CN110640307A

CN110640307A - 一种基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置

Info

Publication number: CN110640307A
Application number: CN201910881764.9A
Authority: CN
Inventors: 姜澜; 乔明; 闫剑锋
Original assignee: Tsinghua University; Beijing University of Technology
Current assignee: Tsinghua University; Beijing University of Technology; Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2039-09-18
Also published as: CN110640307B

Abstract

本发明提出了一种基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置，属于飞秒激光应用领域。首先利用脉冲整形器2将传统飞秒激光脉冲整形为能量递减脉冲序列，然后通过显微物镜6将上述递减脉冲序列聚焦到待焊接位置。通过同时控制旋转平移台9的转速和XYZ平移台10的移动速度，使得沉积到每个焊接位置的脉冲数为40,000～60,000个，从而实现了功能陶瓷的焊接。本发明基于飞秒激光与功能陶瓷材料作用过程中的多光子吸收和雪崩电离等非线性效应，通过能量递减脉冲序列维持了辐照区域的亚临界状态，提高了能量利用率，加速了焊接过程，减小了热影响区域。

Description

一种基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置

技术领域

本发明涉及一种基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

功能陶瓷在电、磁、声、光、热等方面具有其他材料所无法实现的特殊性能，在电子、通讯、航天航空、国防等领域具有广泛的应用。针对具体的应用，往往需要通过焊接的方法将功能陶瓷制备成复杂的几何结构。目前最常用的方式为高温扩散焊，但该方法需要将被焊接功能陶瓷整体置于高温条件下，焊接时间长，生产率低下。此外，由于一般电子器件含有聚合物等热敏性材料而无法承受扩散焊过程中的高温，限制了功能陶瓷在电子封装等领域的应用。因此，在室温下对功能陶瓷进行低残余应力、无损伤、高精度的焊接仍是电子制造领域的瓶颈问题。

2019年，美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员提出了一种利用超快激光焊接陶瓷的方法(Penilla EH,et al.Ultrafast Laser Welding of Ceramics[J].Science,2019,365(6455):803.)，其利用了脉冲间隔为1μs的传统超快激光脉冲序列对氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷进行了焊接。但该方法的缺点是能量利用率低，热影响区域大。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置，对已有的激光焊接陶瓷的技术作出改进，以提高激光能量的利用率，加速焊接过程，减小焊接过程中的热影响区域。

本发明提出的基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置，包括飞秒激光器、脉冲整形器、中性密度衰减片、电控快门、反射镜、显微物镜、旋转平移台、XYZ平移台、可见光半透半反镜、照明光源、成像透镜和电荷耦合器件；所述的飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列依次通过脉冲整形器、中性密度衰减片、电控快门、反射镜和显微物镜后聚焦到待焊接样品上，构成激光焊接光路；所述的照明光源发出的照明光依次通过可见光半透半反镜、反射镜和显微物镜后照射到待焊接位置上，构成照明光路；待焊接样品的焊接位置成像依次通过显微物镜、反射镜和可见光半透半反镜后反射到装有成像透镜的电荷耦合器件上，构成成像光路；激光焊接光路与照明光路在经过反射镜后重合，成像光路与照明光路在待焊接位置与可见光半透半反镜之间重合，待焊接样品固定在旋转平移台上，旋转平移台固定在XYZ平移台上。

上述功能陶瓷焊接装置中，飞秒激光器产生重复频率为80MHz的飞秒激光脉冲序列，脉冲整形器将每个脉冲整形为能量比为10:9:8:7:6的递减脉冲序列，每个子脉冲的时间间隔为50～100fs，中性密度衰减片将飞秒激光的功率范围调节为70～100mW。

本发明提出的一种基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置，其优点是：

本发明基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置，利用飞秒激光与功能陶瓷作用过程中的多光子吸收效应，首先由一个高能量脉冲激发自由电子，再由后续四个能量递减的脉冲序列以雪崩电离的形式维持材料内部的亚临界状态。因此本发明焊接装置与已有的高温扩散焊相比，可以在室温下对功能陶瓷进行低残余应力、无损伤、高精度的焊接；与利用传统超快激光直接焊接功能陶瓷相比，具有能量利用率高，热影响区域小的特点。本发明焊接装置，可以根据不同功能陶瓷对激光的不同透射率，对透明功能陶瓷进行内部焊接，而对不透明陶瓷进行边缘焊接。

附图说明

图1是本发明提出的基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置，用于焊接透明功能陶瓷。

图2是本发明提出的基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置，用于焊接不透明功能陶瓷。

图中，1是飞秒激光器，2是脉冲整形器，3是中性密度衰减片，4是电控快门，5是反射镜，6是显微物镜，7是第一透明陶瓷，8是第二透明陶瓷，9是旋转平移台，10是XYZ平移台，11是可见光半透半反镜，12是照明光源，13是成像透镜，14是电荷耦合器件，15是第一不透明陶瓷，16是第二不透明陶瓷。

具体实施方式

本发明提出的基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置，用于焊接透明功能陶瓷时，其结构如图1所示，包括飞秒激光器1、脉冲整形器2、中性密度衰减片3、电控快门4、反射镜5、显微物镜6、旋转平移台9、XYZ平移台10、可见光半透半反镜11、照明光源12、成像透镜13和电荷耦合器件14；所述的飞秒激光器1发出的飞秒激光脉冲序列依次通过脉冲整形器2、中性密度衰减片3、电控快门4、反射镜5和显微物镜6后聚焦到待焊接样品7和8之间的待焊接位置上，构成激光焊接光路；所述的照明光源12发出的照明光依次通过可见光半透半反镜11、反射镜5和显微物镜6后照射到待焊接位置上，构成照明光路；待焊接样品7和8的焊接位置成像依次通过显微物镜6、反射镜5和可见光半透半反镜11后反射到装有成像透镜13的电荷耦合器件14上，构成成像光路；激光焊接光路与照明光路在经过反射镜5后重合，成像光路与照明光路在待焊接位置与可见光半透半反镜11之间重合，待焊接样品7和8固定在旋转平移台9上，旋转平移台9固定在XYZ平移台10上。

本发明的基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置，用于焊接不透明功能陶瓷时，其结构如图2所示，对不透明陶瓷待焊接样品15和16进行边缘焊接。

上述功能陶瓷焊接装置中，飞秒激光器产生重复频率为80MHz的飞秒激光脉冲序列，所述的脉冲整形器将每个脉冲整形为能量比为10:9:8:7:6的递减脉冲序列，每个子脉冲的时间间隔为50～100fs，所述的中性密度衰减片将飞秒激光的功率范围调节为70～100mW。

本发明的基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置的工作原理和工作过程如下：

首先打开飞秒激光器1，使其发出飞秒激光脉冲序列。通过调控反射镜5，将脉冲序列沿竖直方向穿过显微物镜6的轴心。在飞秒激光器1和反射镜5的中间依次放置中性密度衰减片3和电控快门4。在调好的反射镜5的上方设置LED照明光源，使得LED发出的照明光沿竖直方向穿过显微物镜轴心；在LED照明光源12下方、反射镜5上方放置可见光半透半反镜11，通过调节可见光半透半反镜11，将经过显微物镜6放大的像反射到装有成像透镜13的电荷耦合器件14上。

根据被加工功能陶瓷对飞秒激光不同的透射率，确定被加工样品与飞秒激光光束的位置关系，对于透明功能陶瓷，通过XYZ平移台10调节被加工功能陶瓷的位置，使得飞秒激光光束穿过被加工功能陶瓷后聚焦到待加工位置。对于不透明功能陶瓷，通过XYZ平移台10调节被加工功能陶瓷的位置，使飞秒激光光束直接聚焦到待加工位置，需要保证飞秒激光的光束不被阻挡。开启旋转平移台9，打开电控快门4，同时控制旋转平移台9的转速和XYZ平移台10的移动速度，使得入射到每个焊接位置的飞秒激光脉冲数为40,000～60,000个，完成功能陶瓷的焊接。

下面结合附图以及实施例对本发明做进一步介绍：

本发明的实施例中，采用的飞秒激光器参数如下：中心波长800nm，脉宽50fs，重复频率80MHz。

实施例1：

利用本发明提出的焊接装置焊接透明功能陶瓷，利用飞秒激光器1产生重复频率为80MHz的飞秒激光脉冲序列，利用脉冲整形器2将每个脉冲整形为能量比为10:9:8:7:6的递减脉冲序列。其中，每个子脉冲时间间隔为50fs。通过中性密度衰减片3调节激光功率为70mW，利用电控快门4控制激光的开关。通过调控反射镜5将脉冲序列沿竖直方向穿过显微物镜6的轴心。在反射镜5的上方设置LED照明光源12，使得LED照明光源12发出的照明光沿竖直方向穿过显微物镜6的轴心；在LED照明光源12正下方，反射镜5的上方设置可见光半透半反镜11。通过调节可见光半透半反镜11的方向，将经过显微物镜6放大的像反射到装有成像透镜13的电荷耦合器件14上。将XYZ平移台10水平固定，将旋转平移台9固定在XYZ平移台10上。进一步将待焊接的第一透明陶瓷7和第二透明陶瓷8固定在旋转平移台9上。通过XYZ平移台10调节被加工样品位置，使得激光穿过第一透明陶瓷7聚焦到第一透明陶瓷7和第二透明陶瓷8之间的待焊接面上。开启旋转平移台9，打开电控快门4，同时控制旋转平移台9的转速和XYZ平移台10在水平方向的移动速度，使得沉积到每个焊接位置的脉冲数为40,000个，同时调控加工点按照从内到外螺线型运动的方式运动，完成第一透明陶瓷7和第二透明陶瓷8之间的焊接。

实施例2：

利用本发明提出的焊接装置焊接不透明功能陶瓷：利用飞秒激光器1产生重复频率为80MHz的飞秒激光脉冲序列，利用脉冲整形器2将每个脉冲整形为能量比为10:9:8:7:6的递减脉冲序列，每个子脉冲时间间隔为100fs，通过中性密度衰减片调整功率为100mW，利用电控快门4控制激光的开关。通过调控反射镜5将脉冲序列沿竖直方向穿过显微物镜6的轴心。在调好的反射镜5的上方设置LED照明光源12，使得LED照明光源12发出的照明光沿竖直方向穿过显微物镜6的轴心；在LED照明光源12正下方，反射镜5的上方设置可见光半透半反镜11。通过调节可见光半透半反镜11的方向，将经过显微物镜6放大的像反射到装有成像透镜13的电荷耦合器件14上。将XYZ平移台10倾斜固定，将旋转平移台9固定在XYZ平移台10上。进一步将待焊接的第一不透明陶瓷15和第二不透明陶瓷16固定在旋转平移台9上，保证入射激光不被阻挡。通过XYZ平移台10调节被加工样品位置，使得激光聚焦到第一不透明陶瓷15和第二不透明陶瓷16之间的待焊接处。开启旋转平移台9，打开电控快门4，控制旋转平移台9的转速，使得沉积到每个焊接位置的脉冲数为60,000个，完成第一不透明陶瓷15和第二不透明陶瓷16之间的焊接。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于时域整形飞秒激光的功能陶瓷焊接装置，其特征在于包括飞秒激光器、脉冲整形器、中性密度衰减片、电控快门、反射镜、显微物镜、旋转平移台、XYZ平移台、可见光半透半反镜、照明光源、成像透镜和电荷耦合器件；所述的飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列依次通过脉冲整形器、中性密度衰减片、电控快门、反射镜和显微物镜后聚焦到待焊接样品上，构成激光焊接光路；所述的照明光源发出的照明光依次通过可见光半透半反镜、反射镜和显微物镜后照射到待焊接位置上，构成照明光路；待焊接样品的焊接位置成像依次通过显微物镜、反射镜和可见光半透半反镜后反射到装有成像透镜的电荷耦合器件上，构成成像光路；激光焊接光路与照明光路在经过反射镜后重合，成像光路与照明光路在待焊接位置与可见光半透半反镜之间重合，待焊接样品固定在旋转平移台上，旋转平移台固定在XYZ平移台上。

2.如权利要求1所述的功能陶瓷焊接装置，其特征在于其中所述的飞秒激光器产生重复频率为80MHz的飞秒激光脉冲序列，所述的脉冲整形器将每个脉冲整形为能量比为10:9:8:7:6的递减脉冲序列，每个子脉冲的时间间隔为50～100fs，所述的中性密度衰减片将飞秒激光的功率范围调节为70～100mW。