CN110560891A - 静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置及其方法，属于材料微细加工领域。装置由液体供压系统、液体储存与排放系统、工件夹持系统和激光加工系统组成。液体供压系统和液体储存与排放系统固定连接在激光加工系统的工作平台上，工件夹持系统固定连接在液体储存与排放系统的上部。通过耐高压注射器给水槽内的水加压，使透明介质材料与水之间产生接触面，提高透明介质材料在接触界面的激光吸收率，与此同时限制加工区域等离子体扩散，提高加工效率。优点在于：解决了透明介质对激光吸收率低的问题，提高激光加工透明介质材料的可加工性；施加的局部压力，限制等离子体扩散，可有效提高加工效率，有效降低对加工表面的污染。

Description

静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置及其方法
技术领域
本发明涉及材料微细加工领域，特别涉及一种静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置及其方法。本发明不仅可以提升利用纳秒激光加工透明介质材料的可加工性，而且通过施加局部压力限制等离子体扩散，提高相应的加工效率。本发明适用于对纳秒激光具有透过特性的透明介质材料的纳秒激光加工，在光学、精密加工等领域具有潜在的应用前景。
背景技术
透明介质材料如熔融石英、蓝宝石等是非常重要的光学材料，在航空航天、精密光学等领域有十分重要的应用。然而，该类光学材料往往硬、脆，使得其加工困难。纳秒激光加工虽然广泛应用于金属等材料，但是由于该类光学材料往往对纳秒激光具有透过的特性，导致其对纳秒激光的吸收率极低，往往利用纳秒激光无法对该类透明介质材料进行直接有效加工。为了实现透明介质材料的纳秒激光加工，在透明介质背底添加有色材料或者化学试剂是经常采用的方法，这样虽然可以实现透明介质材料的纳秒激光加工，但是有色材料或者化学试剂在加工过程中亦会被剧烈烧蚀或产生化学反应，从而污染透明介质材料的加工表面。为此，如何实现透明介质材料的低污染、高效纳秒激光加工，是透明介质材料纳秒激光加工面临的一个亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置及其方法，解决了现有技术存在的利用纳秒激光加工透明介质材料无法加工或者加工效率低的问题。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置，包括液体供压系统1、液体储存与排放系统2、工件夹持系统3和激光加工系统4，其中，液体供压系统1固定连接在激光加工系统4的加工平台403上，液体储存与排放系统2与液体供压系统1连接，工件夹持系统3与液体储存系统2连接。
所述的液体供压系统1是：底板101固定连接在加工平台403上，固定件一102的底部、支座105的底部和固定件二107的底部分别固定连接在底板101上，连接板一103左端固定连接在固定件一102的上部，电动推杆104左端固定连接在连接板一103右端，电动推杆104缸套放在支座105上，连接板二106左端固定连接在电动推杆104的伸缩杆最右端，连接板二106右端与耐高压注射器108推杆端面接触，耐高压注射器108固定连接在固定件二107上，转换接头一109左端固定连接在耐高压注射器108的出口处，转换接头一109右端固定连接在液体储存与排放系统2的水槽201右面侧壁。
所述的液体储存与排放系统2是：水槽201底部固定连接在液体供压系统1的底板101上，压力表转换接头202固定连接在水槽201的左面侧壁，压力表203固定连接在压力表转换接头202上，水槽盖204焊接在水槽201上，排水开关205固定连接在水槽201的前面侧壁。
所述的工件夹持系统3是：转换接头二301底部固定连接在液体储存与排放系统2的水槽盖204上，密封圈一302安装在金属片一303的圆周下凹槽处，密封圈二304安装在金属片一303的圆周上凹槽处，硅胶垫一305通过胶水固定连接在金属片一303上，透明介质材料306放入硅胶垫一305的方形凹槽中，硅胶垫二307安装在硅胶垫一305的小圆形凹槽上，金属片二308安装在硅胶垫一305的大圆形凹槽和硅胶垫二307的方形凹槽中，金属片一303和金属片二308以及二者之间的部件放入转换接头二301圆形凹槽内部，金属压帽309固定连接在转换接头二301上部。
所述的激光加工系统4是：支撑箱体401底部放置在水平地面上，加工平台403的底部固定连接在支撑箱体401上部，激光器402安装在支撑箱体401内部底板上，光学聚焦镜头404安装在光学X-Y轴振镜405前端，光学X-Y轴振镜405底面固定连接在Z轴升降台406左面侧壁平台上，Z轴升降台406底部固定连接在加工平台403上，计算机407安装在Z轴升降台406右面侧壁，电源开关408安装在加工平台403上。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置对透明介质材料进行加工的方法，包括如下步骤：
步骤1）、把转换接头二301底部固定连接在水槽盖204上，从转换接头二301向水槽201加入水，直至液面到达转换接头二301的内部台阶处；
步骤2）、把密封圈二304和密封圈一302分别安装在金属片一303圆周的上下凹槽处，将硅胶垫一305用胶水固定连接在金属片一303上，将其放入转换接头二301圆形凹槽内部台阶上，继续向水槽加入水，直到液面到达转换接头二301圆形凹槽内部台阶面上；
步骤3）、将透明介质材料306放入硅胶垫一305的方形凹槽中，使得透明介质材料306底面和水直接接触，硅胶垫二307安装在硅胶垫一305的小圆形凹槽上，金属片二308安装在硅胶垫一305的大圆形凹槽和硅胶垫二307的方形凹槽中，金属压帽309固定连接在转换接头二301上部，金属压帽309内部压头紧压在金属片二308上；
步骤4）、将透明介质材料306放在光学聚焦镜头404正下方，将耐高压注射器108抽满水，耐高压注射器108出口固定连接转换接头一109左端，转换接头一109右端固定连接在水槽201右端；电动推杆104的伸缩杆推动耐高压注射器108的推杆，使水槽201内的水加压；
步骤5）、激光器402发射出的激光，通过光学X-Y轴振镜405，再经过光学聚焦镜头404，聚焦在透明介质材料306与水接触的表面；
步骤6）、根据待加工透明介质材料306的表面形貌，通过计算机407打标软件MarkingMate绘制好图案，设定加工参数，从而在透明介质材料306表面加工出所需的形貌。
本发明的有益效果在于：构思新颖，结构简单，使用安全、方便。通过耐高压注射器给水槽内的水加压，使透明介质材料与水之间产生接触面，提高了透明介质材料在接触界面的激光吸收率，进而实现透明介质材料的加工；与此同时，施加的局部压力限制了加工区域等离子体扩散，提高加工效率。此外，由于没有使用化学试剂作为辅助液体，可有效降低对加工表面的污染，为纳秒激光加工透明介质材料提供崭新的技术手段，在光学、精密加工等领域具有重要的应用前景。实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的液体供压系统结构示意图；
图3为本发明的液体储存与排放系统结构示意图；
图4为本发明的工件夹持系统结构示意图；
图5为本发明的工件夹持系统A-A面剖视图；
图6为本发明的激光加工系统结构示意图；
图7为静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料示意图。
图中：1、液体供压系统；101、底板；102、固定件一；103、连接板一；104、电动推杆；105、支座；106、连接板二；107、固定件二；108、耐高压注射器；109、转换接头一；2、液体储存与排放系统；201、水槽；202、压力表转换接头；203、压力表；204、水槽盖；205、排水开关；3、工件夹持系统；301、转换接头二；302、密封圈一；303、金属片一；304、密封圈二；305、硅胶垫一；306、透明介质材料；307、硅胶垫二；308、金属片二；309、金属压帽；4、激光加工系统；401、支撑箱体；402、激光器；403、加工平台；404、光学聚焦镜头；405、光学X-Y轴振镜；406、Z轴升降台；407、计算机；408、电源开关。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图7所示，本发明的静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置及其方法，通过耐高压注射器给水槽内的水加压，使透明介质材料与水之间产生接触面，提高透明介质材料在接触界面的激光吸收率，与此同时限制加工区域等离子体扩散，提高加工效率。加工装置与方法新颖，通过创造的接触界面，解决透明介质对激光吸收率低的问题，提高激光加工透明介质材料的可加工性；施加的局部压力，限制等离子体扩散，可有效提高加工效率。此外，由于没有使用化学试剂作为辅助液体，可有效降低对加工表面的污染，为纳秒激光加工透明介质材料提供崭新的技术手段。
参见图1所示，本发明的静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置，包括液体供压系统1、液体储存与排放系统2、工件夹持系统3和激光加工系统4，其中，液体供压系统1固定连接在激光加工系统4的加工平台403上，液体储存与排放系统2与液体供压系统1连接，工件夹持系统3与液体储存系统2连接。
参见图2所示，所述的液体供压系统1包括底板101、固定件一102、连接板一103、电动推杆104、支座105、连接板二106、固定件二107、耐高压注射器108和转换接头一109。底板101固定连接在加工平台403上，固定件一102的底部、支座105的底部和固定件二107的底部分别固定连接在底板101上，连接板一103左端固定连接在固定件一102的上部，电动推杆104左端固定连接在连接板一103右端，电动推杆104缸套放在支座105上，连接板二106左端固定连接在电动推杆104的伸缩杆最右端，连接板二106右端与耐高压注射器108推杆端面接触，耐高压注射器108固定连接在固定件二107上，转换接头一109左端固定连接在耐高压注射器108的出口处，转换接头一109右端固定连接在液体储存与排放系统2的水槽201右面侧壁。
参见图3所示，所述的液体储存与排放系统2包括水槽201、压力表转换接头202、压力表203、水槽盖204和排水开关205。水槽201底部固定连接在液体供压系统1的底板101上，压力表转换接头202固定连接在水槽201的左面侧壁，压力表203固定连接在压力表转换接头202上，水槽盖204焊接在水槽201上，排水开关205固定连接在水槽201的前面侧壁。
参见图4及图5所示，所述的工件夹持系统3包括转换接头二301、密封圈一302、金属片一303、密封圈二304、硅胶垫一305、透明介质材料306、硅胶垫二307、金属片二308和金属压帽309。转换接头二301底部固定连接在液体储存与排放系统2的水槽盖204上，密封圈一302安装在金属片一303的圆周下凹槽处，密封圈二304安装在金属片一303的圆周上凹槽处，硅胶垫一305通过胶水固定连接在金属片一303上，透明介质材料306放入硅胶垫一305的方形凹槽中，硅胶垫二307安装在硅胶垫一305的小圆形凹槽上，金属片二308安装在硅胶垫一305的大圆形凹槽和硅胶垫二307的方形凹槽中，金属片一303和金属片二308以及二者之间的部件放入转换接头二301圆形凹槽内部，金属压帽309固定连接在转换接头二301上部。
参见图6所示，所述的激光加工系统4包括支撑箱体401、激光器402、加工平台403、光学聚焦镜头404、光学X-Y轴振镜405、Z轴升降台406、计算机407、电源开关408。支撑箱体401底部放置在水平地面上，加工平台403的底部固定连接在支撑箱体401上部，激光器402安装在支撑箱体401内部底板上，光学聚焦镜头404安装在光学X-Y轴振镜405前端，光学X-Y轴振镜405底面固定连接在Z轴升降台406左面侧壁平台上，Z轴升降台406底部固定连接在加工平台403上，计算机407安装在Z轴升降台406右面侧壁，电源开关408安装在加工平台403上。
参见图1至图7所示，本发明的静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的方法，包括如下步骤：
步骤1、把转换接头二301底部固定连接在水槽盖204上，从转换接头二301向水槽201加入水，直至液面到达转换接头二301的内部台阶处；
步骤2、把密封圈二304和密封圈一302分别安装在金属片一303圆周的上下凹槽处，将硅胶垫一305用胶水固定连接在金属片一303上，将其放入转换接头二301圆形凹槽内部台阶上，继续向水槽加入水，直到液面到达转换接头二301圆形凹槽内部台阶面上；
步骤3、将透明介质材料306放入硅胶垫一305的方形凹槽中，使得透明介质材料306底面和水直接接触，硅胶垫二307安装在硅胶垫一305的小圆形凹槽上，金属片二308安装在硅胶垫一305的大圆形凹槽和硅胶垫二307的方形凹槽中，金属压帽309固定连接在转换接头二301上部，金属压帽309内部压头紧压在金属片二308上；
步骤4、将透明介质材料306放在光学聚焦镜头404正下方，将耐高压注射器108抽满水，耐高压注射器108出口固定连接转换接头一109左端，转换接头一109右端固定连接在水槽201右端；电动推杆104的伸缩杆推动耐高压注射器108的推杆，使水槽201内的水加压；
步骤5、激光器402发射出的激光，通过光学X-Y轴振镜405，再经过光学聚焦镜头404，聚焦在透明介质材料306与水接触的表面；
步骤6、根据待加工透明介质材料306的表面形貌，通过计算机407打标软件MarkingMate绘制好图案，设定加工参数，从而在透明介质材料306表面加工出所需的形貌。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置，其特征在于：包括液体供压系统（1）、液体储存与排放系统（2）、工件夹持系统（3）和激光加工系统（4），其中，液体供压系统（1）固定连接在激光加工系统（4）的加工平台（403）上，液体储存与排放系统（2）与液体供压系统（1）连接，工件夹持系统（3）与液体储存系统（2）连接。
2.根据权利要求1所述的静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置，其特征在于：所述的液体供压系统（1）是：底板（101）固定连接在加工平台（403）上，固定件一（102）的底部、支座（105）的底部和固定件二（107）的底部分别固定连接在底板（101）上，连接板一（103）左端固定连接在固定件一（102）的上部，电动推杆（104）左端固定连接在连接板一（103）右端，电动推杆（104）缸套放在支座（105）上，连接板二（106）左端固定连接在电动推杆（104）的伸缩杆最右端，连接板二（106）右端与耐高压注射器（108）推杆端面接触，耐高压注射器（108）固定连接在固定件二（107）上，转换接头一（109）左端固定连接在耐高压注射器（108）的出口处，转换接头一（109）右端固定连接在液体储存与排放系统（2）的水槽（201）右面侧壁。
3.根据权利要求1所述的静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置，其特征在于：所述的液体储存与排放系统（2）是：水槽（201）底部固定连接在液体供压系统（1）的底板（101）上，压力表转换接头（202）固定连接在水槽（201）的左面侧壁，压力表（203）固定连接在压力表转换接头（202）上，水槽盖（204）焊接在水槽（201）上，排水开关（205）固定连接在水槽（201）的前面侧壁。
4.根据权利要求1所述的静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置，其特征在于：所述的工件夹持系统（3）是：转换接头二（301）底部固定连接在液体储存与排放系统（2）的水槽盖（204）上，密封圈一（302）安装在金属片一（303）的圆周下凹槽处，密封圈二（304）安装在金属片一（303）的圆周上凹槽处，硅胶垫一（305）通过胶水固定连接在金属片一（303）上，透明介质材料（306）放入硅胶垫一（305）的方形凹槽中，硅胶垫二（307）安装在硅胶垫一（305）的小圆形凹槽上，金属片二（308）安装在硅胶垫一（305）的大圆形凹槽和硅胶垫二（307）的方形凹槽中，金属片一（303）和金属片二（308）以及二者之间的部件放入转换接头二（301）圆形凹槽内部，金属压帽（309）固定连接在转换接头二（301）上部。
5.根据权利要求1所述的静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置，其特征在于：所述的激光加工系统（4）是：支撑箱体（401）底部放置在水平地面上，加工平台（403）的底部固定连接在支撑箱体（401）上部，激光器（402）安装在支撑箱体（401）内部底板上，光学聚焦镜头（404）安装在光学X-Y轴振镜（405）前端，光学X-Y轴振镜（405）底面固定连接在Z轴升降台（406）左面侧壁平台上，Z轴升降台（406）底部固定连接在加工平台（403）上，计算机（407）安装在Z轴升降台（406）右面侧壁，电源开关（408）安装在加工平台（403）上。
6.一种利用权利要求1-5任一项所述的静压力水辅助纳秒激光加工透明介质材料的装置对透明介质材料进行加工的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1）、把转换接头二（301）底部固定连接在水槽盖（204）上，从转换接头二（301）向水槽（201）加入水，直至液面到达转换接头二（301）的内部台阶处；
步骤2）、把密封圈二（304）和密封圈一（302）分别安装在金属片一（303）圆周的上下凹槽处，将硅胶垫一（305）用胶水固定连接在金属片一（303）上，将其放入转换接头二（301）圆形凹槽内部台阶上，继续向水槽加入水，直到液面到达转换接头二（301）圆形凹槽内部台阶面上；
步骤3）、将透明介质材料（306）放入硅胶垫一（305）的方形凹槽中，使得透明介质材料（306）底面和水直接接触，硅胶垫二（307）安装在硅胶垫一（305）的小圆形凹槽上，金属片二（308）安装在硅胶垫一（305）的大圆形凹槽和硅胶垫二（307）的方形凹槽中，金属压帽（309）固定连接在转换接头二（301）上部，金属压帽（309）内部压头紧压在金属片二（308）上；
步骤4）、将透明介质材料（306）放在光学聚焦镜头（404）正下方，将耐高压注射器（108）抽满水，耐高压注射器（108）出口固定连接转换接头一（109）左端，转换接头一（109）右端固定连接在水槽（201）右端；电动推杆（104）的伸缩杆推动耐高压注射器（108）的推杆，使水槽（201）内的水加压；
步骤5）、激光器（402）发射出的激光，通过光学X-Y轴振镜（405），再经过光学聚焦镜头（404），聚焦在透明介质材料（306）与水接触的表面；
步骤6）、根据待加工透明介质材料（306）的表面形貌，通过计算机（407）打标软件MarkingMate绘制好图案，设定加工参数，从而在透明介质材料（306）表面加工出所需的形貌。
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