CN109079314A - 一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,包括以下步骤:将工件表面研磨抛光并清洗、干燥后,固定于超精密平台上;由工业控制计算机通过激光控制器启动激光发生器发射激光束至工件表面完成激光对焦后,调整超精密平台确定工件加工区域;加工时,通过激光控制器选择飞秒激光器或皮秒激光器发射激光束,经光路切换模块实现超快激光脉冲自由组合,根据所需的微纳结构进行加工;加工完成后,将工件取下,经清洗、干燥后即得到成品。本发明提供了材料微纳加工中激光加工工艺新的组合方式,可根据加工需求选择飞秒激光或皮秒激光,并通过光路切换的方式对超快激光脉冲序列进行灵活组合,有效提高微纳结构的加工效率与质量。

Description

一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域,具体涉及一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法。
背景技术
材料表面的微纳结构可使材料在发挥固有性能的同时,具有常规表面不具备的特性,如疏水性、减摩性、抗菌性等,已广泛应用于功能零部件的制造。微纳结构对材料表面性能的影响很大,可通过化学刻蚀、气相沉积、激光加工等方法制备。陶瓷因其良好的力学及物化性能,是微纳结构加工的重要研究领域。作为典型的硬脆材料,具有非接触、无工具磨损、高效率且易在线控制工艺参数的激光加工方法优势明显,对于具有高重复性的阵列微纳结构加工,更是其它方法难以比拟的。专利CN201310141035.2公开了一种基于飞秒激光处理和湿法刻蚀的硅微结构加工方法,通过飞秒激光在含氧气体中加工单晶硅诱导材料发生折射率变化,再用氢氟酸湿法刻蚀去除折射率变化区域以形成微结构。该方法虽然比采用掩模的方式简单,但需要经过激光加工及湿法刻蚀两个步骤,降低了加工效率,且材料折射率变化的区域较难控制,由此湿法刻蚀形成的微结构精确度较差。专利CN201210491845.6公开了一种基于激光加热的塑料件微结构成形方法和装置,通过激光的热效应作用精确控制工艺参数以使材料基体表面快速熔化,再经挤压成型装置获得微结构的成型加工。该方法涉及的材料十分有限,无法应用于工业领域中广泛使用的硬脆材料微结构加工。专利CN201710470109.5公开了铝合金表面超疏水微结构的纳秒激光二次扫描制备方法,通过改变纳秒激光的工艺参数进行多次扫描以制备超疏水微结构,但纳秒激光的热效应极易引起材料烧蚀,进而严重影响微结构的制备效果。超快激光因具有极高的峰值功率及极短的脉宽,其“冷加工”特性具有更好的加工效果。因此,十分有必要将超快激光的加工优势应用于硬脆材料领域,并提出表面阵列微纳结构加工的新方法。
目前现有技术中主要存在的技术问题为:1、微纳结构加工时工序多,每项工艺之间无法连续,影响加工效率。2、现有的加工方法在硬脆材料微纳结构加工领域应用受限。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,本发明提供了材料微纳加工中激光加工工艺新的组合方式,可根据加工需求选择飞秒激光或皮秒激光,并通过光路切换的方式对超快激光脉冲序列进行灵活组合,有效提高微纳结构的加工效率与质量。
本发明的技术方案为:一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.将所需加工的工件表面进行研磨抛光处理,经有机溶剂超声清洗并干燥后,固定于超精密平台上;
S2.由工业控制计算机通过激光控制器启动激光发生器发射激光束至工件表面完成激光对焦后,关闭激光发生器,并调整超精密平台确定工件的加工区域;
S3.工件加工时,由工业控制计算机开启激光控制器,激光控制器可选择激光发生器中的飞秒激光器或皮秒激光器发射激光束,经光路切换模块在加工过程反复切换以实现超快激光脉冲的自由组合,再经聚焦模块入射至工件表面,根据所需求的微纳结构进行加工,同时喷射辅助气体;其中,激光加工工艺参数可通过工业控制计算机在线调整;
S4.加工完成后,将工件取下,经有机溶剂超声清洗并干燥后即得到成品。
进一步的,所述激光加工系统包括激光控制器、激光发生器、光路切换模块、聚焦模块及超精密平台。
进一步的,所述激光发生器包括飞秒激光器、皮秒激光器,所述光路切换模块及聚焦模块可确保飞秒激光器与皮秒激光器的聚焦平面相同,所述超精密平台可以实现工件的三维运动。
特别的,所述工业控制计算机与激光加工系统连接,所述激光控制器分别与激光发生器中的飞秒激光器、皮秒激光器连接,所述激光发生器与光路切换模块连接,所述光路切换模块与聚焦模块连接,所述聚焦模块设于固定于超精密平台上工件的上方。
特别的,所述激光控制器、激光发生器、光路切换模块、聚焦模块、超精密平台、飞秒激光器、皮秒激光器均可通过本领域任一现有技术实现。
进一步的,所述超快激光脉冲的自由组合包括不同能量的飞秒脉冲或皮秒脉冲组合、不同脉冲间隔的飞秒脉冲或皮秒脉冲组合、不同脉冲数目的飞秒脉冲或皮秒脉冲组合中的任一种。
进一步的,所述激光加工工艺参数为脉冲能量50~300μJ、脉冲间隔10ps~200ns、脉冲数目10~1000、扫描速度100~2000mm/s、聚焦位置-2~2mm。
进一步的,所述辅助气体包括空气、氩气、氧气、氮气中的任一种。
进一步的,所述有机溶剂为酒精、丙酮中的任一种。
本发明的工作原理为:通过飞秒脉冲与皮秒脉冲序列的自由组合,以及激光加工工艺参数的在线控制,可调整不同能量的激光作用在材料加工区域的时间,进而形成微纳结构。通过激光控制器灵活选择飞秒激光器或皮秒激光器,并经光路切换模块快速调整不同脉宽的脉冲组合,充分提高了加工效率。本发明集成超快激光的脉宽、能量、扫描速度、聚焦位置等多个工艺参数的自由组合,为材料微纳加工提供了新思路。
本申请发明人通过大量的创造性劳动,获得本发明的技术方案,使其能够达到以下技术效果:1、激光控制器及光路切换模块可对超快激光脉冲序列进行灵活组合,并在线调整激光加工工艺参数;2、光路切换模块及聚焦模块可确保飞秒激光器与皮秒激光器的聚焦平面相同,可省去选择不同激光器重复对焦的操作,提高了加工效率。
与现有技术相比,本发明的有益技术效果在于:提供了材料微纳加工中激光加工工艺新的组合方式,可根据加工需求选择飞秒激光或皮秒激光,并通过光路切换的方式对超快激光脉冲序列进行灵活组合,有效提高微纳结构的加工效率与质量。
附图说明
图1为本发明涉及的加工装置结构示意图;
图2为本发明的超快激光脉冲组合方式示意图;
图3为本发明的超快激光组合脉冲序列加工线阵列示意图;
图4为本发明的超快激光组合脉冲序列加工点阵列示意图;
其中,1-工业控制计算机;2-激光控制器;3-激光发生器;31-飞秒激光器;32-皮秒激光器;4-光路切换模块;5-聚焦模块;6-工件;7-超精密平台。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例,以详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,包括以下步骤:将所需加工的氮化硅工件6表面进行研磨抛光处理,经酒精超声清洗并干燥后,固定于超精密平台7上。由工业控制计算机1通过激光控制器2启动飞秒激光器31发射激光束至氮化硅工件6表面完成激光对焦,关闭飞秒激光器31,并调整超精密平台7确定氮化硅工件6的加工区域。氮化硅工件6加工时,由工业控制计算机1开启激光控制器2选择激光发生器3中的飞秒激光器31发射飞秒脉冲序列,依次经光路切换模块4、聚焦模块5入射至氮化硅工件6表面,并在线设定飞秒脉冲序列的脉冲间隔Tf1为50ps、脉冲能量Ef1为100μJ、激光扫描速度V1为200mm/s、聚焦位置为0mm。飞秒脉冲序列按氮化硅工件6表面的预定线阵列轨迹加工完后,经工业控制计算机1通过激光控制器2选择激光发生器3中的皮秒激光器32发射皮秒脉冲序列,依次经光路切换模块4、聚焦模块5入射至氮化硅工件表面6,并在线设定皮秒脉冲序列与飞秒脉冲序列的脉冲间隔T1为100ns、皮秒脉冲序列的脉冲间隔Tp1为100ps、脉冲能量Ep1为200μJ、激光扫描速度V2为500mm/s、聚焦位置为1mm。皮秒脉冲序列按氮化硅工件表面的预定线阵列轨迹加工完后,可再次切换至飞秒激光器31使用飞秒脉冲序列加工,依次循环,以在氮化硅工件6表面加工线阵列微纳结构。整个加工过程中在氮化硅工件6加工区域喷射的辅助气体为氮气。所述飞秒脉冲序列的脉冲间隔Tf1、脉冲能量Ef1及激光扫描速度V1,皮秒脉冲序列的脉冲间隔Tp1、脉冲能量Ep1及激光扫描速度V2,以及皮秒脉冲序列与飞秒脉冲序列的脉冲间隔T1,均可在激光加工系统各模块的范围内在线调整。加工完成后,将具有线阵列微纳结构的氮化硅工件6取下,经酒精超声清洗并干燥后即得到成品。
实施例2
一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,包括以下步骤:将所需加工的氧化铝工件6表面进行研磨抛光处理,经丙酮超声清洗并干燥后,固定于超精密平台7上。由工业控制计算机1通过激光控制器2启动皮秒激光器32发射激光束至氧化铝工件6表面完成激光对焦,关闭皮秒激光器32,并调整超精密平台7确定氧化铝工件6的加工区域。氧化铝工件6加工时,由工业控制计算机1开启激光控制器2选择激光发生器3中的皮秒激光器32发射皮秒脉冲序列,依次经光路切换模块4、聚焦模块5入射至氧化铝工件6表面,并在线设定皮秒脉冲序列的脉冲间隔Tp1为100ns、脉冲能量Ep1为250μJ、脉冲数目Np1为500、聚焦位置为-1mm。皮秒脉冲序列在氧化铝工件6表面根据预定的点阵列加工完设定的脉冲数目Np1后,经工业控制计算机1通过激光控制器2选择激光发生器3中的飞秒激光器31发射飞秒脉冲序列,依次经光路切换模块4、聚焦模块5入射至氧化铝工件6表面,并在线设定飞秒脉冲序列与皮秒脉冲序列的间隔时间T1为200ps、飞秒脉冲序列的脉冲时间间隔Tf1为150ns、脉冲能量Ef1为300μJ、脉冲数目Nf1为1000、聚焦位置为1mm。飞秒脉冲序列在氧化铝工件6表面根据预定的点阵列加工完设定的脉冲数目Nf1后,可再次切换至皮秒激光器32使用皮秒脉冲序列加工,依次循环,以在氧化铝工件6表面加工点阵列微纳结构。整个加工过程中在氧化铝工件6加工区域喷射的辅助气体为氧气。所述皮秒脉冲序列的脉冲间隔Tp1、脉冲能量Ep1及脉冲数目Np1,飞秒脉冲序列的脉冲间隔Tf1、脉冲能量Ef1及脉冲数目Nf1,以及皮秒脉冲序列与飞秒脉冲序列的脉冲间隔T1,均可在激光加工系统各模块的范围内在线调整。加工完成后,将具有点阵列微纳结构的氧化铝工件6取下,经丙酮超声清洗并干燥后即得到成品。
实施例3
本实施例提供一种与实施例1相同的超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,所不同的是,所述飞秒脉冲序列的脉冲间隔Tf1为40ns、脉冲能量Ef1为150μJ、激光扫描速度V1为400mm/s、聚焦位置为1mm,所述皮秒脉冲序列与飞秒脉冲序列的脉冲间隔T1为150ns、皮秒脉冲序列的脉冲间隔Tp1为10ns、脉冲能量Ep1为100μJ、激光扫描速度V2为1000mm/s、聚焦位置为0mm。
实施例4
本实施例提供一种与实施例2相同的超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,所述皮秒脉冲序列的脉冲间隔Tp1为700ps、脉冲能量Ep1为70μJ、脉冲数目Np1为300、聚焦位置为-1mm,所述飞秒脉冲序列与皮秒脉冲序列的间隔时间T1为500ps、飞秒脉冲序列的脉冲时间间隔Tf1为500ns、脉冲能量Ef1为280μJ、脉冲数目Nf1为1000、聚焦位置为1mm。
实施例5
本实施例提供一种与实施例2相同的超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,所述皮秒脉冲序列的脉冲间隔Tp1为150ns、脉冲能量Ep1为120μJ、脉冲数目Np1为700、聚焦位置为2mm,所述飞秒脉冲序列与皮秒脉冲序列的间隔时间T1为100ns、飞秒脉冲序列的脉冲时间间隔Tf1为500ns、脉冲能量Ef1为300μJ、脉冲数目Nf1为600、聚焦位置为1mm。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。对于本发明中所有未详尽描述的技术细节,均可通过本领域任一现有技术实现。

Claims (7)

1.一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.将所需加工的工件表面进行研磨抛光处理,经有机溶剂超声清洗并干燥后,固定于超精密平台上;
S2.由工业控制计算机通过激光控制器启动激光发生器发射激光束至工件表面完成激光对焦后,关闭激光发生器,并调整超精密平台确定工件的加工区域;
S3.工件加工时,由工业控制计算机开启激光控制器,激光控制器可选择激光发生器中的飞秒激光器或皮秒激光器发射激光束,经光路切换模块在加工过程反复切换以实现超快激光脉冲的自由组合,再经聚焦模块入射至工件表面,根据所需求的微纳结构进行加工,同时喷射辅助气体;其中,激光加工工艺参数可通过工业控制计算机在线调整;
S4.加工完成后,将工件取下,经有机溶剂超声清洗并干燥后即得到成品。
2.根据权利要求1所述的一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,其特征在于,所述激光加工系统包括激光控制器、激光发生器、光路切换模块、聚焦模块及超精密平台。
3.根据权利要求1所述的一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,其特征在于,所述激光发生器包括飞秒激光器、皮秒激光器,所述光路切换模块及聚焦模块可确保飞秒激光器与皮秒激光器的聚焦平面相同,所述超精密平台可以实现工件的三维运动。
4.根据权利要求1所述的一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,其特征在于,所述超快激光脉冲的自由组合包括不同能量的飞秒脉冲或皮秒脉冲组合、不同脉冲间隔的飞秒脉冲或皮秒脉冲组合、不同脉冲数目的飞秒脉冲或皮秒脉冲组合中的任一种。
5.根据权利要求1所述的一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,其特征在于,所述激光加工工艺参数为脉冲能量50~300μJ、脉冲间隔10ps~200ns、脉冲数目10~1000、扫描速度100~2000mm/s、聚焦位置-2~2mm。
6.根据权利要求1所述的一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,其特征在于,所述辅助气体包括空气、氩气、氧气、氮气中的任一种。
7.根据权利要求1所述的一种超快激光组合脉冲序列的阵列微纳结构加工方法,其特征在于,所述有机溶剂为酒精、丙酮中的任一种。
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