CN108747059B - 飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置，属于透明材料微加工领域。利用脉冲时域整形设备产生飞秒激光脉冲序列；调整待加工样品位置使光丝在其中产生最大深度的微孔；优化脉冲序列中子脉冲延时以提高微孔质量；组合利用半波片与偏振片分别调节被两透镜聚焦的激光能量，使激光经过两透镜聚焦后在待加工样品上形成的微孔直径相等；调节两聚焦透镜，使两个独立的光丝在空间上共线并且首尾叠加，形成一个延长的均匀光丝；移动样品位置使首尾叠加的光丝在样品上产生最大深径比的微孔。本发明能显著提高所加工微孔的质量和深径比，微孔直径调节范围广，对加工环境无特殊要求，加工效率高，加工成本低。

Description

飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置
技术领域
本发明涉及一种飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置，属于透明材料微加工领域。
背景技术
透明材料上高质量、高深径比微孔加工一直是制造领域的难点。目前发展的电火花钻孔技术对被加工材料导电性要求高，聚焦离子束微孔加工技术存在加工效率低且费用贵等缺点，均难以满足一些高精尖产品对高质量、高深径比微孔的需求。飞秒激光所加工的微孔具有的低重铸层、少微裂纹等特点，为解决这些难题提供了可能。如何提高飞秒激光加工微孔质量和深径比一直是微孔加工领域的研究热点之一。普通飞秒激光光丝加工的微孔深径比很有限，而将飞秒激光高斯光束转化为贝塞尔-高斯光束虽然可以提高微孔深径比，但是利用该方法加工的微孔直径较小，一般都在几微米左右，且微孔直径调节困难，这极大的限制了该方法所加工微孔的实际应用。近年来飞秒激光时域及空间整形技术逐步发展成熟，得到了国内外学者广泛认可，这为提高飞秒激光微孔加工质量及深径比提供了新的解决思路。
发明内容
本发明的飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置，该方法所加工的微孔具有质量高、深径比大、孔直径调节范围广、成本低等优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
利用飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置，包括：飞秒激光器、机械开关、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜，第六反射镜，第一半波片，第二半波片，第一偏振片，第二偏振片，第一聚焦透镜，第二聚焦透镜，成像聚焦透镜，照明光源、六自由度精密电控平台、计算机、CCD监控成像设备。
连接关系：开启机械开关，飞秒激光器发出的激光到达第一分光镜，被分成能量相等的反射光与透射光，反射光被第一反射镜反射再到达第一分光镜；透射光被第二反射镜反射也再次达到第一分束镜，两束光经过第一分束镜后形成空间重合的脉冲序列。脉冲序列经过第二分束镜后被分成能量相等的反射光与透射光，反射光依次经过第五反射镜、第二半波片、第二偏振片、第六反射镜后被第一聚焦透镜聚焦；透射光依次经过第三反射镜、第四反射镜、第一半波片、第一偏振片后被第二聚焦透镜聚焦。被两透镜聚焦的激光脉冲序列在第三分束镜后形成首尾叠加的延长光丝。照明光源发出的照明光穿过六自由度精密电控平台后照射到待加工样品上，并经过成像聚焦透镜后在CCD成像设备上成像；通过计算机控制飞秒激光器、六自由度精密电控平台以及CCD成像设备。
有益效果
1、本发明的飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置，在相同的实验条件下，由于飞秒激光脉冲序列可以调控被加工样品局部瞬时自由电子动态，改变飞秒激光能量与被加工材料的时/空耦合特性，从而使所加工的微孔质量及精度明显提高。
2、本发明的飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置，在相同的实验条件下，由于飞秒激光脉冲序列能明显延长所形成光丝的长度，再加上双光丝的叠加作用，能使光丝的长度增加2倍以上，从而使所加工的微孔深径比提高2倍以上。
3.本发明的飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置，可以方便的利用半波片与偏振片组合调节被聚焦透镜聚焦的激光能量，控制所形成光丝尺寸，从而灵活调节所加工微孔的直径范围。
4.本发明的飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置，对加工环境无特殊要求，加工效率高，加工成本低。
附图说明
附图1为飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置的光路示意图。
其中，1—飞秒激光器、2—机械开关、3—第一分光镜、4—第一反射镜、5—第二反射镜、6—第二分光镜、7—第三反射镜、8—第四反射镜、9—第一半波片、10—第一偏振片、11—第五反射镜、12—第二半波片、13—第二偏振片、14—第六反射镜、15—第一聚焦透镜、16—第二聚焦透镜、17—第三分光镜、18—照明光源、19—六自由度精密电控平台、20—待加工样品、21—计算机、22—成像聚焦透镜、23—CCD监控成像设备。a和b分别为第一聚焦透镜与第二聚焦透镜所形成的光丝示意图。
具体实施方式
下面结合附图1及具体实施例对本发明做进一步介绍。
所使用的飞秒激光由钛-蓝宝石飞秒激光再生放大系统输出，具体参数如下：激光中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs，基本重复频率为1000Hz,激光偏振态为线偏振。
实施例1：
所采用的脉冲时域整形设备为类迈克尔逊干涉仪的双脉冲产生器；
开启机械开光2，从飞秒激光器1发出的激光到达与光传播方向成45°角放置的第一分光镜3，反射光被第一反射镜4反射后到达第一分光镜3，透射光被第二反射镜5反射后也再达到第一分光镜3。调节第一反射镜4及第二反射镜5，使被二者反射的两束光经过第一分束镜3后形成空间重合的脉冲序列。
利用平移台调节第二反射镜5，使被第一反射镜4、第二反射镜5反射的两束光在时域也重合。
在空间及时域重合的飞秒激光脉冲序列到达第二分光镜6后，被分成能量相等的反射光与透射光。反射光依次经过第五反射镜11、第二半波片12、第二偏振片13、第六反射镜14后被第一聚焦透镜15聚焦；透射光依次经过第三反射镜7、第四反射镜8、第一半波片9、第一偏振片10后被第二聚焦透镜16聚焦。
挡住其中一个聚焦透镜，使飞秒激光脉冲序列被另外一个透镜聚焦后在空气中形成稳定均匀的光丝。
利用六自由度精密电控平台19改变待加工样品相对于光丝的位置，在CCD成像单元的辅助下找出可以使光丝在待加工样品中产生最长深度微孔的位置，并将样品固定在该位置。
利用平移台调节第二反射镜5的位置，优化脉冲序列中两个子脉冲之间的时域间隔，使光丝在被加工样品中产生最高质量、最大深径比的微孔。
使两聚焦透镜形成两个空间独立的光丝，如附图1中a、b所示。
组合利用第一半波片9、第一偏振片10以及第二半波片12、第二偏振片13，分别调节被两聚焦透镜聚焦的激光能量，使激光经过两透镜聚焦后在待加工样品上形成的微孔直径相等。
在CCD成像单元的辅助下调节第一聚焦透镜15及第二聚焦透镜16，在YZ与XY两个平面上对齐光丝，使其在空间共线，并首尾相连接，形成稳定传播的叠加光丝。
利用六自由度精密电控平台19改变待加工样品相对于叠加光丝的位置，使叠加光丝在样品中加工出最大深径比的微孔。
实施例2：
所采用的脉冲时域整形设备为商用脉冲整形器，用该脉冲整形器替换上例中的第一分光镜3、第一反射镜4、第二反射镜5。
开启机械开光2，从飞秒激光器1发出的激光进入脉冲整形器，从脉冲整形器发出的时域脉冲序列到达第二分光镜6后，被分成能量相等的反射光与透射光。反射光依次经过第五反射镜11、第二半波片12、第二偏振片13、第六反射镜14后被第一聚焦透镜15聚焦；透射光依次经过第三反射镜7、第四反射镜8、第一半波片9、第一偏振片10后被第二聚焦透镜16聚焦。
挡住其中一个聚焦透镜，使飞秒激光脉冲序列被另外一个透镜聚焦后在空气中形成稳定均匀的光丝。
利用六自由度精密电控平台19改变待加工样品相对于光丝的位置，在CCD成像单元的辅助下找出可以使光丝在样品中所产生最长深度微孔的位置，并将样品固定在该位置。
利用脉冲时域整形器将传统的高斯脉冲整形为时域递增序列或时域递减序列，或其他类型的脉冲序列，并优化时域间隔，使光丝在待加工样品中产生最高质量、最大深径比的微孔。
使两聚焦透镜形成两个空间独立的光丝，如附图1中a、b所示。
组合利用第一半波片9、第一偏振片10以及第二半波片12、第二偏振片13，分别调节被两聚焦透镜聚焦的激光能量，使激光经过两透镜聚焦后在待加工样品上形成的微孔直径相等。
在CCD成像单元的辅助下调节第一聚焦透镜15及第二聚焦透镜16，在YZ与XY两个平面上对齐光丝，使其在空间共线，并首尾相连接，形成稳定传播的叠加光丝。
利用六自由度精密电控平台19改变待加工样品相对于叠加光丝的位置，使叠加光丝在样品中加工出最大深径比的微孔。
以上所述为本发明的最优实施例则，并不用于限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的构思条件和原则下所做的任何变更或修改，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.利用飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置，包括：飞秒激光器、机械开关、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜，第六反射镜，第一半波片，第二半波片，第一偏振片，第二偏振片，第一聚焦透镜，第二聚焦透镜，成像聚焦透镜，照明光源、六自由度精密电控平台、计算机、CCD监控成像设备；
开启机械开关，飞秒激光器发出的激光到达第一分光镜，被分成能量相等的反射光与透射光，反射光被第一反射镜反射再到达第一分光镜；透射光被第二反射镜反射也再次达到第一分束镜，两束光经过第一分束镜后形成空间重合的脉冲序列；脉冲序列经过第二分束镜后被分成能量相等的反射光与透射光，反射光依次经过第五反射镜、第二半波片、第二偏振片、第六反射镜后被第一聚焦透镜聚焦；透射光依次经过第三反射镜、第四反射镜、第一半波片、第一偏振片后被第二聚焦透镜聚焦；被两透镜聚焦的激光脉冲序列在第三分束镜后形成首尾叠加的延长光丝；照明光源发出的照明光经过六自由度精密电控平台后照射到待加工样品上，并经过成像聚焦透镜后在CCD成像设备上成像；通过计算机控制飞秒激光器、六自由度精密电控平台以及CCD成像设备。
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