CN112935709B - 双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光聚变点火特殊部件的制备工艺技术领域，为双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统，具体工艺包括在钢网基片上的微钢球上沉积生长一层聚合物薄膜；通过移动平台将机器视觉焦点定位在微钢球薄膜表面；将球冠薄膜从微钢球上整体切割下来；通过棉签轻擦将切割后的球冠薄膜从微钢球上剥离；将剥落下来的球冠薄膜平放在载玻片上，利用飞秒激光对球冠边缘进行修饰加工。在保证加工尺寸的前提下，实现双锥靶球冠薄膜的高质量加工，使得球冠质量满足双锥靶的精密配合要求。对球冠加工提出筛选标准，并形成可靠的技术路线，保障了点火测试中球冠样品的高消耗需求，推动了激光可控核聚变的发展研究。

Description

双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统

技术领域

本发明涉及激光聚变点火特殊部件的制备工艺技术领域，具体涉及双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统。

背景技术

激光可控核聚变有望彻底解决能源问题，是美欧日中等国家大力投入的研究方向。激光聚变的实现不仅需要对其内禀物理复杂过程有深刻认知，还需要在工程能力上有全面的突破。中国科学院张杰院士提出双锥对撞激光点火方案，为激光聚变研究提供了全新思路。双锥对撞点火中用光锥辐照替代球形辐照，点火靶便由传统的球形靶丸转变为双锥靶，包括金属锥壳和聚合物微球冠。聚变点火要求两者精密配合且中心对称。微球冠是一个直径420微米的球冠状的薄膜，其厚度约为50微米。该球冠的加工存在一些挑战，如高装卡难度，高定位精度，高取样难度，以及高边缘加工精度。本专利旨在开发相关加工工艺，解决这些挑战，制备出高质量的聚合物微球冠。

发明内容

本发明提供了双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统，解决了以上所述的球冠高装卡精度、高定位精度、高取样难度、高边缘加工精度的超高要求的技术问题。

本发明为解决上述技术问题提供了双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法，包括以下步骤：

S1，在钢网基片上的微钢球上沉积生长一层聚合物薄膜；

S2，通过移动平台将机器视觉焦点定位在微钢球薄膜表面；

S3，将球冠薄膜从微钢球上整体切割下来；

S4，通过棉签轻擦将切割后的球冠薄膜从微钢球上剥离；

S5，将剥落下来的球冠薄膜平放在载玻片上，利用飞秒激光对球冠边缘进行修饰加工。

可选的，所述S1具体包括：在钢网基片上阵列固定直径为500微米的微钢球，然后在微钢球上沉积生长一层厚度为50微米的聚合物薄膜。

可选的，所述S2具体包括：将钢网基片固定在加工平台上，利用三维移动平台将机器视觉焦点定位在球顶表面中心。

可选的，所述S3具体包括：整体切割的目标是将球冠薄膜从微球上切割下来，且为了边缘修饰的二次加工有缩进尺寸，切割时的加工直径设为0.44毫米，球冠目标直径为0.42毫米。

可选的，所述切割加工采用的是飞秒激光，所述飞秒激光采用基频光，激光中心波长1028nm，激光重复频率200kHz，脉宽190fs，激光功率500mW，激光衰减通过率100％，每个加工点的脉冲数16，加工速率为1mm/s。

可选的，为减少球冠边缘附着的残留物，用低功率的激光对切割边缘进行热效应冲击驱散处理，具体地，将激光衰减到10％，激光有效作用直径将减小为3微米，重复加工一遍。

可选的，所述S4具体包括：取样时，用蘸有酒精的棉签从侧边绕圈轻擦切割加工后的薄膜样品。

可选的，所述S5具体包括：将剥落下来的球冠薄膜水超声清洗，烘干后转移到载玻片上，准备做边缘修饰的二次加工。

可选的，所述S5修饰加工具体包括：采用衰减通过率10％的低功率激光对边缘进行修饰加工，从外圈向内圈缩进，加工直径由440微米梯度缩减到420微米，缩进梯度为5微米。

本发明还提供了双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工系统，所述系统用于实施双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法。

有益效果：本发明提供了一种双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统，包括在钢网基片上的微钢球上沉积生长一层聚合物薄膜；通过移动平台将机器视觉焦点定位在微钢球薄膜表面；将球冠薄膜从微钢球上整体切割下来；通过棉签轻擦将切割后的球冠薄膜从微钢球上剥离；将剥落下来的球冠薄膜平放在载玻片上，利用飞秒激光对球冠边缘进行修饰加工。在保证加工尺寸的前提下，实现双锥靶球冠薄膜的高质量加工，使得球冠质量满足双锥靶的精密配合要求。对球冠加工提出筛选标准，并形成可靠的技术路线，保障了点火测试中球冠样品的高消耗需求，推动了激光可控核聚变的发展研究。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

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，本发明的示意性实施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。在附图中：

图1为本发明双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统的双锥靶结构示意图；

图2为本发明双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统的球冠薄膜加工目标示意图，(a)为切割前样品状态，(b)为切割路径；

图3为本发明双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统的飞秒激光微纳加工系统示意图；

图4为本发明双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统的球冠薄膜加工步骤示意图，(a)为球冠定位，(b)为整体切割，(c)为取样，(d)为边缘修饰；

图5为本发明双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统的定位偏差补偿示意图；

图6为本发明双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统的球冠薄膜边缘修饰加工示意图，(a)为整体切割后的球冠薄膜图，(b)为球冠薄膜边缘放大图；

图7为本发明双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法及系统的球冠侧向成像图，(a)(b)分别为两个互为垂直方向的侧向成像。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为解决球冠高装卡精度、高定位精度、高取样难度、高边缘加工精度的超高要求的技术问题，会存在以下五点挑战：

挑战一是球冠的微小尺寸带来的装卡问题，应对挑战一，先在钢网基片上阵列固定直径为500微米的微钢球，然后在微钢球上沉积生长一层薄膜，最后从沉积生长的块体材料中切割出球冠薄膜。

挑战二是聚焦非平面球冠带来的定位问题，应对挑战二，将钢网基片固定在加工平台上，通过移动平台将机器视觉焦点定位在球顶表面中心。但该球顶定位观察到的中心点并不是实际的微球圆心，需要进行定位偏差补偿。优化的补偿方案为：将定位中心向左相对移动10微米，向下相对移动20微米，以此为加工原点。

挑战三是球冠的微小尺寸和球冠材料聚对二甲苯极稳定的化学性质带来的加工难题。球冠的微小尺寸和高加工精度要求对传统的机械加工方法有很大挑战。同时，聚对二甲苯可以抗酸碱腐蚀且绝缘，不适合电化学加工方式，须寻找新型的微纳加工方法。经过锁模和啁啾放大的飞秒脉冲激光，有着超短脉宽和超高峰值功率密度的独特优势，可实现低热效应区和高微纳加工效率及精度。利用飞秒激光制备微球冠，解决了上述的加工难题。

挑战四是球冠的微小尺寸带来的取样问题，应对挑战四，取样时采用棉签对球冠薄膜绕圈轻擦，保证边缘均匀受力，直至球冠剥落。将剥落下来的球冠薄膜水超声清洗，烘干后转移到载玻片上。

挑战五是球冠精密配合要求带来的高边缘加工精度问题，应对挑战五，将球冠加工分为整体切割和边缘修饰。整体切割的目标是将球冠薄膜从微球上切割下来，高功率激光初步切割后，为减少球冠边缘附着的残留物，用低功率的激光对切割边缘进行热效应冲击驱散处理。整体切割后的球冠正放在载玻片上，利用低功率激光对边缘进行修饰加工，以进一步提高边缘加工精度和加工质量。

如图1所示，本发明实施例提供了解决上述挑战的双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法，包括如下步骤：球冠装卡，球冠定位，整体切割，取样和边缘修饰。具体地包括以下步骤：

S1，在钢网基片上的微钢球上沉积生长一层聚合物薄膜；

S2，通过移动平台将机器视觉焦点定位在微钢球薄膜表面；

S3，将球冠薄膜从微钢球上整体切割下来；

S4，通过棉签轻擦将切割后的球冠薄膜从微钢球上剥离；

S5，将剥落下来的球冠薄膜平放在载玻片上，利用飞秒激光对球冠边缘进行修饰加工。

该方法提供了高质量微球冠的制备工艺，对球冠加工提出筛选标准，并形成可靠的技术路线，保障了点火测试中球冠样品的高消耗需求，推动了激光可控核聚变的发展研究。

为配合金属靶锥体和点火要求，需要得到一个直径420微米的球冠薄膜，薄膜厚度约50微米。先在钢网基片上阵列固定直径为500微米的微钢球，然后在微钢球沉积生长一层薄膜，最后通过飞秒激光加工切割微球冠，如图2所示，图2a为切割前样品状态，图2b为切割路径。

进一步的，聚合物微球冠加工设备采用WOP三波长双工位振镜扫描飞秒激光微纳加工系统，如图3所示，其中激光器为立陶宛LightConversion公司生产的PHAROS激光器，基频波长为1028nm，最大平均功率可达10W，重复频率在1Hz-1MHz范围可调，脉冲宽度在190fs-10ps范围可调，光束质量M2小于1.2。且通过倍频器能产生二倍频光和三倍频光，输出波长分别为514nm和343nm，转换效率分别在50％和30％左右。样品定位系统为美国Aerotech公司生产的X/Y/Z1/Z2多轴纳米级精度定位平台，最大速度可达50mm/s，具有高分辨率和重复性，动态表现良好，可保证球冠精密切割的高精度要求。另外设备配有二维扫描振镜、空间光调制器、电动功率衰减器、电动偏振控制器等功能组件，激光可调性高，为球冠切割提供了更多加工可能性。成熟的SCA激光微加工控制软件可实时监测加工过程，为飞秒激光加工聚合物微球冠提供了便捷。

进一步的，将钢网基片固定在Aerotech加工平台上，利用移动平台将机器视觉焦点定位在球顶表面中心，图4中的a为球冠定位图，如图4a所示。然而该球顶定位观察到的中心点即球顶表面中心并不是实际的微球圆心，需要进行定位偏差补偿。优化的补偿方案为：将定位中心向左相对移动10微米，向下相对移动20微米，以此为加工原点，如图5所示。

进一步的，整体切割的目标是将球冠薄膜从微球上切割下来，且为了边缘修饰的二次加工有缩进尺寸，切割时的加工直径设为0.44毫米，比球冠目标直径0.42毫米略大。加工所用的飞秒激光采用基频光，激光中心波长1028nm，激光频率200kHz，脉宽190fs，激光功率500mW，激光衰减通过率100％，每个加工点的脉冲数16，加工速率为1mm/s。激光打在球冠薄膜的有效作用直径为10微米，且作用区域周边热效应明显。调节平台和物镜位置后激光焦点聚焦到球顶上表面，以定位偏差补偿后的加工原点为参考点，激光焦点向下移动70微米(实际加工过程中激光焦点不动，平台相对移动)，以球心轴为圆心作圆周运动，同时等梯度向下移动，如图4b所示，纵深进给梯度为5微米。考虑需切割穿薄膜，伤及钢球无碍，加工纵深160微米，大于纵深膜厚85微米，整个切割加工过程持续约一分钟。为去除球冠边缘附着的残留物，用低功率的激光对切割边缘进行热效应冲击驱散处理。将激光衰减到10％，所述其他加工参数均不变，激光有效作用直径将减小为3微米，重复一遍上述加工过程，即整体切割用高功率激光和低功率激光分别加工一遍。

进一步的，用蘸有酒精的棉签从侧边绕圈轻擦整体切割后的薄膜样品，直至球冠剥落，如图4c所示，将剥落下来的球冠薄膜水超声清洗，烘干后转移到载玻片上。取样时需保证边缘均匀受力，从单侧边的轻擦可能导致球冠薄膜剥落时受力不均而向内挤压，造成边缘缺陷。清洗后的球冠样品边缘残留物被有效去除，但多余带边依然存在，这便需要对样品进行边缘修饰的二次加工。

进一步的，采用衰减通过率10％且所述其他加工参数均不变的低功率激光对边缘进行修饰加工。修饰加工优化为五小步，如图6所示，图6中的a为整体切割后的球冠薄膜图，b为球冠薄膜边缘放大图。从外圈向内圈缩进，加工直径由440微米梯度缩减到420微米，缩进梯度为5微米。修饰加工后对球冠样品水超声清洗。分析修饰效果，发现修饰加工的球冠样品内缘几乎没有受到影响，而外缘的黑边明显减少，边缘的附着残留物得到了去除，球冠圆度明显改善。修饰加工后球冠边缘质量得到了很好地提高。为更清楚地表征球冠样品的边缘质量，分别从两个互为垂直的侧向对样品做成像测试，如图7中的a和b所示。可以看到修饰后的边缘更加圆滑、整齐。

有益效果：

(1)利用飞秒激光超短脉宽和超高峰值能量密度的优势，很好地实现了球冠薄膜的超精密加工，满足了球冠与金属锥壳的对称配合要求，以用于双锥对撞点火实验。

(2)采用棉签绕圈轻擦的方式取样，相对直接用镊子夹取而言，保证了样品边缘均匀受力，避免出现明显的边缘挤压缺陷。

(3)修饰加工很好地去除了边缘附着的残留物，同时缩小了黑边。整体切割与边缘修饰组成的飞秒激光微纳加工工艺明显地提高了球冠薄膜的加工质量。

(4)薄膜沉积生长过程中薄膜厚度的不均一对加工有一定影响，不同样品的差异导致了不同的加工效果，故采用本发明方法的制备工艺批量加工，从中筛选出加工效果优良的样品进行点火实验。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在钢网基片上的微钢球上沉积生长一层聚合物薄膜；

S2，通过移动平台将机器视觉焦点定位在微钢球薄膜表面；

S3，将球冠薄膜从微钢球上整体切割下来；

S4，通过棉签轻擦将切割后的球冠薄膜从微钢球上剥离；

S5，将剥落下来的球冠薄膜平放在载玻片上，利用飞秒激光对球冠边缘进行修饰加工。

2.根据权利要求1所述的双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述S1具体包括：在钢网基片上阵列固定直径为500微米的微钢球，然后在微钢球上沉积生长一层厚度为50微米的聚合物薄膜。

3.根据权利要求1所述的双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述S2具体包括：将钢网基片固定在加工平台上，利用三维移动平台将机器视觉焦点定位在球顶表面中心。

4.根据权利要求1所述的双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述S3具体包括：整体切割的目标是将球冠薄膜从微球上切割下来，且为了边缘修饰的二次加工有缩进尺寸，切割时的加工直径设为0.44毫米，球冠目标直径为0.42毫米。

5.根据权利要求4所述的双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述切割加工采用的是飞秒激光，所述飞秒激光采用基频光，激光中心波长1028nm，激光重复频率200kHz，脉宽190fs，激光功率500mW，激光衰减通过率100％，每个加工点的脉冲数16，加工速率为1mm/s。

6.根据权利要求5所述的双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法，其特征在于，为减少球冠边缘附着的残留物，用低功率的激光对切割边缘进行热效应冲击驱散处理，具体地，将激光衰减到10％，激光有效作用直径将减小为3微米，重复加工一遍。

7.根据权利要求1所述的双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述S4具体包括：取样时，用蘸有酒精的棉签从侧边绕圈轻擦切割加工后的薄膜样品。

8.根据权利要求1所述的双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述S5具体包括：将剥落下来的球冠薄膜水超声清洗，烘干后转移到载玻片上，准备做边缘修饰的二次加工。

9.根据权利要求1所述的双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述修饰加工具体包括：采用衰减通过率10％的低功率激光对边缘进行修饰加工，从外圈向内圈缩进，加工直径由440微米梯度缩减到420微米，缩进梯度为5微米。

10.双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工系统，其特征在于，所述系统用于实施如权利要求1至9任一项所述的双锥对撞点火中聚合物球冠的飞秒激光加工方法。

Images