CN108637489A - 一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法，通过利用包含迈克尔逊干涉仪的激光铣削槽系统，将单脉冲序列激光改为双脉冲序列激光，通过增加迈克尔逊干涉仪两干涉臂的光程差间接增大了双脉冲序列激光的脉冲延迟，增加了激光的时间延迟并间接增加了双脉冲激光的光程差，达到了减小铣削槽宽度的目的，同时通过计算获取精准的铣削槽宽度数值，削槽精度高。

Description

一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法

技术领域

本发明涉及一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法，属于激光削槽领域。

背景技术

微沟槽是微细加工技术的代表，其精度与尺度是微细加工技术的重要代表。不断减小可加工出的结构的尺度，是微细加工所追求的重要方向。以微沟槽道为代表的精密微细结构在微纳卫星、微沟槽道换热器件(例如空间燃料电池冷板)、空间用新型涂层检测器、卫星的射线观测准直器等系统或结构的研制上得到越来越多的应用。超快激光微细加工技术以其低热影响性、可实现亚微米/纳米尺度加工、可加工几乎任何材料的突出优势，在微细加工技术中占有重要的一席之地，目前已经用于大热流密度微槽道冷板的微槽管芯的制备研究中，以及我国首颗太阳探测“先进天基太阳天文台(ASO-S)”望远镜卫星准直器光栅的研制当中。然而，伴随着产品性能的提升，需要对结构加工精度、加工尺度提出更高的要求。其中，在保持或提升沟槽深宽比的前提下，减小微沟槽的宽度是一个重要的需求。这种需求已经在微小型槽道平板热管和卫星准直器中的微槽结构研制过程中得以体现，其核心问题是加工出大深宽比微沟槽结构。

从超快激光器发出的脉冲激光是以单脉冲序列的形式存在的，这是超快激光的传统形式。对于这种传统形式，可以通过降低脉冲能量来减小槽道的宽度，但会同时造成沟槽的深度的急剧减小和深宽比的急剧减小，从而非常不利于提升或保持沟槽的深宽比；可以通过增大单脉冲脉宽来提高材料的加工阈值、从而减小槽宽尺寸，但是增大脉宽会加重激光加工的热效应、从而削弱超快激光著名的“冷”加工优势；可以通过增大聚焦物镜的数值孔径来减小焦斑的尺寸从而加工出更窄的槽道，但是受限于焦深与焦斑的之间存在的固有矛盾，即焦斑越小焦深也越小，这会大幅牺牲微沟槽的深度、从而牺牲了微沟槽的深宽比。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中超快激光加工存在的牺牲沟槽的深度和深宽比、加重热效应等不足，提供一种在不明显降低加工深度的前提下大幅降低微槽铣削宽度的方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法，具体步骤如下：

(1)输入单脉冲序列激光并将波长转换为铣削所需波长λ2输出；

(2)对波长为λ2的单脉冲序列激光进行分束，并改变分束后所得双脉冲序列激光的光程差；

(3)将步骤(2)所得分束后具有光程差的双脉冲序列激光进行合束，并利用合束后双脉冲序列激光进行铣削微槽加工。

所述步骤(2)中，所述光程差范围为Δlmin～3000μm，其中下限值Δlmin根据输入单脉冲序列激光脉宽tp计算，计算公式如下：

Δlmin＝tp×c

式中，c为光速。

所述tp的范围为35fs～3ps。

所述步骤(3)中，加工所得激光铣削微槽宽度为：

d(Δl)＝A×exp(-Δl/Δs)+B

其中，Δl为双脉冲序列激光光程差，Δl＝0.5×c×τ，τ为双脉冲序列激光时间延迟，A为同能量单脉冲序列激光铣削槽槽宽，B为双脉冲序列激光铣削槽在光程差上限时槽宽饱和值，Δs为双脉冲序列铣削槽宽度衰减特征值，d(Δl)为铣削槽宽度。

所述铣削微槽的材料为钽及其合金、铁及其合金、铝及其合金、铬及其合金、碳化硅及铝基碳化硅或者二氧化硅。

优选的，所述λ2的范围为400～2000nm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法，使用时域整形的双脉冲序列代替传统形式的单脉冲序列，在其他相同的加工条件下，通过改变双脉冲序列激光的时间延迟以减小激光光子能在材料中的沉积量率，从而达到提升材料消融阈值、进而减小激光铣削微槽宽度的目的，可使得铣削宽度减小20％～50％；

(2)本发明提出了新的铣削槽宽与时间延迟关系式的计算方法，提高了实验中对削槽宽度进行控制的精度，同时能适应多种传统金属、合金及多种复合材料的削槽，对实验环境无要求，计算量小，精度高。

附图说明

图1为发明提供的减小铣削微槽宽度方法流程图；

图2为发明提供的激光铣削槽系统结构示意图；

具体实施方式

一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法，如图2所示，通过利用包括激光器1，光学参量放大器2，能量衰减片3、迈克尔逊干涉仪4、线性移动平移台404、光快门5、聚焦透镜6、六自由度移动平移台7的激光铣削槽系统，对待加工材料8进行激光削槽，将单脉冲序列激光改为双脉冲序列激光，减小铣削槽宽度的同时通过计算获取精准的铣削槽宽度数值，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1：调节激光铣削槽装置内部元器件的位置和姿态，打开激光器1，根据光学参量放大器2对激光器输入激光的波长进行测量，并将输入激光的输入波长λ1转变为削槽所需特定输出波长λ2；

步骤2：通过迈克尔逊干涉仪4的分束镜将步骤(1)转化后的单脉冲序列激光分束，并通过线性移动平台改变分束后激光的光程差，其中，迈克尔逊干涉仪内部包括分束镜401、可动臂反射镜402、固定臂反射镜403、一维线性移动平移台404。分束过程为：波长为λ2的单脉冲激光序列通过分束镜401的迎光面后，分束成反射光和透射光——反射光经可动臂反射镜402反射后又穿透分束镜401，并到达分束镜401的合束面，而透射光经固定臂反射镜403反射后，也到达分束镜401的合束面。通过调节一维线性移动平移台404，可改变可动臂的位置、从而改变反射光的光程，进而可以实现反射光光程相对于透射光光程差Δl的调节；

步骤3：将步骤(2)所得分束后激光，通过调整可动臂反射镜402与固定臂反射镜403的俯仰和左右位置，实现分束激光在分束镜401合束面的重合，并通过控制光快门实现合束后激光由透镜至待加工材料的导通；

其中，步骤(2)所得双脉冲序列激光光程差取值范围为Δlmin～3000μm，其中下限值Δlmin根据输入激光脉宽tp计算，计算公式如下：

Δlmin＝tp×c

式中，c为光速。

根据步骤(2)所得双脉冲序列激光光程差可以获取激光铣削槽宽度，计算公式如下：

Δl＝0.5×c×τ

d(Δl)＝A×exp(-Δl/Δs)+B

式中，c为光速，τ为双脉冲序列激光时间延迟，Δl为双脉冲序列激光光程差，B为双脉冲序列铣削的最小槽宽，A为同能量的单脉冲序列铣削的槽宽，Δs为特征光程差，代表双脉冲序列铣槽宽度由最大值衰减到最小值时所需要调节的光程差的特征值，d(Δl)为铣削槽宽度。

下面结合具体实施例进行分析：

根据上述激光削槽装置，进行钽材的激光削槽试验，可得光程差Δl(mm)与槽宽d(μm)的数据表如下：

光程差Δl	0.011	0.150	0.450	0.750	1.500	2.250	3.000
								槽宽d	13.93	11.92	10.84	10.66	10.63	10.60	10.58

根据上述表格可得在同能量的单脉冲序列加工的微槽宽度固定的情况下，通过改变双脉冲序列激光的时间延迟，可以改变激光削槽槽宽，使槽宽减小，保证了铣削过程的精度，能够使削槽更加精细，随着光程差Δl的增大，在钽材上铣削出的微槽宽度呈递减趋势，并逐渐饱和，此时针对钽材的槽宽计算公式如下：

d(Δl)＝3.50×exp(-Δl/152)+10.655。

在单脉冲序列激光转化为双脉冲序列激光的过程中，通过改变入射光波长转化为所需波长，保证了在改变削槽宽度的同时，不会降低加工深度，在仅改变双脉冲激光序列时间延迟的条件下，减小激光光子能在材料中的沉积量率，从而达到提升材料消融阈值、提高材料去除的分辨率，进而减小激光铣削微槽宽度的目的。同时，作为一种共性方法，该发明可用于超快激光减材制造领域的其他方向，例如基于超快激光的材料微细切割，基于超快激光的微孔铣削或钻削。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法，其特征在于步骤如下：

(1)输入单脉冲序列激光并将波长转换为铣削所需波长λ2输出；

(2)对波长为λ2的单脉冲序列激光进行分束，并改变分束后所得双脉冲序列激光的光程差；

(3)将步骤(2)所得分束后具有光程差的双脉冲序列激光进行合束，并利用合束后双脉冲序列激光进行铣削微槽加工。

2.根据权利要求1所述的一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述光程差范围为Δlmin～3000μm，其中下限值Δlmin根据输入单脉冲序列激光脉宽tp计算，计算公式如下：

Δlmin＝tp×c

式中，c为光速。

3.根据权利要求2所述的一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法，其特征在于：所述tp的范围为35fs～3ps。

4.根据权利要求1所述的一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，加工所得激光铣削微槽宽度为：

d(Δl)＝A×exp(-Δl/Δs)+B

其中，Δl为双脉冲序列激光光程差，Δl＝0.5×c×τ，τ为双脉冲序列激光时间延迟，A为同能量单脉冲序列激光铣削槽槽宽，B为双脉冲序列激光铣削槽在光程差上限时槽宽饱和值，Δs为双脉冲序列铣削槽宽度衰减特征值，d(Δl)为铣削槽宽度。

5.根据权利要求4所述的一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法，其特征在于：所述铣削微槽的材料为钽及其合金、铁及其合金、铝及其合金、铬及其合金、碳化硅及铝基碳化硅或者二氧化硅。

6.根据权利要求1所述的一种利用超快激光进行铣削微槽加工的方法，其特征在于：所述λ2的范围为400～2000nm。