CN107785774A - 一种用于激光微细加工的激光调制方法和装置 - Google Patents

一种用于激光微细加工的激光调制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于激光微细加工的激光调制方法和装置，通过激发泵浦源产生能量在预设阈值范围内的自由运转脉冲激光，该能量的预设阈值范围为20mJ～30mJ，再通过声光器件对自由运转脉冲激光同步调制，获得脉冲激光序列；从而利用能量较低的自由运转脉冲激光，通过声光器件调制后可获得具有高功率峰值的脉冲激光序列，以获得激光微细加工所需要的幅值较大、持续时间较短的脉冲信号，并延长激光器的使用寿命。

Description

一种用于激光微细加工的激光调制方法和装置
技术领域
本发明涉及激光微细加工技术领域，更具体地，涉及一种用于激光微细加工的激光调制方法和装置。
背景技术
激光微细加工技术在激光技术应用方面有着举足轻重的作用，它是指使用激光对于小型工件进行加工、切割的技术，尤其对于大量具有小孔或者微细沟槽的复杂结构的电子器件、医疗器件和汽车制品具有重大意义。随着工业和技术的不断发展，制品孔的直径和沟槽变得越来越小，尺寸的公差越来越严格，只有基于激光微细加工技术才能满足对于零件提出的毫米级乃至微米级的加工要求。
目前，在激光微细加工领域中主要采用激光自由运转脉冲对小型工件进行打孔等操作。但是，采用自由运转脉冲激光穿孔，则要求激光器在高能量状态下工作，将严重影响泵浦源的寿命，并增大聚光腔内的热沉积，光束质量严重变差，会造成加工的孔形质量差，孔的锥度较大，孔壁存在较多的再铸层和微裂纹，以及有沉积物在孔内等问题；如果降低激光的能量，采用自由运转脉冲激光在近域值(低能量状态下工作)打孔，由于功率低，对较厚工件不能有效穿孔。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种用于激光微细加工的激光调制方法和装置。
根据本发明的一个方面，提供一种用于激光微细加工的激光调制方法，包括：激发泵浦源产生自由运转脉冲激光，自由运转脉冲激光的能量在预设阈值范围内，上述预设阈值范围为20mJ～30mJ；通过声光器件对自由运转脉冲激光同步调制，获得脉冲激光序列。
其中，激发泵浦源产生自由运转脉冲激光之前，还包括：产生触发信号，该触发信号用于驱动激光电源激发泵浦源；将触发信号输入到激光电源。
其中，通过声光器件对自由运转脉冲激光同步调制，包括：通过工控机生成调制波形；根据触发信号，控制工控机将调制波形输入到高频电源，以使高频电源产生与调制波形相对应的超声波；通过高频电源产生的超声波调整声光器件，以调节激光谐振腔的Q值。
其中，根据触发信号，控制工控机将调制波形输入到高频电源，包括：将触发信号输入到工控机，以使工控机在预设的延迟时间后将调制波形输入到高频电源。
其中，通过高频电源产生的超声波调整声光器件，以调节激光谐振腔的Q值，包括：通过超声波调节声光器件中声光介质的密度变化；通过声光介质的密度变化控制自由运转脉冲激光的衍射损耗变化；通过自由运转脉冲激光的衍射损耗变化调节激光谐振腔的Q值。
其中，调制波形为方波，调制波形的总宽度大于自由运转脉冲激光的宽度。
其中，延迟时间的范围在20μs～100μs之间。
本发明的另一方面，提供一种用于激光微细加工的激光调制装置，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令以执行上述的方法。
本发明的又一方面，提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包括程序指令，当该程序指令被计算机执行时，使计算机执行上述的方法。
本发明的又一方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，该计算机程序使计算机执行上述的方法。
本发明提供的一种用于激光微细加工的激光调制方法和装置，通过激发泵浦源产生能量在预设阈值范围内的自由运转脉冲激光，该预设阈值范围为20mJ～30mJ，再通过声光器件对自由运转脉冲激光同步调制，获得脉冲激光序列；从而利用能量较低的自由运转脉冲激光，通过声光器件调制后可获得具有高功率峰值的脉冲激光序列，以获得激光微细加工所需要的幅值较大、持续时间较短的脉冲信号，并延长激光器的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的用于激光微细加工的激光调制方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的用于激光微细加工的激光器的示意图；
图3为根据本发明实施例的通过声光器件对自由运转脉冲激光调制的波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作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。
在本发明的一个实施例中，参考图1，提供一种用于激光微细加工的激光调制方法，包括：S11，激发泵浦源产生自由运转脉冲激光，自由运转脉冲激光的能量在预设阈值范围内，上述预设阈值范围为20mJ～30mJ；S12，通过声光器件对自由运转脉冲激光同步调制，获得脉冲激光序列。
具体的，图2为用于激光微细加工的激光器的示意图，该激光器包括一个谐振腔，该谐振腔由全反镜、透反镜和泵浦源构成；激光器存在一个阈值，所谓激光器的阈值指的就是能使激光器产生自由运转脉冲激光的最低泵浦电压(如固体激光器)或者泵浦电流(如半导体激光器)，一般情况下，激光器的在近阈值附近(即激光器刚刚产生自由运转脉冲激光)工作时，所产生的自由运转脉冲激光的能量很低，不能用于对工件的加工或者穿孔。本实施例中，在谐振腔的全反镜和泵浦源之间增加声光器件，对在近阈值附近工作时所产生的自由运转脉冲激光(能量范围为20mJ～30mJ)进行调制，以获得满足激光微细加工所需要的幅值较大、持续时间较短的脉冲激光，从而使激光器无需在高能量状态下工作，在低能量状态下也能完成对工件的微细加工。
本实施例通过激发泵浦源产生能量在预设阈值范围内的自由运转脉冲激光，该预设阈值范围为20mJ～30mJ，再通过声光器件对自由运转脉冲激光同步调制，获得脉冲激光序列；从而利用能量较低的自由运转脉冲激光，通过声光器件调制后可获得具有高功率峰值的脉冲激光序列，以获得激光微细加工所需要的幅值较大、持续时间较短的脉冲信号，并延长激光器的使用寿命。
基于以上实施例，激发泵浦源产生自由运转脉冲激光之前，还包括：产生触发信号，该触发信号用于驱动激光电源激发泵浦源；将触发信号输入到激光电源。
具体的，激光电源主要包括充电电路、储能电路、触发电路、预燃电路与控制电路等，激光电源激发泵浦源之前，需要触发信号驱动激光电源工作，该触发信号可通过脉冲信号发生器产生，当脉冲信号发生器产生一个触发信号输入到激光电源时，触发电路给氙灯提供一个高压脉冲，灯内气体击穿，进扩低阻状态。所采用激光器可以是脉冲Nd-YAG固体激光器,其最大脉冲频率为500H z，自由运转脉冲激光的脉冲宽度为0.25ms～0.5ms。
基于以上实施例，通过声光器件对自由运转脉冲激光同步调制，包括：通过工控机生成调制波形；根据触发信号，控制工控机将调制波形输入到高频电源，以使高频电源产生与调制波形相对应的超声波；通过高频电源产生的超声波调整声光器件，以调节激光谐振腔的Q值。
其中，调制波形为方波，调制波形的总宽度大于自由运转脉冲激光的宽度。
具体的，如图2所示，工控机连接到高频电源，高频电源连接到声光器件；可将预先设置好的调制波形的参数输入到工控机，在工控机接收到触发信号后，工控机依据调制波形的参数生成调制波形，在满足预设的条件下将调制波形输入到高频电源，该预设的条件可根据实际情况实时调整，高频电源根据调制波形可产生相应的超声波调制声光器件，以调节激光谐振腔的Q值，由于超声波随调制波形呈波动变化，激光谐振腔的Q值也随之发生波动变化，在激光谐振腔的Q值较小时，激光谐振腔内的自由运转脉冲激光不能形成谐振，在这个期间，其上能级反转粒子数不断积累并达到饱和值；在激光谐振腔的Q增大到一定值时，激光谐振腔中的自由运转脉冲激光的谐振恢复，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为激光谐振腔内的光能量，在激光谐振腔的输出端以脉冲形式将能量释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出。
在调制的过程中，通常选用的调制波形为方波，可促使激光谐振腔的Q值有一个突然增大的过程，以保证上能级的反转粒子数在极短的时间内被消耗，形成峰值功率很高的巨脉冲激光输出；同时，为了充分利用自由运转脉冲激光的输出能量，以及避免激光器的热效应，将调制波形的总宽度设置为大于自由运转脉冲激光的宽度。
基于以上实施例，根据触发信号，控制工控机将调制波形输入到高频电源，包括：将触发信号输入到工控机，以使工控机延迟在预设的延迟时间后将调制波形输入到高频电源。
其中，延迟时间的范围在20μs～100μs之间。
具体的，由于激光器在激发自由运转脉冲激光的过程中，器件不可避免的存在延迟，而触发工控机向高频电路发送调制波形的触发信号与触发信号和触发激光电源激发泵浦源产生自由运转脉冲激光的触发信号是同时发出的，可设置工控机对触发信号的延迟时间，使工控机在延迟时间后将调制波形输入到高频电源，以保证对自由运转脉冲激光的同步调制；延迟时间对最终输出的脉冲激光质量影响是很大的，如图3所示，图3a为延迟时间设置不合理时获得的最终输出的脉冲激光，其质量很差，不能用于激光微细加工，在延迟时间的范围在20μs～100μs之间，并经过进一步合理调整，可获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出，如图3b所示的是3个脉宽约为120ns的尖峰脉冲激光序列，图3c为其中一个尖峰脉冲激光的放大图。
基于以上实施例，通过高频电源产生的超声波调整声光器件，以调节激光谐振腔的Q值，包括：通过超声波调节声光器件中声光介质的密度变化；通过声光介质的密度变化控制自由运转脉冲激光的衍射损耗变化；通过自由运转脉冲激光的衍射损耗变化调节激光谐振腔的Q值。
具体的，声光器件使用的是声光调Q技术，调Q技术就是通过某种方法使谐振腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。在泵浦开始时使谐振腔处在低Q值状态，即提高谐振阈值，使谐振不能生成，上能级的反转粒子数就可以大量积累，当积累到最大值(饱和值)时，突然使腔的损耗减小，Q值突增，激光谐振迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为谐振腔内的光能量，在谐振腔的输出端以脉冲形式将能量释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出。本实施例中，通过超声波调节声光器件中声光介质的密度变化，由于超声波的强度的波形与调制波形是相对应的以方波的形式周期性变化，声光介质密度发生周期变化，导致折射率周期变化，当超声波的强度达最大值时，使光束发生偏转，这时谐振腔的Q值很低，使上能级粒子数迅速积累；当超声波的强度突然变为0时，光束可自由通过声光介质，谐振腔的Q值陡然增高，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为激光谐振腔内的光能量，在激光谐振腔的输出端以脉冲形式将能量释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出。
作为本发明的又一实施例，提供一种用于激光微细加工的激光调制装置，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：激发泵浦源产生自由运转脉冲激光，自由运转脉冲激光的能量在预设阈值范围内，上述预设阈值范围为20mJ～30mJ；通过声光器件对自由运转脉冲激光同步调制，获得脉冲激光序列。
作为本发明的又一个实施例，提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：激发泵浦源产生自由运转脉冲激光，自由运转脉冲激光的能量在预设阈值范围内，上述预设阈值范围为20mJ～30mJ；通过声光器件对自由运转脉冲激光同步调制，获得脉冲激光序列。
作为本发明的又一个实施例，提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，该计算机程序使该计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：激发泵浦源产生自由运转脉冲激光，自由运转脉冲激光的能量在预设阈值范围内，上述预设阈值范围为20mJ～30mJ；通过声光器件对自由运转脉冲激光同步调制，获得脉冲激光序列。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，前述的计算机程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后说明的是：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)

1.一种用于激光微细加工的激光调制方法，其特征在于，包括：
激发泵浦源产生自由运转脉冲激光，所述自由运转脉冲激光的能量在预设阈值范围内，所述预设阈值范围为20mJ～30mJ；
通过声光器件对所述自由运转脉冲激光同步调制，获得脉冲激光序列。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激发泵浦源产生自由运转脉冲激光之前，还包括：
产生触发信号，所述触发信号用于驱动激光电源激发所述泵浦源；
将所述触发信号输入到所述激光电源。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过声光器件对所述自由运转脉冲激光同步调制，包括：
通过工控机生成调制波形；
根据所述触发信号，控制所述工控机将所述调制波形输入到高频电源，以使所述高频电源产生与所述调制波形相对应的超声波；
通过所述高频电源产生的所述超声波调整所述声光器件，以调节激光谐振腔的Q值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述触发信号，控制所述工控机将所述调制波形输入到高频电源，包括：
将所述触发信号输入到所述工控机，以使所述工控机在预设的延迟时间后将所述调制波形输入到所述高频电源。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过所述高频电源产生的所述超声波调整所述声光器件，以调节激光谐振腔的Q值，包括：
通过所述超声波调节所述声光器件中声光介质的密度变化；
通过所述声光介质的密度变化控制所述自由运转脉冲激光的衍射损耗变化；
通过所述自由运转脉冲激光的衍射损耗变化调节所述激光谐振腔的Q值。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述调制波形为方波，所述调制波形的总宽度大于所述自由运转脉冲激光的宽度。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述延迟时间的范围在20μs～100μs之间。
8.一种用于激光微细加工的激光调制装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令以执行如权利要求1至7任一所述的方法。
9.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行如权利要求1至7任一所述的方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序使所述计算机执行如权利要求1至7任一所述的方法。
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