CN108672960A - 一种基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，包括：在工件上的预设位置处开设初始孔；在所述初始孔内填充用于使激光透射后在其底面上产生预设偏折角度折射的折射材料；通过激光照射所述初始孔，以使激光透射所述折射材料后沿预设方向烧蚀其底面以形成弯折孔。如此，本发明利用折射材料对激光光路的偏折作用，控制激光进入初始孔后的烧蚀光路方向，从而实现利用激光完成工件内多段弯折孔的加工目的，相比于现有技术中的传统机械加工方法，本发明能够直接、方便、高效地实现对工件上的弯折微孔的加工，提高加工效率和加工质量，无需在工件上设置额外的工艺孔，避免对工件造成额外破坏。

Description

一种基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法。

背景技术

微孔广泛存在于微流控芯片、生物芯片及微电子器件中，常用于控制各类型的化学反应、筛选异常细胞、基因检测、电学通道等各类重要应用场合。

目前，由于精确检测、控制反应等功能的需要，要求在工件上制备出具有若干个具有不同弯折角度的弯折段的微孔，如此对微孔的形状及微孔侧壁表面的质量要求极高。例如，在高速通信领域，加工出高双折射光子晶体光纤上的弯折微孔可大大地改善光纤传输性能。在微流控芯片上，加工出的弯折微孔可实现芯片中流体的各种生物、化学、物理反应和处理。对于现代超精密加工技术来说，在厚度为500μm的工件上加工孔形可控的微直通孔，本身已经是一个巨大的挑战，加工质量更加无法保证。

通过现有技术中的机械加工的方法，只能在工件上加工出位于表面和底面上的两段沉孔，而无法轻易加工出内部的用于连接该两段沉孔的弯折微孔。并且，机械加工工艺的最小直径一般大于100μm，远无法满足流控芯片、生物芯片等需求。即使强行使用传统的机械加工方法将弯折微孔加工出来，其加工手段也非常繁琐，并且加工效率、加工质量均无法保证，同时往往还伴随着对工件本身其余部分的破坏，比如在工件表面上钻额外的工艺孔等。

因此，如何方便、高效地实现对工件上的弯折微孔的加工，提高加工效率和加工质量，避免对工件造成额外破坏，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，能够方便、高效地实现对工件上的弯折微孔的加工，提高加工效率和加工质量，避免对工件造成额外破坏。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，包括：

在工件上的预设位置处开设初始孔；

在所述初始孔内填充用于使激光透射后在其底面上产生预设偏折角度折射的折射材料；

通过激光照射所述初始孔，以使激光透射所述折射材料后沿预设方向烧蚀其底面以形成弯折孔。

优选地，在通过激光照射所述初始孔后，还包括：

在所述初始孔内重新填充所述折射材料，并在当前所述弯折孔内填充新的折射材料；

通过激光照射所述初始孔，并使激光依次透射所述初始孔内的折射材料和当前所述弯折孔内的折射材料，以使激光沿预设方向烧蚀当前所述弯折孔的底面以形成新一级的弯折孔。

优选地，在开设初始孔之前，还包括：

对工件进行预处理，以清除工件表面杂质。

优选地，对工件进行预处理，具体包括：

将工件置于预设有机溶液中，并通过超声清洗；

对工件表面进行去离子处理，并干燥。

优选地，在当前所述弯折孔内填充新的折射材料之前，还包括：

根据下一级弯折孔与当前弯折孔之间的偏折角度确定对应的折射材料的组分配比，以控制激光的透射光路。

优选地，所述折射材料包括折射层和浮动于其表面上的平行层，其中：

平行层，用于使激光透射后形成光路不变的平行光；

折射层，用于使激光透射后形成光路偏折的折射光。

优选地，所述折射层的厚度占所述平行层的厚度的5％～10％。

优选地，在每次通过激光照射所述初始孔之前，均调整激光器的工况参数以控制新一级的弯折孔的尺寸参数。

本发明所提供的基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，主要包括三个步骤，其中，在第一步中，首先在工件上的预设位置处开设初始孔，该初始孔为弯折微孔的第一段孔，一般为直孔，作为其余段弯折孔的基准。由于该初始孔设置于工件的表面上，一般可通过传统机械加工方法加工，当然也可通过激光加工。在第二步中，需要在开设好的初始孔的基础上继续向内开设弯折孔，此时无法通过传统机械加工实现，而本发明在本步骤中往开设好的初始孔内填充折射材料，该折射材料为光作用材料，可使激光投射后在其底部产生预设角度的偏折并出射，从而使得激光在从初始孔内照射进入时，可通过折射材料的可控定向折射效果，使得激光光路偏折，从而使激光在从折射材料的底部出射时能够按照目的角度继续向内对工件进行烧蚀。在第三步中，当初始孔内的折射材料填充完成后，即可通过激光照射初始孔，使得激光透射折射材料后沿预设方向出射，并不断烧蚀初始孔的底面，从而在工件内部深度继续加工形成弯折孔。对于工件内部存在多段弯折孔的情况，只需在初始孔和各段弯折孔内均填充偏折角度不同的对应折射材料即可，理论上激光能够从初始孔开始，连续形成多段弯折角度不同的弯折孔(具体段数由激光能量决定)。综上所述，本发明所提供的基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，利用折射材料对激光光路的偏折作用，控制激光进入初始孔后的烧蚀光路方向，从而实现利用激光完成工件内多段弯折孔的加工目的，相比于现有技术中的传统机械加工方法，本发明能够直接、方便、高效地实现对工件上的弯折微孔的加工，提高加工效率和加工质量，无需在工件上设置额外的工艺孔，避免对工件造成额外破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种具体实施方式的流程图。

图2为本发明所提供的一种具体实施方式中在工件上逐段加工弯折孔的工件结构变化示意图。

其中，图2中：

激光光束—1，折射材料—2，工件—3。

具体实施方式

随着超快激光技术的发展，飞秒脉冲激光“冷加工”已成为激光非接触精细加工的主要手段。相对于热去除分离的短脉冲激光，超快激光脉冲作用时间过短，电子没有足够的时间将能量传递给晶格，从而在材料表面生成众多等离子体，能量伴随着材料的去除而消散，实现瞬间高能量密度沉积使材料实现非热烧蚀。因而可用控制光路来控制超快激光光束进行打孔和切割工件，可以制备出所需的几何形状的通孔或者盲孔。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。

在本发明所提供的一种具体实施方式中，基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法主要包括三个步骤，分别为：S1、在工件上的预设位置处开设初始孔；S2、在初始孔内填充用于使激光透射后在其底面上产生预设偏折角度折射的折射材料；S3、通过激光照射初始孔，以使激光透射折射材料后沿预设方向烧蚀其底面以形成弯折孔。

其中，在第一步中，首先在工件上的预设位置处开设初始孔，该初始孔为弯折微孔的第一段孔，一般为直孔，作为其余段弯折孔的基准。由于该初始孔设置于工件的表面上，一般可通过传统机械加工方法加工，当然也可通过激光加工。

在第二步中，需要在开设好的初始孔的基础上继续向内开设弯折孔，此时无法通过传统机械加工实现，而本实施例在本步骤中往开设好的初始孔内填充折射材料。该折射材料为光作用材料，可使激光投射后在其底部产生预设角度的偏折并出射，从而使得激光在从初始孔内照射进入时，可通过折射材料的可控定向折射效果，使得激光光路偏折，从而使激光在从折射材料的底部出射时能够按照目的角度继续向内对工件进行烧蚀。

在关于该折射材料的一种优选实施方式中，该折射材料具体可为甘油、水和甲醇组成的溶液，比如甘油20ml、水5ml和甲醇10ml等配比。当然，光作用材料很多，对激光光路形成偏折效果的折射材料显然并不仅限于上述一种特定配比的溶液，其余比如具有同样效果的液体或气体均可以采用。

在第三步中，当初始孔内的折射材料填充完成后，即可通过激光照射初始孔，使得激光透射折射材料后沿预设方向出射，并不断烧蚀初始孔的底面，从而在工件内部深度继续加工形成弯折孔。重要的是，对于工件内部存在多段弯折孔的情况，只需在初始孔和各段弯折孔内均填充偏折角度不同的对应折射材料即可，理论上激光能够从初始孔开始，连续形成多段弯折角度不同的弯折孔(具体段数由激光能量决定)。当然，每新加工一级弯折孔，就需要在上一级弯折孔烧蚀加工完成后，重新在初始孔和各级弯折孔中填充各自对应的折射材料，以便激光从初始孔入射后，能够沿着初始孔和各级弯折孔的轴向进行光路偏折，避免光路错误，实现多级弯折孔的连续加工，直至末级弯折孔加工结束。

综上所述，本实施例所提供的基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，利用折射材料对激光光路的偏折作用，控制激光进入初始孔后的烧蚀光路方向，从而实现利用激光完成工件内多段弯折孔的加工目的，相比于现有技术中的传统机械加工方法，本实施例能够直接、方便、高效地实现对工件上的弯折微孔的加工，提高加工效率和加工质量，无需在工件上设置额外的工艺孔，避免对工件造成额外破坏。

另外，在开设初始孔之前，考虑到工件表面对激光光束的光路也可能存在一定影响，为避免工件表面存在的杂质扭曲激光光路，本实施例在开设初始孔之前，可先对工件进行预处理，以便清楚工件表面上的杂质。

具体的，在对工件进行预处理时，首先可将工件置于预设有机溶液中，比如20％的溶液中等，同时放入超声清洗器内30分钟左右进行超声处理，如此即可去除工件表面的大部分有机杂物。接着，还可以将工件置于无水乙醇中，并放入超声清洗器内30分钟进行超声处理，以便去除工件表面上的无机杂物。最后，还可将工件通过去离子水进行冲洗，并用氮气进行干燥。

考虑到相邻两级弯折孔之间的弯折角度各不相同，为使激光光路能够跟随需求角度进行任意偏折，本实施例中在当前级弯折孔内填充新的折射材料之前，首先根据下一级弯折孔与当前级弯折孔之间的偏折角度确定对应的折射材料的组分配比，一般可调节折射材料的组分成分或调节组分比例等，比如，初始孔内的折射材料可为甘油20ml、水5ml和甲醇10ml的配比，而第一级弯折孔内的折射材料可为甘油20ml、水5ml和丙酮10ml等配比，第二级弯折孔内的折射材料可为甘油20ml、水5ml和乙二醇10ml等配比。不同组分配比的折射材料对激光的光路偏折作用各不相同，具体可根据工件实际对弯折微孔的要求而定。

折射材料的物质态可为固态、气态或液体，以液态为例，为使激光在透射折射材料后在其底面即将出射时才发生光路偏折，本实施例中的折射材料，在结构上分为两层，即平行层和折射层。其中，平行层浮动在折射层上，两者并不相融。具体的，平行层主要用于使激光透射后形成光路不变的平行光(激光的聚集度仍然很高)，对光路没有偏折作用；而折射层主要用于使激光透射后形成光路偏折的折射光，对光路存在偏折作用。如此设置，激光在透射各段折射材料时，首先并不产生光路偏折，而是沿原方向继续前行，在接近透射材料的底部时才开始产生偏折，从而在初始孔或各级弯折孔的底面处开始沿预设方向进行偏折和烧蚀加工，避免激光在穿过折射材料的过程中即开始偏折而对孔的内壁造成额外烧蚀。

一般的，折射层的厚度可占平行层的厚度的5％～10％。

另外，各级弯折孔的孔深也可能各不相同，为保证加工质量，可在每次通过激光照射初始孔之前，均根据下一级弯折孔的尺寸参数调整激光器的工况参数，比如激光功率和频率等。

如图2所示，图2为本发明所提供的一种具体实施方式中在工件上逐段加工弯折孔的工件结构变化示意图。

在具体的加工过程中，以工件3内共设置有4段内孔为例进行说明，求中，L1为初始孔段，而L2、L3和L4为各级弯折孔段。首先通过激光光束1照射工件3表面的预设位置处，形成初始孔L1，然后在初始孔L1中填充折射材料2，使得激光透射后在初始孔L1的底面上产生角度为α1的偏折，并烧蚀形成第一级弯折孔L2；之后按照同样的方法，在第一级弯折孔L2内继续填充新的折射材料2，使得激光透射后沿着初始孔L1和第一级弯折孔L2的轴向前进，并在第一级弯折孔L2的底面上产生角度为α2的偏折，并烧蚀形成第二级弯折孔L3。之后，同理还可在工件3内加工偏折角度为α3的第三级弯折孔L4，以及后续的第四级弯折孔L5、第五级弯折孔L6等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，其特征在于，包括：

在工件上的预设位置处开设初始孔；

在所述初始孔内填充用于使激光透射后在其底面上产生预设偏折角度折射的折射材料；

通过激光照射所述初始孔，以使激光透射所述折射材料后沿预设方向烧蚀其底面以形成弯折孔。

2.根据权利要求1所述的基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，其特征在于，在通过激光照射所述初始孔后，还包括：

在所述初始孔内重新填充所述折射材料，并在当前所述弯折孔内填充新的折射材料；

通过激光照射所述初始孔，并使激光依次透射所述初始孔内的折射材料和当前所述弯折孔内的折射材料，以使激光沿预设方向烧蚀当前所述弯折孔的底面以形成新一级的弯折孔。

3.根据权利要求2所述的基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，其特征在于，在开设初始孔之前，还包括：

对工件进行预处理，以清除工件表面杂质。

4.根据权利要求3所述的基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，其特征在于，对工件进行预处理，具体包括：

将工件置于预设有机溶液中，并通过超声清洗；

对工件表面进行去离子处理，并干燥。

5.根据权利要求4所述的基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，其特征在于，在当前所述弯折孔内填充新的折射材料之前，还包括：

根据下一级弯折孔与当前弯折孔之间的偏折角度确定对应的折射材料的组分配比，以控制激光的透射光路。

6.根据权利要求5所述的基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，其特征在于，所述折射材料包括折射层和浮动于其表面上的平行层，其中：

平行层，用于使激光透射后形成光路不变的平行光；

折射层，用于使激光透射后形成光路偏折的折射光。

7.根据权利要求6所述的基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，其特征在于，所述折射层的厚度占所述平行层的厚度的5％～10％。

8.根据权利要求7所述的基于激光可控弯折角的弯折微孔加工方法，其特征在于，在每次通过激光照射所述初始孔之前，均调整激光器的工况参数以控制新一级的弯折孔的尺寸参数。