可通过施加不同电压来调节，进而影响通过圆环衍射光栅出射的激光束圆环半径；飞秒激光圆环束经过向色镜一完全反射后进入主光轴，皮秒激光光束经向色镜二进入主光轴，在向色镜二处，飞秒激光圆环束与皮秒激光束轴心重合；经过微机控制系统对圆环衍射光栅的位相进行调整可以使飞秒激光圆环包围皮秒激光束，皮秒激光束将飞秒激光圆环的内环填充；
步骤三，皮秒复合激光束以及照明光通过聚焦透镜聚焦在被加工样品表面，二维移动台可以用来固定被加工样品，通过微机控制系统控制二维移动台完成样品的加工。
3.根据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于：所述的圆环衍射光栅由光电晶体制成。
4.根据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于：所述的聚焦透镜可承受的能量阈值大于加工光束的能量。
5.根据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于：所述的聚焦透镜可承受的能量阈值大于入射合束光的总能量。
6.根据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于：所述的向色镜一不能透射、只能反射飞秒激光器输出激光的波段，而其他波长的光能够透射；向色镜一可承受的能量阈值大于飞秒激光的能量。
7.根据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于：所述的向色镜二不能透射、只能反射皮秒激光器输出激光的波段，而其他波长的光可以透射；向色镜二可承受的能量阈值大于皮秒激光的能量。
8.根据权利要求1所述的一种利用超短脉冲激光的复合加工系统，其特征在于：所述的微机控制系统用来对加工过程各部件进行预调、监测和控制。
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