CN114161005B - 一种三维扫描式微小孔结构的加工方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维扫描式微小孔结构的加工方法及装置，解决了现有加工方式加工微孔结构时存在微孔的深度太浅以及加工微孔结构时会导致材料表面的光洁度降低的问题。该加工方法的实施步骤如下：1、将原始激光波长倍频为原波长的1/2；2、倍频后的激光经过反射镜反射形成反射激光，与此同时驱动反射镜绕原始激光的光轴，以及反射激光的光轴进行摆动，从而使得光斑在被加工对象的表面呈环形路径行进或螺旋线路径行进；3、对反射镜的反射激光进行扩束；4、通过在SLM中加载不同的全息图对扩束后的反射激光进行调节，使得扩束后反射激光光束焦点沿被加工对象的深度方向移动的同时还按照环形或螺旋线路径行进，最终实现了微小孔结构的三维加工。

Description

一种三维扫描式微小孔结构的加工方法及装置
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种三维扫描式微小孔结构的加工方法及装置。
背景技术
随着近年来红外光电探测技术的不断发展，对红外窗口的光谱范围，红外信号的透过率，机械强度等要求也是越来越高。
传统的提高红外窗口透射率的方式是在硫化锌表面镀多层增透膜，但存在增透光谱带宽较短、大角度入射不敏感(不具备广角增透特性)等缺点。更重要的是，由于航空航天服役环境非常恶劣，多层增透膜膜层与基底材料存在热膨胀和晶格的不匹配，导致增透膜容易脱落而使红外窗口失效。
微小孔结构具备抗反射、消光、频率选择等功能，在航空航天等领域应用极为广泛。微小孔结构是在材料表面制备亚波长尺寸级微小孔阵列，在基底材料与外部环境介质之间形成渐变折射率，从而抑制了基底材料表面菲涅尔反射，实现红外透射率的提升。
但是这种微小孔结构对制造工艺提出了极高的要求，传统离子束刻蚀、纳米压印、光刻等存在工艺繁琐、无法实现曲面大面积加工的问题。
飞秒激光是一种超快超短脉冲激光，它具有极高的峰值功率，所以几乎对所有材料都能加工。同时它具有极短的脉宽，从而加工中的热效应小，是一种冷加工技术。不仅如此，飞秒激光可以诱导介质中发生多光子的非线性吸收，实现突破衍射极限的加工精度。因此热效应小，加工精度高，损伤阈值低等独特的优势，使飞秒激光加工技术成为微小孔微纳结构制造的理想手段。
目前采用飞秒激光进行微小孔结构加工主要采用两种方式：一是单脉冲加工，二是叩击式加工：
其中，单脉冲加工是指激光单脉冲烧蚀基底材料，即可形成一个微孔，若需要加工出二维光栅型微孔阵列，只需要将样品固定于运动平台上，然后以一定的速度拖动样品实现大面积微结构的制造，飞秒激光单脉冲加工方式利用了脉冲激光时间序列特性具有非常高的效率，如对于重复频率为1000Hz的激光器其每分钟可以加工出6万个微孔，如果采用高重复频率的激光器(工业级激光器重频＜1MHZ)，加工效率将会更高，但因为单脉冲激光的能量极为有限，微孔的深度会极小，尤其对于一些硬脆材料，损伤阈值较高，可能会存在无法加工的风险。此外，单脉冲加工的焦深与焦斑高度耦合，焦深极为有限，这进一步导致单脉冲加工的微孔深度十分有限。
叩击式加工是指多个激光脉冲叩击式加工基底材料，从而形成一个微孔。但上述高斯激光通常采用聚焦显微物镜进行聚焦，存在光学衍射极限，虽然可以通过更换高倍物镜聚焦来实现微孔直径的减小，但光学焦深也会成比例减小，也就是微孔的直径与深度成正比，为了得到亚波长级微孔直径，则微孔的深度也会减小，经过实际试验，当微孔直径满足设计要求时，微孔的深度仅在200-300nm,孔的深度太浅，无法在基底材料表面形成等效介质，极大制约了抗反射效果。
因此科研人员又提出了贝塞尔激光加工方式，但贝塞尔光束因为存在一级衍射，微孔加工会存在旁瓣，阵列微小孔会存在多个旁瓣重叠，从而极大降低了材料表面的光洁度，对抗反射起到了反作用。
发明内容
为了解决现有单脉冲加工方式和叩击式加工方式加工微孔结构时存在微孔的深度太浅的问题，以及贝塞尔激光加工方式加工微孔结构时会导致材料表面的光洁度降低的问题，本发明提供了一种三维扫描式微小孔结构的加工方法及装置。
本发明的具体技术方案如下：
一种三维扫描式微小孔结构的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：将原始激光波长倍频为原波长的1/2；
步骤2：倍频后的激光经过反射镜反射形成反射激光，与此同时驱动反射镜绕原始激光的光轴，以及反射激光的光轴进行摆动，从而使得光斑在被加工对象的表面呈环形路径行进或螺旋线路径行进；
步骤3：对反射镜的反射激光进行扩束；
步骤4：通过在SLM中加载不同的全息图对扩束后的反射激光进行调节，使得扩束后反射激光光束焦点沿被加工对象的深度方向移动的同时还按照环形或螺旋线路径行进，最终实现了微小孔结构的三维加工。
进一步地，上述步骤2中采用压电陶瓷控制反射镜绕原始激光的光轴，以及反射激光的光轴进行摆动。
进一步地，上述步骤4中加载不同全息图包括以下两种：
A:单独加载不同焦距的菲涅尔全息图用于将激光沿光轴聚焦于不同位置，实现对光束在光轴方向的纵向扫描，即提高微孔的加工深度；
B:在不同焦距的菲涅尔全息图基础上叠加长焦深贝塞尔全息图用于进一步提高微小孔的加工深度。
进一步地，上述步骤4中加载不同全息图还包括：在不同焦距的菲涅尔全息图基础上叠加匀化全息图，用于提高微小孔内壁粗糙度。
进一步地，上述步骤1中采用BBO晶体将初始激光的波长倍频为1/2波长。
本发明还提供了一种微小孔结构的三维加工装置，包括激光器、倍频组件、二维摆动反射镜组件、扩束镜、SLM、聚焦镜以及控制器；
激光器的出射光路上依次设置有倍频组件以及二维摆动反射镜；
二维摆动反射镜组件包括压电陶瓷驱动器以及反射镜；压电陶瓷驱动器用于驱动反射镜绕两个方向上摆动，从而使得激光光斑在被加工对象的表面呈环形路线行进或螺旋线路线行进；
反射镜的反射光路上依次设置有扩束镜、SLM以及聚焦镜；
通过在SLM中加载不同全息图组合对扩束后的反射激光进行调节，使得扩束后反射激光光束焦点沿被加工对象的深度方向移动的同时还按照环形或螺旋线路径行进，最终实现了微小孔结构的三维加工；
控制器的输入端与所述二维摆动反射镜组件连接，控制器的输出端与所述SLM连接，用于控制SLM切换菲涅尔全息图。
进一步地，上述加载不同全息图包括以下两种：
A:单独加载不同焦距的菲涅尔全息图用于实现对光束的光焦度的微量调整，即提高微孔的加工深度；
B:在不同焦距的菲涅尔全息图基础上叠加长焦深贝塞尔全息图用于进一步提高微小孔的加工深度。
进一步地，上述加载不同全息图还包括：在不同焦距的菲涅尔全息图基础上叠加匀化全息图，用于提高微小孔内壁粗糙度。
进一步地，上述装置还包括设置在倍频组件以及二维反射镜组件之间低通滤波器。
进一步地，上述倍频组件采用BBO晶体。
本发明的有益效果：
1、与现有的单脉冲加工方式和叩击式加工方式相比，本发明的方法通过使两个压电陶瓷快反镜绕相互垂直的方向摆动，使光斑在被加工对象的表面呈环形路径或螺旋线路径扫描，确保微孔直径尺寸满足要求，同时利用在SLM中加载不同的菲涅尔透镜全息图对激光的焦点位置进行调节，可确保微小孔工加工的深度要求，微小孔的孔深度＜3μm，孔直径＜5μm。
2、与现有贝塞尔激光加工方式相比，本发明采用激光器、倍频组件、二维摆动反射镜组件、扩束镜、SLM以及聚焦镜构成三维扫描式加工装置可以采用较小的激光加工能量，通过光斑在三维空间的重叠实现微小孔的制造，这样一来极大的降低了微孔的热效应(重铸、裂纹等)，提高了微孔的制造质量，同时也能确保材料表面的光洁度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中二维摆动反射镜组件的工作原理图。
图3为在空间光调制器通过切换菲涅尔透镜全息图，焦点在光轴方向上发生变化的过程图。
图4为两种纵向扫描时的扫描轨迹示意图。
附图标记如下：
1-激光器、2-倍频组件、3-二维摆动反射镜组件、4-扩束镜、5-SLM、6-聚焦镜、7-控制器、8-低通滤波器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明将二维摆动反射镜组件和SLM结合实现了在待加工对象的表面加工出深度和直径均能够满足使用要求，且质量好(无缺陷)的微小孔，其实现原理是：
步骤1：将原始激光波长倍频为原波长的1/2；
步骤2：倍频后的激光经过反射镜反射形成反射激光，与此同时驱动反射镜同时绕原始激光的光轴、以及反射激光的光轴进行摆动，从而使得光斑在被加工对象的表面呈环形路径行进或螺旋线路径行进；
步骤3：对反射镜的反射激光进行扩束；
步骤4：通过在SLM中加载不同的全息图对扩束后的反射激光进行调节，使得扩束后反射激光光束焦点沿被加工对象的深度方向移动的同时还按照环形或螺旋线路径行进，最终实现了微小孔结构的三维加工。
基于上述实现原理，本实施例提供了一种三维扫描式微小孔结构的加工装置，如图1和图2所示，该装置具体包括激光器1、倍频组件2、二维摆动反射镜组件3、扩束镜4、SLM5、聚焦镜6以及控制器7；
具体光路结构为：
激光器1的出射光路上依次设置有倍频组件2以及二维摆动反射镜3；
二维摆动反射镜组件3包括压电陶瓷驱动器以及反射镜；压电陶瓷驱动器用于驱动反射镜绕两个方向上摆动，从而使得激光光斑在被加工对象的表面呈环形路径行进或螺旋线路径行进；
反射镜的反射光路上依次设置有扩束镜4、SLM5以及聚焦镜6；
通过在SLM5中加载不同全息图组合对扩束后的反射激光进行调节，使得扩束后反射激光光束焦点沿被加工对象的深度方向移动，最终实现了微小孔结构的三维加工。
下面对该装置中主要器件作出详细的说明：
倍频组件2：根据光学系统衍射极限公式，聚焦光斑与波长成反比，激光三维加工过程中，为了实现亚波长例如＜2μm直径微孔扫描加工，就必须让聚焦光斑在1μm左右，因此采用BBO晶体作为倍频组件将激光器波长倍频为1/2波长。
二维摆动反射镜组件3：二维摆动反射镜组件中反射镜的摆动角度范围为-20°～20°，扫描响应速度为5KHZ，使得光束可以在XY平面(即被加工对象的表面)实现扫描运动；
SLM5：SLM通过加载不同的全息图实现光束的调节，从而满足不同微小孔加工的要求，具体为：
A:单独加载不同焦距的菲涅尔全息用图于将激光沿光轴聚焦于不同位置，实现对光束在光轴方向的纵向扫描，即提高微孔的加工深度；此过程有两种实现形式：
一是：假设二维摆动反射镜组件3完成扫描路径需耗时t，根据实际微孔深度设置合理的焦点纵向扫描次数n，则SLM每隔t/n切换一次菲涅尔全息图；
二是：采用二维摆动反射镜组件3与SLM5协同控制的方法实现三维扫描制孔，即根据二维摆动反射镜组件3扫描路径规划，可在光束扫描至特定位置时发送控制信号与空间光调制器，空间光调制器切换菲涅尔全息图，这种方法不但可以提高微孔的深度，还有利于控制微孔的形貌。两种形式的制孔扫描轨迹具体如图4所示。
B:在不同焦距的菲涅尔全息图基础上叠加长焦深贝塞尔全息图用于进一步提高微小孔的加工深度。
C：在不同焦距的菲涅尔全息图基础上叠加匀化全息图，用于提高微小孔内壁粗糙度。
控制器7：待两个反射镜分别旋转一周时，将信号发送给控制器7，随即控制器7给SLM5发送控制信号，控制其切换空间光调制器中的菲涅尔全息图，改变激光焦点沿光轴方向的位置，实现深度上的调整，如图2所示。
本实施例的加工装置在在倍频组件以及二维反射镜组件之间还设有低通滤波器8用于进一步将未倍频的长波长激光进行滤波。

Claims (8)

1.一种三维扫描式微小孔结构的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将原始激光波长倍频为原波长的1/2；
步骤2：倍频后的激光经过反射镜反射形成反射激光，与此同时驱动反射镜绕原始激光的光轴，以及反射激光的光轴进行摆动，从而使得光斑在被加工对象的表面呈环形路径行进或螺旋线路径行进；
步骤3：对反射镜的反射激光进行扩束；
步骤4：通过在SLM中加载不同的全息图对扩束后的反射激光进行调节，使得扩束后反射激光光束焦点沿被加工对象的深度方向移动的同时还按照环形或螺旋线路径行进，最终实现了微小孔结构的三维加工；加载不同的全息图包括以下两种：
A:单独加载不同焦距的菲涅尔全息图用于将激光沿光轴聚焦于不同位置，实现对光束在光轴方向的纵向扫描，即提高微孔的加工深度；
B:在不同焦距的菲涅尔全息图基础上叠加长焦深贝塞尔全息图用于进一步提高微小孔的加工深度。
2.根据权利要求1所述的微小孔结构的三维加工方法，其特征在于：所述步骤2中采用压电陶瓷控制反射镜绕原始激光的光轴，以及反射激光的光轴进行摆动。
3.根据权利要求2所述的微小孔结构的三维加工方法，其特征在于：所述步骤4中加载不同全息图还包括：在不同焦距的菲涅尔全息图基础上叠加匀化全息图，用于提高微小孔内壁粗糙度。
4.根据权利要求3所述的微小孔结构的三维加工方法，其特征在于：步骤1中采用BBO晶体将初始激光的波长倍频为1/2波长。
5.一种微小孔结构的三维加工装置，其特征在于，用于实现如权利要求1-4任一所述的加工方法，该装置包括：激光器、倍频组件、二维摆动反射镜组件、扩束镜、SLM、聚焦镜以及控制器；
激光器的出射光路上依次设置有倍频组件以及二维摆动反射镜；
二维摆动反射镜组件包括压电陶瓷驱动器以及反射镜；压电陶瓷驱动器用于驱动反射镜绕两个方向上摆动，从而使得激光光斑在被加工对象的表面呈环形路线行进或螺旋线路线行进；
反射镜的反射光路上依次设置有扩束镜、SLM以及聚焦镜；
通过在SLM中加载不同全息图组合对扩束后的反射激光进行调节，使得扩束后反射激光光束焦点沿被加工对象的深度方向移动的同时还按照环形或螺旋线路径行进，最终实现了微小孔结构的三维加工；
所述加载不同全息图包括以下两种：
A:单独加载不同焦距的菲涅尔全息图用于实现对光束的光焦度的微量调整，即提高微孔的加工深度；
B:在不同焦距的菲涅尔全息图基础上叠加长焦深贝塞尔全息图用于进一步提高微小孔的加工深度；
控制器的输入端与所述二维摆动反射镜组件连接，控制器的输出端与所述SLM连接，用于控制SLM切换菲涅尔全息图。
6.根据权利要求5所述的微小孔结构的三维加工装置，其特征在于：所述加载不同全息图还包括：在不同焦距的菲涅尔全息图基础上叠加匀化全息图，用于提高微小孔内壁粗糙度。
7.根据权利要求6所述的微小孔结构的三维加工装置，其特征在于：还包括设置在倍频组件以及二维反射镜组件之间低通滤波器。
8.根据权利要求5所述的微小孔结构的三维加工装置，其特征在于：所述倍频组件采用BBO晶体。
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