CN113385838B - 一种提高飞秒激光金属材料钻孔效率以及钻孔厚度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高飞秒激光金属材料钻孔效率以及钻孔厚度的方法，用于解决现阶段厚金属材料的飞秒激光钻孔由于大脉冲能量、极高能量密度而电离空气而降低能量利用效率的问题；同时合理的设置钻孔路径，解决钻孔材料太厚而屏蔽激光的问题，从而提高飞秒激光金属材料钻孔效率以及钻孔厚度。同时，本发明采用了高速光束自转，避免因非圆形光束而产生钻孔圆度不圆的问题。

Description

一种提高飞秒激光金属材料钻孔效率以及钻孔厚度的方法
技术领域
本发明涉及激光钻孔技术领域，具体涉及一种提高飞秒激光金属材料钻孔效率以及钻孔厚度的方法，可大幅提高金属材料飞秒激光钻孔效率以及钻孔厚度。
背景技术
飞秒激光凭借其具有极高的峰值功率，当其与材料相互作用时在非常短的时间内将作用位置的材料加热至热力学临界温度以上，电子的激发时间远小于电声弛豫时间，热量来不及传递，大部分能量被用于材料去除，从而实现了对材料的冷加工，从而极大的改善了加工效果（包括入口出口以及侧壁），最终保证加工质量和精度。
通常飞秒激光加工薄金属材料可以得到非常好的加工效果和效率，但当材料厚度增加时，使用常规的飞秒激光加工方案时加工效率极低，同时由于厚度问题而钻不穿。当提高飞秒激光注入能量时，通常由于其极高峰值功率特点而容易电离空气，从而严重降低飞秒激光加工效率。
发明内容
本发明目的在于为克服现有的技术限制，提供一种提高飞秒激光金属材料钻孔效率以及钻孔厚度的方法，用于解决现阶段厚金属材料的飞秒激光钻孔效率以及厚度问题。
实现本发明目的的具体技术方案是：
1、一种提高飞秒激光金属材料钻孔效率以及钻孔厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对飞秒光束进行二维光束整形
利用柱透镜组、DOE器件或空间光调制器，将圆形光斑整形成条形光斑，改变光束的聚焦特性；避免大脉冲能量飞秒激光聚焦时高能量密度容易电离空气从而降低能量的利用效率；
2）光束高速自转
采用高速旋转道威棱镜，将步骤1）得到的条形光斑沿着光轴高速自转；避免钻孔时因光斑不圆影响钻孔圆度；
3）调制光束运动
利用高转速转的两片楔形镜或两个扫描振镜，将步骤2）得到的高速自转的光束实现公转，其目的是通过旋转装置使聚焦光斑以一孔径D1旋转起来，同时控制光束在聚焦前以一倾角旋转，从而控制光束注入材料时避免被材料屏蔽；
4）钻孔路径控制
根据步骤3）得到的以一孔径D1旋转的聚焦光斑，作用于待加工样品上时，再利用伺服运动平台使待加工样品按预设圆运动，从而使以一孔径D1旋转的聚焦光斑在样品上再以另一个直径D2的圆运动，其中要求D1≥D2，这样能够保证聚焦光斑能全部覆盖钻孔孔径D3，提高钻孔时激光的作用深度，从而提高钻孔厚度；
5）激光钻孔
对待加工样品进行飞秒激光钻孔，实际钻孔大小D3=D1+D2。
所述高速为：转速至少1000转/分。
本发明通过以上步骤提供一种提高厚金属材料飞秒激光钻孔效率和厚度的方法，用于解决现阶段厚金属材料的飞秒激光钻孔由于大脉冲能量、极高能量密度而电离空气而降低能量利用效率的问题；同时合理的设置钻孔路径，解决钻孔材料太厚而屏蔽激光的问题，从而提高飞秒激光金属材料钻孔效率以及钻孔厚度。同时，本发明方法和装置采用了高速光束自转，避免因非圆形光束而产生钻孔圆度不圆的问题。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明方法和装置由于采用了非圆形高斯光束聚焦，克服了现有飞秒激光厚金属材料钻孔时，大脉冲能量、高能量密度会电离空气，从而降低钻孔效率的问题。
2、本发明方法和装置由于采用了高速光束自转，避免因非圆形光束而产生钻孔圆度不圆的问题。
3、本发明方法通过使用旋转装置将激光聚焦焦点以一定直径D1旋转，作用于待加工样品上，同时样品上再以另一个直径D2的圆运动，其中要求D1>D2，这样就能保证激光焦点能全部覆盖钻孔孔径D3，提高激光钻孔时的作用深度，从而提高钻孔厚度。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为实施本发明装置流程示意图；
图3为本发明柱透镜组将飞秒激光光斑调制为条形光斑示意图；
图4为本发明旋转道威棱镜使光束自转示意图；
图5为本发明楔形镜模组实现光束公转示意图；
图6为本发明中D1、D2及D3相对位置示意图。
具体实施方式
为了更充分理解本发明的技术内容，下面将结合附图以及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种提高厚金属材料飞秒激光钻孔效率和厚度的方法，用于解决现阶段厚金属材料的飞秒激光钻孔由于大脉冲能量、极高能量密度而电离空气而降低能量利用效率的问题，同时解决钻孔材料太厚而屏蔽激光的问题，从而提高飞秒激光金属材料钻孔效率以及钻孔厚度。同时，本发明采用了高速光束自转，避免因非圆形光束而产生钻孔圆度不圆的问题。
如图1所示，本发明一种提高厚金属材料飞秒激光钻孔效率和厚度的方法，具体包括以下步骤：
1）二维光束整形
如图3所示，采用柱透镜组将飞秒激光光斑调制为条形光斑，根据几何光学原理，圆形高斯光斑经凹面柱透镜和凸面柱透镜调制后会变成条形光斑44，长轴441与短轴442长度比例大于1.5:1。同时调整凹面柱透镜和凸面柱透镜的距离，使条形光斑光束变成准直的光束。
或者，采用DOE器件将飞秒激光光束调制为条形光斑，其主要原理为通过微纳刻蚀工艺在基片上形成二维的衍射单元，每个衍射单元可以有特定的形貌、折射率等，对激光波前位相分布进行精细调控。激光经过每个衍射单元后发生衍射，并在透镜焦平面处产生干涉，从而产生特定的光强分布。
或者，采用空间光调制器将飞秒激光光束调制为条形光斑，空间光调制器主要工作原理是指在主动控制下，通过液晶分子调制光场的某些参数变量，如光场的振幅、相位、偏振态，或是实现非相干-相干光的转换，从而将所要信息写入光波中，达到光波调制的目的。
2）光束高速自转
如图4所示，利用高速旋转道威棱镜使光束自转，避免钻孔时因光斑不圆影响钻孔圆度。其自转原理为光线经过道威棱镜后，此像被颠倒180°。另外，使道威棱镜以其光轴为轴旋转时，像的旋转角为棱镜旋转角的两倍，因此使光束通过旋转的道威棱镜可以使光束以道威棱镜两倍的转数自转。
3）调制光束运动
如图5所示，通过高速旋转楔形镜模组将步骤1）、步骤2）得到的高速自转的光束实现公转，此旋转装置即可以使聚焦光斑以一定的孔径D1旋转起来，同时可以控制光束在聚焦前一定的倾角旋转。
4）钻孔路径控制
如图6所示，根据步骤3）得到的以一定直径D1旋转的聚焦光斑，作用于待加工样品上时，再利用伺服运动平台使待加工样品按预设圆运动，从而使以一定直径D1旋转的聚焦光斑在样品上再以另一个直径D2的圆运动，其中要求D1大于等于D2，这样就能保证激光焦点能全部覆盖钻孔孔径D3，提高钻孔时激光的作用深度，从而提高钻孔厚度。
5）激光钻孔
对待加工样品进行飞秒激光钻孔，实际钻孔大小D3=D1+D2。
本发明实现了一种提高厚金属材料飞秒激光钻孔效率和厚度的方法，用于解决现阶段厚金属材料的飞秒激光钻孔由于大脉冲能量、极高能量密度而电离空气而降低能量利用效率的问题；同时合理的设置钻孔路径，解决钻孔材料太厚而屏蔽激光的问题，从而提高飞秒激光金属材料钻孔效率以及钻孔厚度。同时，本发明方法采用了高速光束自转，避免因非圆形光束而产生钻孔圆度不圆的问题。
实施例
如图2所示，本实施例采用图2所示装置，沿着激光方向依次包括大脉冲能量飞秒激光器1、四分之一波片2、扩束镜3、光束整形模块4、光束高速自转模块5、高转速旋转模块6、反射镜7、聚焦镜8、伺服运动模块10。
所述光束整形模块4由壳体43、第一柱透镜41及第二柱透镜42构成，壳体43为圆筒状，其轴心设有光路，第一柱透镜41及第二柱透镜42与壳体43轴向连接，且均位于壳体43的光路上。
所述光束整形模块也可为DOE器件或者空间光调器，其为一个单独功能器件，按实际需求做相应的设计，以实现使圆形高斯光束整形为条形光斑。
所述光束高束自转模块5由空心电机52、道威棱镜51构成，空心电机52为圆筒状，其轴心设有光路，道威棱镜51与空心电机52轴向连接，且均位于空心电机52的光路上。
所述光束高束旋转模块6由壳体63、第一楔形镜61及第二楔形镜62构成，壳体63为圆筒状，其轴心设有光路，第一楔形镜61及第二楔形镜62与壳体63轴向连接，且均位于壳体63的光路上。所述光束高束旋转模块6由高速电机带动旋转。第一楔形镜61及第二楔形镜62楔角相等，其度数范围为0.01度-30度。
具体钻孔过程为：
1）激光束经激光器1发出后经过四分之一波片2使光束偏振态由线偏振调制为圆偏振；
2）光束经扩束镜3扩束后使光束直径变大；
3）圆形光束经光束整形模块4后变成条形光斑，长轴与短轴长度比例大于1.5:1；
4）条形光束经高速自转模块5后沿光轴高速自转（速度范围至少1000 r/min），转束为高速自转模块5转速的两倍；
5）随后高速自转的条形光束经高转速旋转模块6后以一定倾角θ1、一定的直径大小D4旋转，如图5所示；
6）步骤5）出来的光束经反射镜7至聚焦镜8聚焦后作用于样品9上，此时聚焦光斑以直径为D1的圆旋转，并且以一定的倾角θ2作用于材料上（减小锥度）；
7）同时伺服运动模块10带动样品9以另一个直径D2的圆运动，其中要求D1大于等于D2，这样就能保证聚焦光斑能全部覆盖钻孔孔径D3，从而可以完全去除直径为D3的圆的所有材料，从而不影响随着钻孔深度增加时对光束的屏蔽而影响钻孔深度和效率。同时条形光束高速自转，避免了因非圆形光斑而产生钻孔圆度不圆的问题。
经过不断的实验摸索，目前在厚度为5mm的不锈钢上可以钻出300um的小孔，锥度<1度。可以在不锈钢微柱上加工直径为0.3mm、深径比>10∶1、与微柱表面夹角在45°内任意可调的微孔。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种提高飞秒激光金属材料钻孔效率以及钻孔厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对飞秒光束进行二维光束整形
利用柱透镜组、DOE器件或空间光调制器，将圆形光斑整形成条形光斑，改变光束的聚焦特性；避免大脉冲能量飞秒激光聚焦时高能量密度容易电离空气从而降低能量的利用效率；
2）光束高速自转
采用高速旋转道威棱镜，将步骤1）得到的条形光斑沿着光轴高速自转；避免钻孔时因光斑不圆影响钻孔圆度；
3）调制光束运动
利用高转速转的两片楔形镜或两个扫描振镜，将步骤2）得到的高速自转的光束实现公转，其目的是通过旋转装置使聚焦光斑以一孔径D1旋转起来，同时控制光束在聚焦前以一倾角旋转，从而控制光束注入材料时避免被材料屏蔽；
4）钻孔路径控制
根据步骤3）得到的以一孔径D1旋转的聚焦光斑，作用于待加工样品上时，再利用伺服运动平台使待加工样品按预设圆运动，从而使以一孔径D1旋转的聚焦光斑在样品上再以另一个直径D2的圆运动，其中要求D1≥D2，这样能够保证聚焦光斑能全部覆盖钻孔孔径D3，提高钻孔时激光的作用深度，从而提高钻孔厚度；
5）激光钻孔
对待加工样品进行飞秒激光钻孔，实际钻孔大小D3=D1+D2。
2.根据权利要求1所述的提高飞秒激光金属材料钻孔效率以及钻孔厚度的方法，其特征在于，所述高速为：转速至少1000转/分。
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