发明内容
本发明解决的问题是:如何提升电极构筑的效率与质量。
为解决上述问题,本发明提供一种柔性双面电极的超快激光加工方法,包括:
固定柔性电极基底至超快激光加工装置的工作台上;
开启所述超快激光加工装置的超快激光器以加工要求输出参数输出超快激光;
调整所述超快激光至所述柔性电极基底的有效作用位置,对所述柔性电极基底进行同步双面加工。
可选地,所述柔性电极基底的厚度与两倍的所述超快激光在所述柔性电极基底上的聚焦区域的瑞利长度的差值的绝对值小于第一阈值;所述调整所述超快激光至所述柔性电极基底的有效作用位置包括:
调整所述超快激光的焦点位置至所述柔性电极基底上下表面之间的中心位置。
可选地,所述固定柔性电极基底至超快激光加工装置的工作台上包括:
在所述柔性电极基底上下表面喷涂电极材料;
将喷涂有所述电极材料的所述柔性电极基底平整且悬空地固定在所述工作台上。
可选地,所述调整所述超快激光至所述柔性电极基底的有效作用位置,对所述柔性电极基底进行同步双面加工之后,所述柔性双面电极的超快激光加工方法还包括:
在所述柔性电极基底的电极触点部分通过所述超快激光加工通孔;
在所述通孔处涂覆导电材料以连接所述柔性电极基底上下表面的电极。
可选地,所述开启所述超快激光加工装置的超快激光器以加工要求输出参数输出超快激光包括:
开启所述超快激光器以第一预设功率输出超快激光;
聚焦所述超快激光至柔性电极基底表面;
关闭所述超快激光器,设定所述超快激光器的输出参数为所述加工要求输出参数;
重新打开所述超快激光器。
可选地,所述超快激光加工装置还包括激光传输整形机构,所述激光传输整形机构包括光学快门、扩束镜、半波片、反射镜组和聚焦物镜;所述超快激光器输出的所述超快激光依次经过所述光学快门、所述扩束镜、所述半波片、所述反射镜组和所述聚焦物镜后作用在所述柔性电极基底上。
可选地,所述超快激光加工装置还包括聚焦观测机构,所述聚焦观测机构包括白光光源和观测镜组,所述白光光源用于发射与所述超快激光同轴入射到所述柔性电极基底表面的白光,所述观测镜组用于接收经所述柔性电极基底反射的部分所述白光。
可选地,所述工作台包括加工台面和设置在所述加工台面上的适于固定所述柔性电极基底的固定治具,所述加工台面和所述固定治具中的至少一个适于相对聚焦物镜移动。
可选地,所述超快激光加工装置还包括供气机构,所述供气机构具有朝向所述固定治具设置的喷嘴;所述调整所述超快激光至所述柔性电极基底的有效作用位置,对所述柔性电极基底进行同步双面加工之后,所述在所述柔性电极基底的电极触点部分通过所述超快激光加工通孔之前,所述柔性双面电极的超快激光加工方法还包括:
开启所述供气机构。
可选地,所述开启所述供气机构之后,所述在所述柔性电极基底的电极触点部分通过所述超快激光加工通孔之前,所述柔性双面电极的超快激光加工方法还包括:
控制所述工作台按给定指令移动所述柔性电极基底。
本发明与现有技术相比,具有以下有益效果:本方法通过超快激光对柔性电极基底进行同步双面加工,以在柔性电极基底上下表面同步构筑电极,从而得到柔性双面电极,以用于制备微储能器件(例如微型超级电容器等)等,发挥了激光加工质量高、精度高、效率高等优势,实现了柔性双面电极加工的高质量、高精度、高效率。而且,通过在柔性电极基底上下表面同步构筑电极,有效提升了柔性双面电极及具有柔性双面电极的微储能器件的集成度和加工效率,提高了柔性双面电极及具有柔性双面电极的微储能器件的电极单位面积输出的能量密度。通过超快激光微细刻蚀(烧蚀)工艺来加工柔性电极基底,可将电极叉指间隙缩小至10微米及以下,以有效提升电极的比容量,进而提升电极材料的能量密度;且使得不同串并联形式的微型电极阵列在柔性电极基底上易于制备,以用于实现任意可调的输出电压和容量。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
结合图1、图4-图6所示,本发明实施例提供一种柔性双面电极的超快激光加工方法,具体包括以下步骤:
步骤100、固定柔性电极基底1至超快激光加工装置2的工作台24上;
步骤200、开启超快激光加工装置2的超快激光器21以加工要求输出参数输出超快激光;
步骤300、调整超快激光至柔性电极基底1的有效作用位置,对柔性电极基底1进行同步双面加工。
本实施例中,柔性双面电极的超快激光加工方法采用超快激光加工装置2实施,以在柔性电极基底1(例如柔性薄膜等)上加工柔性双面电极。具体地,先通过步骤100将上下表面喷涂有电极材料的柔性电极基底1固定在超快激光加工装置2的工作台24上,保证柔性电极基底1加工过程中的稳定。再通过步骤200,超快激光加工装置2的超快激光器21(其作为超快激光光束输出源,用于产生超快激光)以合适的加工要求输出参数输出超快激光,以对柔性电极基底1进行有效加工;其中,超快激光器21以加工要求输出参数输出的超快激光的能量密度达到柔性电极基底1上喷涂的电极材料(后文介绍)的烧蚀阈值,并低于柔性电极基底1的烧蚀阈值,以防止柔性电极基底1被超快激光烧蚀。之后,通过步骤300,通过调整超快激光加工装置2的激光传输整形机构22(后文介绍)或柔性电极基底1的位置,以将超快激光调整至柔性电极基底1上的有效作用位置,保证柔性电极基底1上下表面均在超快激光的有效作用范围内,以使得作用在柔性电极基底1上的有效作用位置的超快激光能够对柔性电极基底1进行同步双面加工,从而获得柔性双面电极。
这样,本方法通过超快激光对柔性电极基底1进行同步双面加工,以在柔性电极基底1上下表面同步构筑电极,从而得到柔性双面电极,以用于制备微储能器件(例如微型超级电容器等)等,发挥了激光加工质量高、精度高、效率高等优势,实现了柔性双面电极加工的高质量、高精度、高效率。而且,通过在柔性电极基底1上下表面同步构筑电极,有效提升了柔性双面电极及具有柔性双面电极的微储能器件的集成度和加工效率,提高了柔性双面电极及具有柔性双面电极的微储能器件的电极单位面积输出的能量密度。通过超快激光微细刻蚀(烧蚀)工艺来加工柔性电极基底1,可将电极叉指间隙缩小至十微米及以下,以有效提升电极的比容量,进而提升电极材料的能量密度;且使得不同串并联形式的微型电极阵列在柔性电极基底1上易于制备,以用于实现任意可调的输出电压和容量。
可选地,柔性电极基底1采用透明材料、半透明材料等易于实现激光双面加工的材料。
可选地,结合图1、图2所示,步骤100具体包括以下步骤:
步骤110、在柔性电极基底1上下表面喷涂电极材料。
具体地,柔性电极基底1作为电极材料的载体,能够提升电极材料的稳定以及便于电极材料进行超快激光加工。柔性电极基底1的上下表面喷涂电极材料,以通过后续步骤加工柔性双面电极。
步骤120、将喷涂有电极材料的柔性电极基底1平整且悬空地固定在工作台24上。
具体地,喷涂有电极材料的柔性电极基底1平整固定到工作台24上,以保证超快激光能够到达柔性电极基底1上的各加工位置,保证超快激光加工的顺利;且柔性电极基底1除开固定处(用于通过固定治具固定在工作台24上)的部分悬空设置,避免在柔性电极基底1上进行通孔等结构加工时,发生熔化的材料熔敷在工作台24与柔性电极基底1之间,而不能形成所期望的贯通孔等情况;因此,通过悬空设置柔性电极基底1,以保证柔性双面电极的顺利加工,实现柔性双面电极高质量、高效率的加工。
可选地,结合图6所示,柔性电极基底1的厚度与两倍的超快激光在柔性电极基底1上的聚焦区域的瑞利长度的差值的绝对值小于第一阈值;调整超快激光至柔性电极基底1的有效作用位置包括:
调整超快激光的焦点位置至柔性电极基底1上下表面之间的中心位置。
柔性双面电极的超快激光加工方法实现柔性电极基底1的同步双面加工的原理在于:当激光的能量密度达到材料的烧蚀阈值时,会将材料转变为等离子体然后蚀除。聚焦后的超快激光光束在焦点区域存在一个瑞利长度(瑞利范围),在该瑞利长度内均可实现有效加工;其中,超快激光光束的瑞利长度是指超快激光光束沿着其行进方向,从其束腰(即超快激光光束腰部,位于超快激光光束的焦点区域)到其面积为腰部面积两倍的截面的距离。这样,通过调整超快激光的焦点位置至柔性电极基底1上下表面之间的中心位置,使得超快激光的焦点到柔性电极基底1上下表面的垂直距离均接近瑞利长度,即柔性电极基底1的厚度与两倍的超快激光在柔性电极基底1上的聚焦区域的瑞利长度的差值的绝对值小于第一阈值,从而实现柔性电极基底1上下表面涂覆的电极材料的同步超快激光刻蚀加工。其中,第一阈值可根据柔性电极基底1和超快激光的相应参数进行设置,目的在于保证超快激光位于柔性电极基底1上下表面之间的中心位置的焦点到柔性电极基底1上下表面的垂直距离均接近瑞利长度,以实现有效加工。
可选地,结合图1所示,步骤300之后,柔性双面电极的超快激光加工方法还包括以下步骤:
步骤600、在柔性电极基底1的电极触点部分通过超快激光加工通孔;
步骤700、在通孔处涂覆导电材料以连接柔性电极基底1上下表面的电极。
具体地,通过步骤600和700,以在柔性电极基底1上的相应电极触点部分加工贯穿柔性电极基底1上下表面的通孔,并在通孔中涂覆(填充)导电材料(例如导电银浆等),实现柔性电极基底1上下表面相应电极的电连接,完成柔性双面电极的超快激光加工。
可选地,结合图1、图3所示,步骤200具体包括以下步骤:
步骤210、开启超快激光器21以第一预设功率输出超快激光。
具体地,打开超快激光器21,以第一预设功率输出超快激光,其中,第一预设功率的超快激光即为能量密度远低于相应电极材料的烧蚀阈值的低功率超快激光,以避免在超快激光调整至合适加工位置前提前烧蚀材料。
步骤220、聚焦超快激光至柔性电极基底1表面。
具体地,通过调整超快激光加工装置2的激光传输整形机构22各镜片(后文介绍)的位置,以调整超快激光光路至合适,并使得超快激光聚焦到柔性电极基底1表面,以便于后续步骤调整超快激光聚焦到柔性电极基底1上下表面之间的中心位置。
步骤230、关闭超快激光器21,设定超快激光器21的输出参数为加工要求输出参数;
步骤240、重新打开超快激光器21。
具体地,关闭超快激光器21后,关闭光学快门221(后文介绍),设定超快激光器21的输出参数为加工要求输出参数;其中,加工要求输出参数即为使得超快激光器21输出的超快激光的能量密度达到柔性电极基底1上喷涂的电极材料的烧蚀阈值,并低于柔性电极基底1的烧蚀阈值的激光输出参数。之后,再重新打开超快激光器21,打开光学快门221,超快激光器21以加工要求输出参数输出超快激光。
可选地,结合图4、图5所示,超快激光加工装置2还包括激光传输整形机构22,激光传输整形机构22包括光学快门221、扩束镜222、半波片223、反射镜组224和聚焦物镜226;超快激光器21输出的超快激光依次经过光学快门221、扩束镜222、半波片223、反射镜组224和聚焦物镜226后作用在柔性电极基底1上。
超快激光加工装置2的激光传输整形机构22用于将超快激光器21发射的超快激光调整、导引至柔性电极基底1上。其中,光学快门221用于通过或阻断超快激光器21发射的超快激光脉冲,控制输出的脉冲个数(即控制通过光学快门221的超快激光脉冲个数);扩束镜222用于将超快激光器21发射的超快脉冲光束扩束,便于后续光路对超快脉冲光束调整以及聚焦后获得更小的光斑;半波片223用于调整超快激光光束的偏振态,例如将超快激光的偏振态从线偏振调整为圆偏振或椭圆偏振;反射镜组224包括多个反射镜,用于反射超快激光;聚焦物镜226用于聚焦超快激光至置于工作台24上的柔性电极基底1上。
在一些实施例中,超快激光器21、光学快门221、扩束镜222和半波片223同轴线依次安装。反射镜组224通过设置多个反射镜,用于改变超快激光方向,以使得超快激光加工装置2的结构设计具有更多可能。
可选地,结合图4、图5所示,超快激光加工装置2还包括聚焦观测机构23,聚焦观测机构23包括白光光源231和观测镜组232,白光光源231用于发射与超快激光同轴入射到柔性电极基底1表面的白光,观测镜组232用于接收经柔性电极基底1反射的部分白光。
本实施例中,聚焦观测机构23包括白光光源231和观测镜组232,其中,观测镜组232包括衰减片232a、滤光片232b、CCD图像传感器232c和光学镜头232d。衰减片232a和滤光片232b用于将进入观测镜组232(衰减片232a和滤光片232b)的白光转变为CCD图像传感器232c能够接受并处理的光学信号,CCD图像传感器232c将相应光学信号转换成数字图像信号并通过光学镜头232d进行显示,以用于观察超快激光是否聚焦到柔性电极基底1表面。激光传输整形机构22还包括设置在反射镜组224与聚焦物镜226之间的可见光透射激光反射镜225(用于反射激光光束并透过白光),超快激光器21输出的超快激光依次经过光学快门221、扩束镜222、半波片223、反射镜组224、可见光透射激光反射镜225和聚焦物镜226后作用在柔性电极基底1上。其中,反射镜组224用于将超快激光转折反射向可见光透射激光反射镜225;可见光透射激光反射镜225将来自反射镜组224反射的超快激光反射向聚焦物镜226;超快激光经可见光透射激光反射镜225反射后垂直入射到聚焦物镜226,经聚焦物镜226聚焦后到达置于工作台24上的柔性电极基底1上。
观测镜组232和聚焦物镜226分居可见光透射激光反射镜225两侧;观测镜组232还包括非偏振白光分束镜232e,非偏振白光分束镜232e用于将入射光的能量进行分离,获得更低强度的反射光和折射光,以便于观测。非偏振白光分束镜232e、衰减片232a、滤光片232b、CCD图像传感器232c和光学镜头232d在聚焦物镜226到可见光透射激光反射镜225的方向上依次设置。在步骤220中,通过调整超快激光加工装置2的激光传输整形机构22各镜片的位置,以使得超快激光光斑处于各镜片的中心,并垂直入射到聚焦物镜226,同时,借助白光光源231和观测镜组232进行观测,保证超快激光聚焦到柔性电极基底1表面。其中,借助白光光源231和观测镜组232进行观测即为:白光光源231发出的白光经由非偏振白光分束镜232e和可见光透射激光反射镜225与经可见光透射激光反射镜225反射的超快激光同轴入射聚焦物镜226后,射向并照亮柔性电极基底1的表面,部分白光会被柔性电极基底1表面反射,反射的白光依次经由聚焦物镜226、可见光透射激光反射镜225和非偏振白光分束镜232e进入观测镜组232的衰减片232a、滤光片232b、CCD图像传感器232c和光学镜头232d,如此,通过白光光源231和观测镜组232来观察超快激光是否聚焦到柔性电极基底1表面。
可选地,工作台24包括加工台面和设置在加工台面上的适于固定柔性电极基底1的固定治具,加工台面和固定治具中的至少一个适于相对聚焦物镜226移动。
工作台24(例如微纳工作台)通过固定治具将喷涂有电极材料的柔性电极基底1平整且悬空地固定在加工台面上,以便于喷涂有电极材料的柔性电极基底1进行激光加工。加工台面可相对聚焦物镜226移动,和/或,固定治具可相对聚焦物镜226移动,这样,以便于通过工作台24移动柔性电极基底1至加工位置,例如在柔性电极基底1上某一区域的电极材料刻蚀加工完成后,通过工作台24移动柔性电极基底1使得超快激光相对移动到柔性电极基底1上另一区域进行加工。
在步骤300中,调整超快激光的焦点位置至柔性电极基底1上下表面之间的中心位置,可以是通过旋转半波片223以调整超快激光的偏振状态,将激光焦点移动至柔性电极基底1上下表面之间的中心位置;和/或,通过工作台24移动柔性电极基底1至激光焦点位于柔性电极基底1上下表面之间的中心位置。
可选地,结合图4所示,超快激光加工装置2还包括供气机构25,供气机构25具有朝向固定治具设置的喷嘴。步骤300之后,步骤600之前,柔性双面电极的超快激光加工方法还包括以下步骤:
步骤400、开启供气机构25。
具体地,供气机构25通过喷嘴向设置在工作台24上的柔性电极基底1喷射气流,以便于及时去除柔性电极基底1上被刻蚀的材料,保证超快激光加工的顺利进行。
可选地,结合图1所示,步骤400之后,步骤600之前,柔性双面电极的超快激光加工方法还包括以下步骤:
步骤500、控制工作台24按给定指令移动柔性电极基底1。
具体地,工作台24根据给定指令(设定指令)以一定轨迹移动柔性电极基底1,以实现超快激光与柔性电极基底1之间的相对运动,以加工得到具有所需结构的柔性双面电极。在电极材料区域刻蚀完成后,通过工作台24移动柔性电极基底1至超快激光位于柔性电极基底1上的非电极区域,以刻蚀非电极区域(例如后续步骤中的加工通孔)。
可选地,结合图4、图5所示,超快激光加工装置2还包括电源26,电源26用于为超快激光加工装置2需要供电的部件(例如超快激光器21、光学快门221、白光光源231、工作台24和CCD图像传感器232c等)供电。在一些实施例中,步骤100之前,柔性双面电极的超快激光加工方法需要先打开电源26,光学快门221、白光光源231和观测镜组232。
虽然本公开披露如上,但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下,可进行各种变更与修改,这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。