CN107579407A - 一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置和方法，其中装置包括：激光器、激光全反射镜、X方向振动反射镜、Y方向的振动反射镜、激光聚焦透镜和金属材料，激光器用于产生高峰值功率激光脉冲，激光全反射镜用于将高峰值功率激光脉冲反射至X方向振动反射镜，然后经过X方向振动反射镜和Y方向的振动反射镜将高峰值功率激光脉冲反射至激光聚焦透镜，激光聚焦透镜用于聚焦高峰值功率激光脉冲，金属材料位于激光聚焦透镜的下方，激光聚焦透镜聚焦的高峰值功率激光脉冲射入金属材料产生等离子体，用等离子体加工非金属材料。本发明加工非金属材料直接气化，没有烧蚀的痕迹，实现更高质量的非金属消融、切割、雕刻和打孔的效果。
Description
技术领域
本发明属于先进制造领域，更具体地，涉及一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置和方法。
背景技术
传统地激光材料加工，都是将激光能量直接作用于待加工的材料，材料吸收的激光能量决定于材料对该激光波长的吸收系数。一般来说，金属材料对波长较短的激光，吸收系数高，非金属材料对波长较长的材料吸收系数高。现有能产生窄脉冲宽度、高峰值功率的激光器，主要是固体激光器，输出波长在紫外到1.5微米的近红外范围内，此波段范围内，金属的吸收系数比较高，适合用于金属加工，对非金属材料，此波段的激光则被待加工的材料吸收少，不适于非金属材料加工。现有加工非金属材料，一般采用远红外波长10.6微米输出的二氧化碳激光器，但该激光器要产生窄脉冲宽度、高峰值功率输出则价格昂贵，且脉冲重复频率较低，无法适用化。还由于远红外的CO2激光器，线宽窄，无法获得超短脉冲，与材料的作用，主要是烧蚀效应，因而，加工非金属材料的质量较差，不能满足市场的要求。
由此可见，现有技术存在加工得到的非金属材料质量较差的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置和方法，由此解决现有技术存在加工得到的非金属材料质量较差的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置，包括激光器、激光全反射镜、X方向振动反射镜、Y方向的振动反射镜、激光聚焦透镜和金属材料，
激光器用于产生高峰值功率激光脉冲，激光全反射镜用于将高峰值功率激光脉冲反射至X方向振动反射镜，X方向振动反射镜用于将高峰值功率激光脉冲反射至Y方向的振动反射镜，Y方向的振动反射镜用于将高峰值功率激光脉冲反射至激光聚焦透镜，激光聚焦透镜用于聚焦高峰值功率激光脉冲，金属材料位于激光聚焦透镜的下方，激光聚焦透镜聚焦的高峰值功率激光脉冲射入金属材料产生等离子体，用等离子体加工非金属材料。
进一步的，装置还包括待加工的非金属材料和移动工作台，待加工的非金属材料放置在金属材料之上，移动工作台位于金属材料下方。
进一步的，待加工的非金属材料为透明的非金属材料，通过移动工作台将透明的非金属材料移动到高峰值功率激光脉冲经过之处或通过移动X方向振动反射镜和Y方向的振动反射镜使得高峰值功率激光脉冲经过透明的非金属材料，激光聚焦透镜聚焦的高峰值功率激光脉冲透过透明的非金属材料，作用于金属材料表面，从而使金属材料表面产生等离子体，等离子体溅射的方向垂直于金属材料表面，等离子体直接作用于透明的非金属材料上，实现对透明的非金属材料的烧蚀或气化。
进一步的，待加工的非金属材料为不透明的非金属材料，通过移动工作台将不透明的非金属材料移动到高峰值功率激光脉冲不经过之处或通过移动X方向振动反射镜和Y方向的振动反射镜使得高峰值功率激光脉冲不经过透明的非金属材料，激光聚焦透镜聚焦的高峰值功率激光脉冲直接作用于金属材料表面，从而使金属材料表面产生等离子体区域，再通过移动工作台将不透明的非金属材料移动到等离子体区域，或通过移动X方向振动反射镜和Y方向的振动反射镜将等离子体区域移动到不透明的非金属材料上，实现对不透明的非金属材料的烧蚀或气化。
进一步的，高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为10KW至1GW，高峰值功率激光脉冲的宽度为500ns至1fs，高峰值功率激光脉冲的频率为100Hz至100kHZ，高峰值功率激光脉冲的平均功率为1W至1KW，高峰值功率激光脉冲的波长为200nm至2μm。
按照本发明的另一个方面，提供了一种激光诱导等离子体加工非金属材料的方法，包括：
(1)利用激光器产生高峰值功率激光脉冲作用于金属材料表面，在金属表面产生等离子体；
(2)再利用等离子体加工非金属材料，实现对非金属材料的烧蚀或气化；
所述高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为10KW至1GW，高峰值功率激光脉冲的宽度为500ns至1fs，高峰值功率激光脉冲的频率为100Hz至100kHZ，高峰值功率激光脉冲的平均功率为1W至1KW，高峰值功率激光脉冲的波长为200nm至2μm。
进一步的，金属材料为不锈钢板、铁板或者碳钢板。
进一步的，非金属材料为有机塑料、布匹、木材、树叶或者纸张。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明利用激光器输出的高峰值功率激光脉冲，在金属表面产生的等离子体，可使非金属间接地吸收激光能量，达到对非金属材料烧蚀或气化的效果。
(2)本发明利用激光器输出的高峰值功率激光脉冲，在金属表面产生的等离子体，作用于非金属材料，可使非金属材料直接气化，没有烧蚀的痕迹，实现更高质量的非金属消融、切割、雕刻和打孔的效果。
(3)本发明激光器输出的高峰值功率激光脉冲通过聚焦，将高能量的激光脉冲聚焦于样品表面，样品表面因吸收光子的能量，导致表面被加热，激光与样品表面汇聚点的温度甚至可高达10000K以上，其物质在接触激光瞬间会发生融化，热电子会源源不断地发生物理变化，产生的粒子间以及所产生粒子与所有其他粒子间都会发生碰撞，这将形成“雪崩效应”，最终产生的大量高温物质即称为等离子体。本发明产生的等离子体的特点就是能量高，热影响区小，使得非金属加工精度更高。
(4)本发明高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为10KW至1GW，高峰值功率激光脉冲的宽度为500ns至1fs，高峰值功率激光脉冲的频率为100Hz至100kHZ，高峰值功率激光脉冲的平均功率为1W至1KW，高峰值功率激光脉冲的波长为200nm至2μm，使得非金属加工烧蚀痕迹更少，加工质量更高。
(5)本发明装置成本低，简单易操作，巧妙的通过移动工作台将不透明的非金属材料移动到等离子体区域，或通过移动X方向振动反射镜和Y方向的振动反射镜将等离子体区域移动到不透明的非金属材料上，实现对不透明的非金属材料的烧蚀或气化，使得非金属加工烧蚀痕迹更少，加工质量更高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的激光诱导等离子体加工透明的非金属材料的装置示意图；
图2是本发明实施例提供的激光诱导等离子体加工不透明的非金属材料的装置示意图；
图3是本发明实施例1提供的加工树叶的效果图；
图4是本发明实施例2提供的加工树叶的效果图；
图5是本发明实施例3提供的加工纸张的效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置，包括激光器1、激光全反射镜2、X方向振动反射镜3、Y方向的振动反射镜4和激光聚焦透镜5，激光器1产生的高峰值功率激光脉冲通过激光全反射镜2反射至X方向振动反射镜3，然后经过Y方向的振动反射镜4，最后通过激光聚焦透镜5聚焦；
所述装置还包括依次放置的金属材料7和移动工作台8，所述装置在工作时，待加工的非金属材料6放置在金属材料7之上，所述待加工的非金属材料6为透明的非金属材料，激光聚焦透镜5聚焦的高峰值功率激光脉冲透过透明的非金属材料。
装置在加工透明的非金属材料时，激光器1产生高峰值功率激光脉冲经过激光全反射镜2、X方向振动反射镜3、Y方向的振动反射镜4和激光聚焦透镜5后透过透明的非金属材料，作用于金属材料7表面，从而使金属材料7表面产生等离子体，等离子体溅射的方向垂直于金属材料7表面，等离子体直接作用于透明的非金属材料上，实现对透明的非金属材料的烧蚀或气化。高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为10KW至1GW，高峰值功率激光脉冲的宽度为500ns至1fs，高峰值功率激光脉冲的频率为100Hz至100kHZ，高峰值功率激光脉冲的平均功率为1W至1KW，高峰值功率激光脉冲的波长为200nm至2μm。激光聚焦透镜5的焦距以焦点大小能使金属材料7表面产生等离子体为准，金属材料7只要高峰值功率激光脉冲能产生等离子体的金属材料都可使用，移动工作台8的方向可控制，移动行程由加工范围的大小决定。
本发明实施例中，激光器优选为固体激光器，比起远红外CO2激光器对非金属材料的加工，固体激光器诱导金属材料产生等离子体对非金属材料的加工，烧蚀痕迹更少，加工质量更高。固体激光器作用于非金属材料的波长不敏感，可选激光器的范围宽。虽然本发明申请的是对非金属材料加工，对较薄的金属材料，同样可利用本装置进行切割加工。
如图2所示，一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置，其特征在于，包括激光器1′、激光全反射镜2′、X方向振动反射镜3′、Y方向的振动反射镜4′和激光聚焦透镜5′，激光器1′产生的高峰值功率激光脉冲通过激光全反射镜2′反射至X方向振动反射镜3′，然后经过Y方向的振动反射镜4′，最后通过激光聚焦透镜5′聚焦；
所述装置还包括依次放置的金属材料7′和移动工作台8′，所述装置在工作时，待加工的非金属材料6′放置在金属材料7′之上，所述待加工的非金属材料6′为不透明的非金属材料，激光聚焦透镜5′聚焦的高峰值功率激光脉冲直接作用于金属材料7′表面。
装置在加工不透明的非金属材料时，激光器1′产生高峰值功率激光脉冲经过激光全反射镜2′、X方向振动反射镜3′、Y方向的振动反射镜4′和激光聚焦透镜5′后直接作用于金属材料7′表面，从而使金属材料7′表面产生等离子体区域，再通过移动工作台8′将不透明的非金属材料移动到等离子体区域，或通过移动X方向振动反射镜3′和Y方向的振动反射镜4′将等离子体区域移动到不透明的非金属材料上，实现对不透明的非金属材料的烧蚀或气化。高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为10KW至1GW，高峰值功率激光脉冲的宽度为500ns至1fs，高峰值功率激光脉冲的频率为100Hz至100kHZ，高峰值功率激光脉冲的平均功率为1W至1KW，高峰值功率激光脉冲的波长为200nm至2μm。
激光聚焦透镜5的焦距以焦点大小能使金属材料7表面产生等离子体为准，金属材料7只要高峰值功率激光脉冲能产生等离子体的金属材料都可使用，移动工作台8的方向可控制，移动行程由加工范围的大小决定。本发明实施例中，激光器优选为固体激光器。
实施例1
利用激光器产生高峰值功率激光脉冲作用于不锈钢板表面，在不锈钢板表面产生等离子体；再利用等离子体加工树叶，实现对树叶的加工；所述高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为10KW，高峰值功率激光脉冲的宽度为500ns，高峰值功率激光脉冲的频率为100Hz，高峰值功率激光脉冲的平均功率为1W，高峰值功率激光脉冲的波长为200nm，加工树叶的效果图如图3所示，加工烧蚀痕迹少，加工质量高。
实施例2
利用激光器产生高峰值功率激光脉冲作用于铁板表面，在铁板表面产生等离子体；再利用等离子体加工树叶，实现对树叶的加工；所述高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为1GW，高峰值功率激光脉冲的宽度为1fs，高峰值功率激光脉冲的频率为100kHZ，高峰值功率激光脉冲的平均功率为1KW，高峰值功率激光脉冲的波长为2μm，加工树叶的效果图如图4所示，加工烧蚀痕迹少，加工质量高。
实施例3
利用激光器产生高峰值功率激光脉冲作用于碳钢板表面，在碳钢板表面产生等离子体；再利用等离子体加工纸张，实现对纸张的加工；所述高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为100KW，高峰值功率激光脉冲的宽度为800ns，高峰值功率激光脉冲的频率为500Hz，高峰值功率激光脉冲的平均功率为100W，高峰值功率激光脉冲的波长为800nm，加工纸张的效果图如图5所示，加工烧蚀痕迹少，加工质量高。
实施例4
利用激光器产生高峰值功率激光脉冲作用于碳钢板表面，在碳钢板表面产生等离子体；再利用等离子体加工有机塑料，实现对有机塑料的加工；所述高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为200KW，高峰值功率激光脉冲的宽度为600ns，高峰值功率激光脉冲的频率为600Hz，高峰值功率激光脉冲的平均功率为300W，高峰值功率激光脉冲的波长为500nm，加工的有机塑料烧蚀痕迹少，加工质量高。
实施例5
利用激光器产生高峰值功率激光脉冲作用于碳钢板表面，在碳钢板表面产生等离子体；再利用等离子体加工布匹，实现对布匹的加工；所述高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为300KW，高峰值功率激光脉冲的宽度为700ns，高峰值功率激光脉冲的频率为700Hz，高峰值功率激光脉冲的平均功率为500W，高峰值功率激光脉冲的波长为1000nm，加工的布匹烧蚀痕迹少，加工质量高。
实施例6
利用激光器产生高峰值功率激光脉冲作用于碳钢板表面，在碳钢板表面产生等离子体；再利用等离子体加工木材，实现对木材的加工；所述高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为500KW，高峰值功率激光脉冲的宽度为900ns，高峰值功率激光脉冲的频率为800Hz，高峰值功率激光脉冲的平均功率为700W，高峰值功率激光脉冲的波长为1500nm，加工的木材烧蚀痕迹少，加工质量高。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置，其特征在于，包括激光器(1)、激光全反射镜(2)、X方向振动反射镜(3)、Y方向的振动反射镜(4)、激光聚焦透镜(5)和金属材料(7)，
激光器(1)用于产生高峰值功率激光脉冲，激光全反射镜(2)用于将高峰值功率激光脉冲反射至X方向振动反射镜(3)，X方向振动反射镜(3)用于将高峰值功率激光脉冲反射至Y方向的振动反射镜(4)，Y方向的振动反射镜(4)用于将高峰值功率激光脉冲反射至激光聚焦透镜(5)，激光聚焦透镜(5)用于聚焦高峰值功率激光脉冲，金属材料(7)位于激光聚焦透镜(5)的下方，激光聚焦透镜(5)聚焦的高峰值功率激光脉冲射入金属材料(7)产生等离子体，用等离子体加工非金属材料。
2.如权利要求1所述的一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置，其特征在于，所述装置还包括待加工的非金属材料(6)和移动工作台(8)，待加工的非金属材料(6)放置在金属材料(7)之上，移动工作台(8)位于金属材料(7)下方。
3.如权利要求2所述的一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置，其特征在于，所述待加工的非金属材料(6)为透明的非金属材料，通过移动工作台(8)将透明的非金属材料移动到高峰值功率激光脉冲经过之处或通过移动X方向振动反射镜(3)和Y方向的振动反射镜(4)使得高峰值功率激光脉冲经过透明的非金属材料，激光聚焦透镜(5)聚焦的高峰值功率激光脉冲透过透明的非金属材料，作用于金属材料(7)表面，从而使金属材料(7)表面产生等离子体，等离子体溅射的方向垂直于金属材料(7)表面，等离子体直接作用于透明的非金属材料上，实现对透明的非金属材料的烧蚀或气化。
4.如权利要求2所述的一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置，其特征在于，所述待加工的非金属材料(6)为不透明的非金属材料，通过移动工作台(8)将不透明的非金属材料移动到高峰值功率激光脉冲不经过之处或通过移动X方向振动反射镜(3)和Y方向的振动反射镜(4)使得高峰值功率激光脉冲不经过透明的非金属材料，激光聚焦透镜(5)聚焦的高峰值功率激光脉冲直接作用于金属材料(7)表面，从而使金属材料(7)表面产生等离子体区域，再通过移动工作台(8)将不透明的非金属材料移动到等离子体区域，或通过移动X方向振动反射镜(3)和Y方向的振动反射镜(4)将等离子体区域移动到不透明的非金属材料上，实现对不透明的非金属材料的烧蚀或气化。
5.如权利要求1-4任意一项所述的一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置，其特征在于，所述高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为10KW至1GW，高峰值功率激光脉冲的宽度为500ns至1fs，高峰值功率激光脉冲的频率为100Hz至100kHZ，高峰值功率激光脉冲的平均功率为1W至1KW，高峰值功率激光脉冲的波长为200nm至2μm。
6.一种激光诱导等离子体加工非金属材料的方法，其特征在于，包括：
(1)利用激光器产生高峰值功率激光脉冲作用于金属材料表面，在金属表面产生等离子体；
(2)再利用等离子体加工非金属材料，实现对非金属材料的烧蚀或气化；
所述高峰值功率激光脉冲的高峰值功率为10KW至1GW，高峰值功率激光脉冲的宽度为500ns至1fs，高峰值功率激光脉冲的频率为100Hz至100kHZ，高峰值功率激光脉冲的平均功率为1W至1KW，高峰值功率激光脉冲的波长为200nm至2μm。
7.如权利要求6所述的一种激光诱导等离子体加工非金属材料的方法，其特征在于，所述金属材料为不锈钢板、铁板或者碳钢板。
8.如权利要求6或7所述的一种激光诱导等离子体加工非金属材料的方法，其特征在于，所述非金属材料为有机塑料、布匹、木材、树叶或者纸张。
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