CN116475597A - 飞秒激光加工的等离子体约束引出系统、方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞秒激光加工的等离子体约束引出系统、方法和装置，系统包括电场模块和样品台固定盒；电场模块包括阴极、阳极以及用于容纳阴极和所述阳极的第一盒体；第一盒体和阴极上设有位置对应的加工激光过孔；样品台固定盒和连接在第一盒体靠近所述阳极的一端。本发明通过采用阴阳电极和磁场线圈(可选)在飞秒激光加工材料表面的周围空间产生电磁场的方式，利用等离子体中的带电粒子在电磁场中受到的电场力、磁场力，约束飞秒激光加工过程中瞬时产生的等离子体，并将其引出，使其迅速离开被加工材料表面，避免加工激光脉冲消失时，等离子体复合并在被加工材料表面形成重铸层，有效减少飞秒激光加工中的重铸层厚度。

Description

飞秒激光加工的等离子体约束引出系统、方法和装置

技术领域

本发明涉及飞秒激光加工技术领域，特别是一种飞秒激光加工的等离子体约束引出系统、方法和装置。

背景技术

现代工业对加工工艺提出了越来越高的要求，随着激光技术的突飞猛进，激光加工获得了越来越多的应用，尤其是在一些高品质加工场合和特殊场合，激光加工显示出巨大的优势。比如，航空发动机叶片的气膜孔加工，电火花法难以获得高品质的气膜孔，激光加工被认为是更合适的加工方式。

然而，传统的稳态激光、相对长脉冲(如毫秒、微秒，以及更快的纳秒、皮秒等)激光在加工过程中，由于激光加工的热效应，会产生空口倒刺、微裂纹、热形变等不利现象，熔融后的金属材料还会在被加工面形成重铸层。

近年来，飞秒激光加工技术在高品质加工领域获得了成功应用，该加工技术使用飞秒激光器产生百飞秒量级的脉冲激光序列，用以对待加工材料进行加工，国外的大量实验和理论计算证明，由于该激光脉冲时间短于电子传热给晶格的时间尺度，故该脉冲激光与待加工材料作用，形成瞬态的等离子体，而不会造成热传导等热效应，所以被称为是一种冷加工技术，可以有效的减少稳态激光、相对长脉冲激光加工的热效应问题。然而，由于加工过程中形成了等离子体，在激光脉冲消失后，等离子体失去能量，再次形成中性粒子，并最终还会附着在被加工表面上，形成重铸层，当下一个飞秒激光脉冲到来时，这些重铸层首先与激光脉冲接触并再次形成等离子体，脉冲消失后，再次形成重铸层，这样周而复始，一定程度上阻止了加工进程，这也被认为是飞秒激光加工深孔效率降低、品质变差的重要原因之一。

所以，需要开发一种基于等离子体控制引出的技术，研制等离子体控制引出系统，可以在飞秒激光加工形成等离子体的瞬间，将这些等离子体迅速引出，使其离开待加工表面，这样，既大大增加了激光加工效率，又减少了表面重铸层，增加了激光加工的品质。然而，这种技术构思及相应的技术方案在相关技术中尚未发现有关报道。

因鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞秒激光加工的等离子体约束引出系统、方法和装置，以对飞秒激光加工过程中产生的等离子体进行约束控制，并将其引出，避免等离子体复合为中性粒子附着在被加工材料表面形成重铸层。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的一种飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，包括电场模块和样品台固定盒；所述电场模块包括阴极、阳极以及用于容纳所述阴极和所述阳极的第一盒体；所述第一盒体和所述阴极上设有位置对应的加工激光过孔；所述样品台固定盒和连接在所述第一盒体靠近所述阳极的一端。

可选的，所述等离子体约束引出系统还包括磁场模块以及用于容纳所述磁场模块的第二盒体，所述第二盒体连接在所述样品台固定盒远离所述第一盒体的一端。

可选的，所述第一盒体包括上盖板、侧盒体、阳极固定板，所述侧盒体设置在所述上盖板下方，所述阳极固定板设置于所述侧盒体下方以用于固定所述阳极。

可选的，所述阴极包括阴极固定盒，所述阴极固定盒底部设有金属片，其上开设有加工激光过孔。

可选的，所述阴极通过阴极压环压住所述金属片边缘，并固定在阴极位置调整器上。

可选的，阴极通过开设在所述侧盒体底部的第一过线孔，从而使用电线与高压电源的负极相连。

可选的，所述阳极为一金属片，沿极向设有若干螺钉孔，用于安装阴极位置调整用螺钉，该螺钉从下向上穿过对应螺钉孔，抵在阴极的金属片的下表面上，以便通过旋动螺钉调整阴极在竖直和/或水平方向上的位置。

可选的，所述阳极水平安装，使用阳极固定板和阴极位置调整器进行夹持固定。

可选的，所述阳极通过阳极固定板侧面的第二过线孔，从而使用电线与高压电源的正极相连。

可选的，所述磁场模块包括由紫铜导线绕制的磁场线圈，水平固定在由上盖板、侧板、下支持板围成的磁场模块盒体内。

可选的，所述磁场线圈的两只紫铜导线端口分别接电线，并通过阳极固定板侧面的第二过线孔连接在外置的稳流电源的正负极上。

可选的，还包括侧板，在所述侧板两侧分别装有把手。

可选的，所述侧板的侧面设有支撑架安装模块，以便与用于固定等离子体约束引出系统的支撑架连接。

第二方面，本发明实施例提供一种飞秒激光加工的等离子体约束引出方法，采用上述的系统，所述方法包括：通过采用阴阳电极在飞秒激光加工点周围空间产生电场，约束飞秒激光加工过程中瞬时产生的等离子体，并将其引出使其迅速离开加工点位置，从而避免加工激光脉冲消失时，等离子体复合并在加工点处形成重铸层。

可选的，所述系统还包括磁场模块，所述方法还包括：磁场模块辅助电场模块使用，使得等离子体约束引出的效果更优。

可选的，阴阳电极所接电源的输出电压为2千伏-15千伏。

可选的，所述磁场线圈可以通过调节电流大小的方式，在芯部产生1000高斯量级的轴向磁场

可选的，所述阴极和阳极在经过一定时间使用后进行更换或对其表面进行清洗。

第三方面，本发明提供了一种飞秒激光加工装置，包括上述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统。

本发明提供的一种飞秒激光加工的等离子体约束引出系统、方法和加工装置，具有如下有益效果：通过采用在被加工材料表面附近空间建立电磁场的方式，利用等离子体中的带电粒子在电磁场中所受到的电场力、磁场力，对飞秒激光加工过程中产生的等离子体进行约束控制，并将其引出，使其迅速远离被加工材料表面，当飞秒激光脉冲消失时，避免等离子体复合为中性粒子附着在被加工材料表面形成重铸层。使用该技术，可以有效减少飞秒激光加工中的重铸层厚度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统；

图2为图1的半剖结构示意图。

图中：

1-加工激光过孔；2-上盖板；3-侧盒体；4-阳极固定板；5-样品台固定盒；6-上盖板；7-侧板；8-阴极固定盒；9-阴极；10-加工激光过孔；11-阴极压环；12-阳极；13-阴极位置调整器；14-阴极位置调整用螺钉；15-把手；16-支撑架安装模块；17-磁场线圈；18-下支持板；19-第一过线孔；20-第二过线孔。

具体实施方式

下面将参考附图中示出的若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，描述这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。

本发明实施例提供一种如图1所示，根据本发明实施例所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，作为一个示例，其包括阴极9，所述阴极9由用于限位的阴极固定盒8和底部的圆截面金属片组成，被夹持在阴极压环11与阴极位置调整器13之间，并使用3只阴极位置调整用螺钉14进行固定，该螺钉可以通过旋动的方式微调阴极9在竖直方向上的位置，微调范围为毫米量级，当然也可以用于调整水平位置；所述阳极12被固定在阴极位置调整器13上；所述阴极9、阳极12被安装在由上盖板2、侧盒体3、阳极固定板4所围成的长方体模块中，上盖板2中心留有直径4毫米的加工激光过孔1，阴极9中心也留有直径4毫米的加工激光过孔10，用以保证飞秒加工激光可以穿过；侧盒体3底部留有第一过线孔19，用以穿过阴极9、阳极12的供电线，供电电源采用工业用高压电源，其负极接阴极9，正极接阳极12。该高压电源置于该等离子体约束引出系统以外，如前文所述，可选用标准的工业供电电源，参考高压电源的电压参数为：输出电压2千伏-15千伏。

磁场线圈17被安装在由上盖板6、侧板7、下支持板18所围成的圆柱体模块中，阳极固定板4的侧边留有第二过线孔20，用以穿过磁场线圈17的供电线，供电电源采用工业用稳流电源，其正、负极分别接磁场线圈17的两根连接线；所述用于安装阴极、阳极系统的长方体模块和用于安装磁场线圈系统的圆柱体模块使用样品台固定盒进行连接；所述用于安装磁场线圈系统的圆柱体模块侧面安装有把手15，便于安装和搬运；所述用于安装磁场线圈系统的圆柱体模块侧面还安装有支撑架安装模块16，根据激光加工机床的实际需求和尺寸，可用于与外部支撑架的固定和连接。

本系统通过采用阴阳电极和磁场线圈在飞秒激光加工点周围空间产生电磁场的方式，约束飞秒激光加工过程中瞬时产生的等离子体，并将其引出使其迅速离开加工点位置，避免加工激光脉冲消失时，等离子体复合并在加工点处形成重铸层。其中，电场模块可以在飞秒激光加工点周围空间产生稳态强电场，电场强度E的大小为E＝V/h，其中V为阴极9和阳极1之间外加的电压，也即为高压电源的输出电压，h为阴极9和阳极12之间的距离。

阴极9、阳极12构成的电场模块和磁场线圈17构成的磁场模块均可相互独立通电工作。其中磁场模块用以辅助电场模块使用，使得等离子体约束引出的效果更优，实际加工时，磁场模块也可以不通电开启，电场模块单独工作，故安装时，也可只单独安装电场模块，而不安装磁场模块。

在使用时，可以将本系统组装于飞秒激光加工机床等加工装置中，例如，可以与飞秒激光加工机床相匹配，样品台固定盒5按照常见飞秒激光加工样品台或转台设计，也可以将其尺寸相应调整，并固定在加工样品台或转台上。

阴极9圆截面金属片的下表面用于接收飞秒激光加工过程中被约束引出的等离子体离子，并形成金属膜附着在上述下表面，长期使用后，可以拆卸阴阳极盒体，更换新的阴极9，或者取出阴极9，并进行表面清理后重复使用。

飞秒激光加工前，需将待加工样品平稳摆放在阳极12表面上，如果待加工样品材料为金属，则也可以直接从侧盒体3底部第一过线孔19里引入电线并通过接线夹与加工样品相连。

进一步的，经过长期使用，所述阳极12的上表面也可能被污染了一定量的金属附着物，可以拆卸阴阳极盒体，更换新的阳极12，或者取出阳极12，并进行表面清理后重复使用。

在一个实施例中，阴极9采用铜加工(也可以采用不锈钢)，具体形状为倒置π形截面的轴对称结构，上部为空心圆柱体—阴极固定盒8，用于限位，尺寸为内直径36毫米，外直径40毫米，高度30毫米，下部为圆截面金属片，直径50毫米，厚度2毫米，该圆截面金属片中心留有穿孔直径为4毫米；在不同飞秒激光加工设备上使用时，根据样品台或转台型号尺寸，上述尺寸可以进行调整。例如，在不同飞秒激光加工设备上使用时，根据加工激光旋切运动的面积，上述孔的直径可以调大或调小。阴极9通过阴极压环11压住圆截面金属片边缘，并固定在阴极位置调整器13上。阴极压环11材料为铜(即与阴极相同)，阴极位置调整器13材料为有机玻璃，也可以采用其它刚性绝缘体材料。

在一个实施例中，阳极12为一圆形金属片，材料为铜(或不锈钢，即与阴极材料相同)，直径为65毫米，厚度为2毫米，在直径为58毫米的圆形位置，沿极向均匀开3只直径3.2毫米螺钉孔，在不同飞秒激光加工设备上使用时，根据样品台或转台型号尺寸，上述尺寸可以进行调整。3只螺钉孔安装3只阴极位置调整用螺钉14，螺钉材料为有机玻璃(或其他刚性绝缘材料)，该螺钉从下向上穿过对应螺钉孔，抵在阴极9的圆截面金属片的下表面上，通过旋动该3只螺钉调整阴极9在竖直方向上的位置，使得阴极9的圆截面金属片的下表面与阳极12的上表面的距离为1毫米。

在一个实施例中，在侧盒体3底部留有拱形第一过线孔19，用以穿过阴极9和阳极12连接高压电源的供电线，该供电电源摆放在本等离子体约束引出系统的外部，其负极接阴极9，正极接阳极12，电源电压可调，由前文可知，电场强度E的大小为E＝V/h，其中距离h越大，电场强度E越小，该等离子体约束引出系统在线减少飞秒激光加工重铸层厚度的能力越差。当距离h过小时，电场强度E过大，可能会造成阴极9和阳极12之间的空气击穿。故该电场模块的电场强度E、距离h适中为宜，本实施例中，实际工作时调节电压为6千伏，距离h调整到1-3毫米，例如，空间电场为阴极9和阳极12之间的均匀电场，方向从阳极12指向阴极9，大小为6×10⁶伏/米(即6千伏/1毫米)。

在一个实施例中，磁场线圈17采用紫铜线绕制，水平摆放，并使用螺钉固定、安装在由上盖板6、侧板7、下支持板18所围成的圆柱体模块中，模块侧面安装把手15和支撑架安装模块16。

在一个实施例中，阳极固定板4的侧面留有方形的第二过线孔20，用以穿过磁场线圈17连接稳流电源的供电线，参考稳流电源的最高电流参数为100安培。本实施例中，实际工作时调节电流为50安培。磁场线圈17可以通过调节电流大小的方式，在芯部产生1000高斯量级的轴向磁场。

在一个实施例中，飞秒激光加工的旋转台为一薄圆柱体金属，根据其体积、形状，设计样品台固定盒5将并包裹该旋转台，并使用螺钉将安装阴极、阳极系统的长方体模块和用于安装磁场线圈系统的圆柱体模块固定在样品台固定盒5两侧。

作为一个示例，采用铜质的阳极12作为待加工材料样品，使用脉冲宽度为400飞秒的激光脉冲进行加工，加工激光波长1030纳米，功率5瓦；在阴极9和阳极12间距1毫米，外加高压6千伏，磁场线圈17电流50安培的参数下，进行样品加工后，实测加工表面重铸层平均厚度为56.253微米；在保持其它条件不变，关闭高压电源和稳流电源，进行样品加工后，实测加工表面重铸层平均厚度为4.075微米。

本发明实施例的具体工作原理为：飞秒激光为脉冲激光，激光脉冲的平均宽度在飞秒到几百飞秒量级。当飞秒激光作用在待加工材料样品表面时，激光能量用于将待加工材料原子/分子激发，并形成等离子体，当飞秒激光脉冲消失时，等离子体损失能量，将中性化，并附着在待加工材料样品的加工面上，形成重铸层。

对于本申请中的减少飞秒激光加工重铸层厚度的在线等离子体约束引出系统，采用阴阳电极和磁场线圈在飞秒激光加工材料表面的周围空间产生电磁场的方式，利用了等离子体中的带电粒子在电磁场中受到的电场力、磁场力。在电场力作用下，等离子体中的离子会向着阳极加速运动，迅速离开被加工材料表面，且其所受的电场力大小F与阳极和阴极之间的电压V成正比，与阳极和阴极之间的距离h成反比，故通过采用高压和近距离的方式，可以在空间形成强电场，具体表达式为：F＝qE＝qV/h，其中，q为离子所带的电荷数。离子只要离开被加工材料表面，即使最终中性化，或者在空气中氧化形成了氧化物，也只会以氧化物灰尘的方式散落在阳极表面，或者吸附在阴极表面，通过吹风或者轻微擦拭即可去除，而不会在被加工材料表面形成重铸层。这里，电场的大小与离子受力正相关，故在被加工材料表面形成强电场非常重要，考虑到导体对导体内部电场具有一定的屏蔽作用，故对于飞秒激光的表面加工、刻槽、激光制浅孔等加工场合，本申请中的约束引出系统对等离子体的约束引出效果十分显著。

另一方面，当被加工材料表面形成等离子体时，等离子体是一种高能态，其自身的等离子体压强会使其空间膨胀，即具有一定的瞬态喷射速度，通过在空间中形成竖直磁场的方式，可以使其沿着磁力线做竖直方向的螺旋运动，再结合空间电场使其获得竖直方向向上的加速度，故磁场可以辅助电场约束引出等离子体。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，包括电场模块和样品台固定盒；所述电场模块包括阴极(9)、阳极(12)以及用于容纳所述阴极(9)和所述阳极(12)的第一盒体；所述第一盒体和所述阴极(9)上设有位置对应的加工激光过孔；所述样品台固定盒和连接在所述第一盒体靠近所述阳极(12)的一端。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，所述等离子体约束引出系统还包括磁场模块以及用于容纳所述磁场模块的第二盒体，所述第二盒体连接在所述样品台固定盒远离所述第一盒体的一端。

3.根据权利要求1所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，所述第一盒体包括上盖板(2)、侧盒体(3)、阳极固定板(4)，所述侧盒体(3)设置在所述上盖板(2)下方，所述阳极固定板(4)设置于所述侧盒体(3)下方以用于固定所述阳极(12)。

4.根据权利要求1所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，所述阴极(9)包括阴极固定盒(8)，所述阴极固定盒(8)底部设有金属片，其上开设有加工激光过孔。

5.根据权利要求4所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，所述阴极(9)通过阴极压环(11)压住所述金属片边缘，并固定在阴极位置调整器(13)上。

6.根据权利要求3所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，阴极(9)通过开设在所述侧盒体(3)底部的第一过线孔(19)，从而使用电线与高压电源的负极相连。

7.根据权利要求5所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，所述阳极(12)为一金属片，沿极向设有若干螺钉孔，用于安装阴极位置调整用螺钉(14)，该螺钉从下向上穿过对应螺钉孔，抵在阴极(9)的金属片的下表面上，以便通过旋动螺钉调整阴极在竖直和/或水平方向上的位置。

8.根据权利要求1所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，所述阳极(12)水平安装，使用阳极固定板(4)和阴极位置调整器(13)进行夹持固定。

9.根据权利要求8所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，所述阳极(12)通过阳极固定板(4)侧面的第二过线孔(20)，从而使用电线与高压电源的正极相连。

10.根据权利要求2所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，所述磁场模块包括由紫铜导线绕制的磁场线圈(17)，水平固定在由上盖板(6)、侧板(7)、下支持板(18)围成的磁场模块盒体内。

11.根据权利要求10所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，所述磁场线圈(17)的两只紫铜导线端口分别接电线，并通过阳极固定板(4)侧面的第二过线孔连接在外置的稳流电源的正负极上。

12.根据权利要求1所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，还包括侧板(7)，在所述侧板(7)两侧分别装有把手。

13.根据权利要求12所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统，其特征在于，所述侧板(7)的侧面设有支撑架安装模块(16)，以便与用于固定等离子体约束引出系统的支撑架连接。

14.一种飞秒激光加工的等离子体约束引出方法，采用权利要求1所述的系统，所述方法包括：通过采用阴阳电极在飞秒激光加工点周围空间产生电场，约束飞秒激光加工过程中瞬时产生的等离子体，并将其引出使其迅速离开加工点位置，从而避免加工激光脉冲消失时，等离子体复合并在加工点处形成重铸层。

15.根据权利要求14所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出方法，其特征在于，所述系统还包括磁场模块，所述磁场模块包括磁场线圈，所述方法还包括：磁场模块辅助电场模块使用，使得等离子体约束引出的效果更优。

16.根据权利要求14所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出方法，其特征在于，阴阳电极所接电源的输出电压为2千伏-15千伏。

17.根据权利要求15所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出方法，其特征在于，所述磁场线圈可以通过调节电流大小的方式，在芯部产生1000高斯量级的轴向磁场。

18.根据权利要求14所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出方法，其特征在于，所述阴极(9)和阳极(12)在经过一定时间使用后进行更换或对其表面进行清洗。

19.一种飞秒激光加工装置，其特征在于，包括权利要求1-13任一所述的飞秒激光加工的等离子体约束引出系统。