CN107378235A - 飞秒激光加工系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种飞秒激光加工系统及方法，所述方法包括：开启所述第一光闸，关闭所述第二光闸，所述第一光路将所述第一飞秒激光束的激光通量调整至低于所述待加工工件的改性阈值，并将经调整后的第一飞秒激光束传播至待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件的待加工区域进行辐照；开启所述第二光闸，所述第二光路将所述第二飞秒激光束聚焦至所述待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件的待加工区域进行加工。一方面通过在对待加工工件进行加工之前，第一飞秒激光束对待加工工件的待加工区域进行辐照；另一方面通过在对待加工工件进行加工过程中，第一飞秒激光束对待加工工件的待加工区域进行辅助加工，可大幅度提高加工效率。
Description
技术领域
本发明实施例涉及激光加工技术领域，更具体地，涉及一种飞秒激光加工系统及方法。
背景技术
飞秒激光以其超短的脉冲延迟，以及极高的峰值功率广泛的应用于微光学元件、微电子器件等的制作中。对于不同的使用要求，器件需要具有不同的属性，在微生物学检测中，我们需要基底是透明的可以时刻观测的，需要像玻璃这样的材料来制备，而如果是用在飞机发动机的外壳，则需要这种材料足够的硬，这时要选择合适的金属或金属合金才可以，利用飞秒激光来对这些材料的加工已经有很多学者进行了研究。近来，研究发现实验的环境像湿度、温度、压力等等与微结构的加工息息相关。
虽然研究者采用优化激光的参数如波长、重复频率、脉宽及其他加工参数试图提高飞秒激光加工的效率，但是效果依然不佳。如何更好的提高加工效率，改善加工过程中存在的不足是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的飞秒激光加工系统及方法。
一方面本发明实施例提供了一种飞秒激光加工系统，所述系统包括飞秒激光发射装置、第一光路以及第二光路；其中，
所述飞秒激光发射装置包括至少一个飞秒激光器，用于发射第一飞秒激光束和第二飞秒激光束；
所述第一光路用于将所述第一飞秒激光束的激光通量调整至低于所述待加工工件的改性阈值，并将经调整后的第一飞秒激光束传播至待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件的待加工区域进行辐照；
所述第二光路用于将所述第二飞秒激光束聚焦至所述待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件进行加工。
其中，所述飞秒激光发射装置包括一个飞秒激光器和一个5/5分光镜，所述飞秒激光器发射的飞秒激光经过一个5/5分光镜后被分成所述第一飞秒激光束和所述第二飞秒激光束。
其中，所述第一光路包括同轴布置的第一光闸、第一衰减器和透镜；
所述第一光闸用于控制所述第一飞秒激光束的通断，所述第一衰减器用于调整所述第一飞秒激光束的激光通量，所述透镜用于将所述第一飞秒激光束辐照到所述待加工工件上。
其中，所述第二光路包括同轴布置的第二光闸、第二衰减器和物镜；
所述第一光闸用于控制所述第二飞秒激光束的通断，所述第二衰减器用于调整所述第二飞秒激光束的激光通量，所述物镜用于将所述第二飞秒激光束聚焦在所述待加工工件的表面。
其中，所述系统还包括CCD相机，用于实时获取所述待加工工件待加工区域的图像。
另一方面本发明实施例提供了一种利用上述飞秒激光加工系统的飞秒激光加工方法，所述方法包括：
S1，开启所述第一光闸，关闭所述第二光闸，所述第一光路将所述第一飞秒激光束的激光通量调整至低于所述待加工工件的改性阈值，并将经调整后的第一飞秒激光束传播至待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件的待加工区域进行辐照；
S2，开启所述第二光闸，所述第二光路将所述第二飞秒激光束聚焦至所述待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件的进行加工。
其中，步骤S1中所述对所述待加工工件的待加工区域进行辐照进一步包括：
对所述待加工工件的待加工区域进行预设时长的辐照。
其中，所述预设时长通过控制变量法实验获得，具体包括：
其中，所述第一飞秒激光光束辐照在所述待加工工件上时，与所述待加工工件的表面有预设离焦量。
其中，所述方法还包括：
通过所述CCD相机实时获取所述待加工工件待加工区域的图像，来观察所述第一飞秒激光光束的和所述第二飞秒激光束的聚焦状态，以及所述待加工工件的加工状态。
本发明实施例提供的一种飞秒激光加工系统及方法，一方面通过在对待加工工件进行加工之前，第一飞秒激光束对待加工工件的待加工区域进行辐照，提高了待加工工件内部电子的活跃程度，使待加工工件获得了额外的温度，提高了加工效率；另一方面通过在对待加工工件进行加工过程中，第一飞秒激光束对待加工工件的待加工区域进行辐照，使加工过程中产生的等离子体限制在加工区域，从而进一步使得加工区域的温度上升，进一步提高了加工效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种秒激光加工系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种利用上述飞秒激光加工系统的飞秒激光加工方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的对待加工工件进行不同时长辐照后的实验结果图；
图4为本发明实施例提供的第一飞秒激光束与第二飞秒激光束辐照在待加工工件上相对位置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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。
图1为本发明实施例提供的一种飞秒激光加工系统的示意图，如图1所示，所述系统包括：飞秒激光发射装置1、第一光路2以及第二光路3；其中，
所述飞秒激光发射装置1包括至少一个飞秒激光器，用于发射第一飞秒激光束21和第二飞秒激光束31；
所述第一光路1用于将所述第一飞秒激光束21的激光通量调整至低于所述待加工工件的改性阈值，并将经调整后的第一飞秒激光束21传播至待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件的待加工区域进行辐照；
所述第二光路3用于将所述第二飞秒激光束31聚焦至所述待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件进行加工。
其中，所述飞秒激光发射装置1包括一个飞秒激光器和一个5/5分光镜4，所述飞秒激光器发射的飞秒激光经过一个5/5分光镜4后被分成所述第一飞秒激光束21和所述第二飞秒激光束31。
其中，所述第一光路包括同轴布置的第一光闸22、第一衰减器23和透镜24；
所述第一光闸22用于控制所述第一飞秒激光束21的通断，所述第一衰减器23用于调整所述第一飞秒激光束21的激光通量，所述透镜24用于将所述第一飞秒激光束21辐照到所述待加工工件上。
其中，所述第二光路包括同轴布置的第二光闸32、第二衰减器33和物镜34；
所述第一光闸32用于控制所述第二飞秒激光束31的通断，所述第二衰减器33用于调整所述第二飞秒激光束31的激光通量，所述物镜34用于将所述第二飞秒激光束31聚焦在所述待加工工件的表面。
其中，所述系统还包括CCD相机5，用于实时获取所述待加工工件待加工区域的图像。
具体地，飞秒激光从激光器发射出来之后首先经过第三光闸6来控制整个光路的通断，而后通过一个由半波片和线偏振器组成的第三衰减器来均匀的调节总体光路的能量，再通过一个5/5分光镜4和反射镜9将总光束分成两束同样的光束。
所述第二飞秒激光束31用于加工样品，所述第一飞秒激光束21用于对样品进行预处理已经后续的辅助加工，所述第二飞秒激光束31与所述第一飞秒激光束21之间的距离应尽可能的小，这样所述第一飞秒激光束21在通过透镜24之后与所述第二飞秒激光束31形成的夹角就会小，这样预处理区域的影响才会尽可能的一致。
通过5/5分光镜4的所述第二飞秒激光束31与所述第一飞秒激光束21都会分别的通过一个光闸和衰减器，光闸均用来控制光路的通断，衰减器用来调节光路的能量大小。所述第二飞秒激光束31中的二光闸需要控制打在样品上脉冲数的个数，通过第二光闸和第二衰减器之后的所述第二飞秒激光束31会通过一个10倍(或20倍、40倍，根据所需要加工微结构的尺寸来决定)物镜34聚焦在待加工工件的表面。而所述第一飞秒激光束21通过一个焦距为150mm的透镜24聚焦在待加工工件后侧，离焦量为0.5mm。适当的离焦量可以保证辐照区域能量均匀，且不会对样品材料进行改性烧蚀。待加工工件放在一个三维运动平台8上可以来方便加工，通过控制三维运动平台8的运动实现需要加工的形状。
本发明实施例提供的一种飞秒激光加工系统，一方面通过在对待加工工件进行加工之前，第一飞秒激光束对待加工工件的待加工区域进行辐照，提高了待加工工件内部电子的活跃程度，使待加工工件获得了额外的温度，提高了加工效率；另一方面通过在对待加工工件进行加工过程中，第一飞秒激光束对待加工工件的待加工区域进行辐照，使加工过程中产生的等离子体限制在加工区域，从而进一步使得加工区域的温度上升，进一步提高了加工效率。
图2为本发明实施例提供的一种利用上述飞秒激光加工系统的飞秒激光加工方法的流程图，如图2所示，所述方法包括：S1，开启所述第一光闸，关闭所述第二光闸，所述第一光路将所述第一飞秒激光束的激光通量调整至低于所述待加工工件的改性阈值，并将经调整后的第一飞秒激光束传播至待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件的待加工区域进行辐照；S2，开启所述第二光闸，所述第二光路将所述第二飞秒激光束聚焦至所述待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件进行加工。
在步骤S1中，开启所述第一光闸，关闭所述第二光闸时，只有第一飞秒激光束对待加工工件的待加工区域进行预处理。所述第一光路将所述第一飞秒激光束的激光通量调整至低于所述待加工工件的改性阈值，是为了保证预处理过程中不对待加工工件产生去除作用。当第一飞秒激光束对材料进行预处理之后，待加工工件内部的自由电子被加热，电子变得非常活跃，但是此时获得的能量不足以让它们完成从基带到导带的跃迁。而且由于材料的光学吸收特性在很大程度上取决于声子的数量，而声子的数量又与材料的温度有很大的关系，当第一飞秒激光束对待加工工件预处理之后，它为待加工工件提供了额外的温度，声子数较传统的加工方式要多，这样使激光能量更容易被待加工工件吸收，而且相比于传统的加工方式，此时的电子等都比较活跃，从而一定程度的增加了加工效率。
在步骤S2中，开启第二光闸，使得第二飞秒激光束聚焦至待加工工件的待加工区域，第二飞秒激光束对待加工工件进行加工。在第二飞秒激光束对待加工工件进行加工过程中，第一光闸可以开启也可以关闭，为了进一步提高加工效率，通常选择开启第一光闸。第一光闸保持开启时，第一飞秒激光束持续对待加工工件进行辐照，可以使得加工过程中产生的等离子体限制在加工区域，从而进一步使得加工区域的温度上升，使得加工效率进一步提高。
本发明实施例提供的一种飞秒激光加工方法，一方面通过在对待加工工件进行加工之前，第一飞秒激光束对待加工工件的待加工区域进行辐照，提高了待加工工件内部电子的活跃程度，使待加工工件获得了额外的温度，提高了加工效率；另一方面通过在对待加工工件进行加工过程中，第一飞秒激光束对待加工工件的待加工区域进行辐照，使加工过程中产生的等离子体限制在加工区域，从而进一步使得加工区域的温度上升，进一步提高了加工效率。
基于上述实施例，步骤S1中所述对所述待加工工件的待加工区域进行辐照进一步包括：
对所述待加工工件的待加工区域进行预设时长的辐照。
其中，如图3所示，预处理阶段的辐照时间不是越长越好，待加工工件对辐照激光通量的吸收会达到饱和，如果继续对待加工工件进行辐照，对后续加工效率的提高没有影响。所以需要针对不同的材料确定最适合的辐照时间，即预设时长。
基于上述实施例，所述预设时长通过控制变量法实验获得，具体包括：
取一个待加工工件样本，对其使用上述方法进行打孔加工。在多次加工中，调整步骤S1中的辐照时间，可以按一定增量依次增加辐照时间。同时，在步骤S2中，观察每次加工过程中相同时间所加工孔的深度。记录步骤S2中相同时间内所加工孔的深度不再随着步骤S1中辐照时间的增加而增加的临界时刻，此临界时刻即为所述预设时长。
基于上述实施例，如图4所示，所述第一飞秒激光束对所述待加工工件的待加工区域进行辐照时，与所述待加工工件的表面有预设离焦量。
离焦量是激光焦点离作用物质间的距离，通常的激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。在本发明实施例中设定离焦量一方面主要是为了防止第一激光光束对样品进行第一次的加工改性，另一方面设定离焦量也是让加工区域均匀辐照。
基于上述实施例，所述方法还包括：
通过所述CCD相机实时获取所述待加工工件待加工区域的图像，来观察所述第一飞秒激光光束的和所述第二飞秒激光束的聚焦状态，以及所述待加工工件的加工状态。
具体地，借助CCD相机来实现样品表面的成像并用来检验两束光的聚焦状态。还可以借助CCD来实时观测微结构的加工形貌。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种飞秒激光加工系统，其特征在于，所述系统包括飞秒激光发射装置、第一光路以及第二光路；其中，
所述飞秒激光发射装置包括至少一个飞秒激光器，用于发射第一飞秒激光束和第二飞秒激光束；
所述第一光路用于将所述第一飞秒激光束的激光通量调整至低于所述待加工工件的改性阈值，并将经调整后的第一飞秒激光束传播至待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件的待加工区域进行辐照；
所述第二光路用于将所述第二飞秒激光束聚焦至所述待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件进行加工。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述飞秒激光发射装置包括一个飞秒激光器和一个5/5分光镜，所述飞秒激光器发射的飞秒激光经过一个5/5分光镜后被分成所述第一飞秒激光束和所述第二飞秒激光束。
3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述第一光路包括同轴布置的第一光闸、第一衰减器和透镜；
所述第一光闸用于控制所述第一飞秒激光束的通断，所述第一衰减器用于调整所述第一飞秒激光束的激光通量，所述透镜用于将所述第一飞秒激光束辐照到所述待加工工件上。
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述第二光路包括同轴布置的第二光闸、第二衰减器和物镜；
所述第一光闸用于控制所述第二飞秒激光束的通断，所述第二衰减器用于调整所述第二飞秒激光束的激光通量，所述物镜用于将所述第二飞秒激光束聚焦在所述待加工工件的表面。
5.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括CCD相机，用于实时获取所述待加工工件待加工区域的图像。
6.一种利用如权利要求1-5任意一项所述飞秒激光加工系统的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述方法包括：
S1，开启所述第一光闸，关闭所述第二光闸，所述第一光路将所述第一飞秒激光束的激光通量调整至低于所述待加工工件的改性阈值，并将经调整后的第一飞秒激光束传播至待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件的待加工区域进行辐照；
S2，开启所述第二光闸，所述第二光路将所述第二飞秒激光束聚焦至所述待加工工件的待加工区域，对所述待加工工件进行加工。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，步骤S1中所述对所述待加工工件的待加工区域进行辐照进一步包括：
对所述待加工工件的待加工区域进行预设时长的辐照。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述预设时长通过控制变量法实验获得。
9.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述第一飞秒激光束对所述待加工工件的待加工区域进行辐照时，与所述待加工工件的表面有预设离焦量。
10.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述CCD相机实时获取所述待加工工件待加工区域的图像，来观察所述第一飞秒激光光束的和所述第二飞秒激光束的聚焦状态，以及所述待加工工件的加工状态。
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