CN116851922B - 一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统及方法，包括用于产生并输出初始飞秒激光束的飞秒激光输出单元；将飞秒激光输出单元的输出分束输出第一飞秒激光束和第二飞秒激光束的衍射分束器；设置在第一飞秒激光束的光路上的第一反射单元；设置在第二飞秒激光束的光路上的第二反射单元；振镜输出单元位于第一反射单元和第二反射单元的输出光路上，用于接收第一反射单元和第二反射单元输出的激光束，该两路激光束形成激光干涉图像；然后通过增材制造加工装置将激光干涉图像扫描在工件表面，在工件上制备微纳结构功能表面。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行体表面结构制备技术领域，尤其涉及一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统及方法。
背景技术
水下航行体在航行过程极易受到海洋微生物、细菌的附着，表面污染物堆积为水下航行带来极大的阻力。当前，水下航行体除垢主流方法包括物理除垢、化学除垢、电化学除垢。物理除垢主要是利用一定压力的压力水洗，或利用高压水枪清洗表面，去除水下航行体表面的污垢、油污等；化学除垢主要是利用活性剂、有机溶剂等药剂，溶解水下航行体表面的污垢；电化学除垢是指在水下航行体表面施加一定电位，利用腐蚀电位对污垢进行腐蚀去除，以有效去除表面的污垢、沉积物等。然而物理除垢方法高压水枪强烈压力点会造成水下航行体表面局部冲击变形；化学方法或电化学方法在去除污垢同时其残留的化学药剂会持续侵蚀表面，降低其表面强度，降低表面光滑度，进一步增大表面藏污纳垢的面积；且含有强腐蚀物质，存在作业危害系数高、污染环境、清洗效率低、对材料表面损伤较为严重等问题。因此制备出较为光滑的表面微结构，减少细菌、微生物接触与附着，可从根本上增强水下航行体去污能力，减小水下航行阻力。
减少微生物、细菌的功能性表面可最大限度地减少污染，减少清洁要求和相关的停机时间、腐蚀、环境影响和残留的化学成分。抗菌表面通常被设计成模仿自然发生的自清洁和抗菌表面，如荷叶和蝉翅，其特征是分层超疏水微纳米级结构和分别为密集排列的杀菌纳米柱。表面形貌和疏水性对细菌滞留的重要性一直是广泛研究的主题，在特征尺寸小于细菌细胞尺寸的情况下，最大限度地减少了细胞与底物之间的接触点数量。当前水下航行体表面多为圆钝形且材料主要是钛合金、铝合金、不锈钢等，较高精度形貌与材料中较高熔点与硬度，传统机加工技术难以制备微纳结构功能表面。
因此，因此设计一种去污表面结构的制备系统及方法以便加工出更加精细、高精度复杂表面微观结构，对增强水下航行体去污能力、减小航行阻力以及航行效率具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种采用激光干涉方法来进行微观结构细节生成的、增材制造去污表面结构的制备系统及方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统，包括：
飞秒激光输出单元，用于产生并输出初始飞秒激光束；
衍射分束器，将飞秒激光输出单元产生的初始飞秒激光束分束输出与飞秒激光输出单元的光轴对称的第一飞秒激光束和第二飞秒激光束；
第一反射单元，设置在第一飞秒激光束的光路上，用于对第一飞秒激光束进行相位调制并反射输出；
第二反射单元，设置在第二飞秒激光束的光路上，用于对第二飞秒激光束反射输出；
振镜输出单元，位于第一反射单元和第二反射单元的输出光路上，用于接收第一反射单元和第二反射单元输出的激光束，该两路激光束形成激光干涉图像；然后通过增材制造加工装置将激光干涉图像扫描在工件表面，在工件上制备微纳结构功能表面。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述飞秒激光输出单元包括飞秒激光器、聚焦透镜和位移平台；聚焦透镜和位移平台的固定部均位于飞秒激光器的输出端一侧，且飞秒激光器的光轴与聚焦透镜的光轴共线设置；聚焦透镜还设置在位移平台的活动部上，位移平台的活动部可相对于飞秒激光器的光轴延伸方向移动；聚焦透镜用于改变飞秒激光器输出的初始飞秒激光束的光斑大小。
优选的，所述第一反射单元包括顺次设置的第一激光反射镜、空间光调制器和第二激光反射镜；第一激光反射镜的输入端位于第一飞秒激光器的光轴上，第一激光反射镜的输出端与空间光调制器的输入端光路连通，空间光调制器的输出端与第二激光反射镜的输入端光路连通，第二激光反射镜的输出端与振镜输出单元的输入端光路连通。
进一步优选的，所述第二反射单元包括第三激光反射镜和第四激光反射镜；第三激光反射镜的输入端位于第二飞秒激光器的光轴上，第三激光反射镜的输出端与第四激光反射镜的输入端光路连通，第四激光反射镜的输出端与振镜输出单元的输入端光路连通；第一反射单元的光路和第二反射单元的光路相对于飞秒激光器的光轴对称设置。
更进一步优选的，所述振镜输出单元包括激光光纤、振镜模组和场镜；激光光纤的输入端分别与第二激光反射镜的输出端和第四激光反射镜的输出端光路连通，激光光纤的输出端与振镜模组的输入端光路连通，振镜模组的输出端的光轴与场镜的光轴重合；振镜模组用于反射输出的激光干涉图像，场镜接收振镜模组反射的激光干涉图像并改变工件表面的激光干涉图像的光斑大小。
更进一步优选的，所述第二激光反射镜或者第四激光反射镜分别设置在不同的测角仪的旋转轴上。
另一方面，本发明还提供了一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备方法，包括如下步骤：
S1：配置上述的激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统；
S2：飞秒激光输出单元产生1064nm、持续时间为皮秒级的初始飞秒激光束；初始飞秒激光束通过聚焦透镜至衍射分束器中；由衍射分束器输出与飞秒激光器(1)的光轴对称的第一飞秒激光束和第二飞秒激光束，第一飞秒激光束送入第一反射单元中，第二飞秒激光束送入第二反射单元中；
S3：第一反射单元的空间光调制器对第一飞秒激光束进行相位调制后输出至振镜输出单元，第二反射单元将第二飞秒激光束反射后输出至振镜输出单元；第一反射单元的光路和第二反射单元的光路相对于飞秒激光器的光轴对称设置；第一反射单元输出的激光束和第二反射单元输出的激光束形成干涉图像；
S4：激光光纤接收干涉图像并发送给振镜模组，振镜模组一方面接收干涉图像并反射输出，另一方面还对工件的表面进行定位，振镜模组的输出经过场镜投射在工件表面。
优选的，所述激光干涉图像的尺寸由空间光调制器的相位调节，激光干涉图像的光强由第二激光反射镜或者第四激光反射镜的角度决定。
优选的，所述激光干涉图像的条纹间距由第一飞秒激光束或者第二飞秒激光束的波长以及相对于激光光纤的入射角决定。
本发明提供的一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统及方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本方案提供了一种设计飞秒激光干涉结构突破传统单束激光加工光斑大小的限制，干涉激光光斑尺寸比传统激光小一个数量级，可实现微纳表面结构的制造，极大减小水下航行体表面与微生物、细菌接触面积，增强航行体表面去污能力，精细的表面结构同时也有利于减小水下航行阻力，进而提高航行效率；
(2)将飞秒激光干涉装置与增材制造装置进行有机融合，利用增材制造可加工复杂金属部件的优势，通过飞秒激光增材制造系统实现加工具有复杂结构的微纳结构，系统对于水下航行体结构制备具有较强的普适性。本发明根据理论公式，系统装置设计可调节结构，可根据航行体表面功能需要，灵活改变干涉激光光斑大小、光强的分布以及干涉条纹大小，制备出所需的微纳表面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统及方法的结构框图；
图2为本发明一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统及方法的系统结构的示意图；
图3为本发明一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统及方法的第一飞秒激光束与第二飞秒激光束的入射角与激光干涉图像的光斑大小的示意图；
图4为本发明一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统及方法的流程示意图。
附图标记：100、飞秒激光输出单元；200、第一反射单元；300、第二反射单元；400、振镜输出单元；1、飞秒激光器；2、初始飞秒激光束；3、聚焦透镜；4、位移平台；5、衍射分束器；6、第一飞秒激光束；7、第二飞秒激光束；8、第一激光反射镜；9、空间光调制器；10、第二激光反射镜；11、第一测角仪；12、第三激光反射镜；13、第四激光反射镜；14、第二测角仪；15、激光光纤、16、振镜模组；17、场镜；18、工件；19、第一入射光束、20、第二入射光束；21、第一圆锥体；22、第三入射光束、23、第四入射光束；24、第二圆锥体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一方面，本发明提供了一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统，包括：
飞秒激光输出单元100用于产生并输出初始飞秒激光束2；
衍射分束器5将飞秒激光输出单元100产生的初始飞秒激光束2分束输出与飞秒激光输出单元100的光轴对称的第一飞秒激光束6和第二飞秒激光束7；衍射分束器5可改变分束激光分布，即两束激光夹角，本方案中的衍射分束器5不改变衍射激光光束分布，即第一飞秒激光束6和第二飞秒激光束7的分束角度保持不变。
第一反射单元200设置在第一飞秒激光束6的光路上，用于对第一飞秒激光束6进行相位调制并反射输出；
第二反射单元300设置在第二飞秒激光束7的光路上，用于对第二飞秒激光束7反射输出；第一飞秒激光束6和第二飞秒激光束7的周期与波长完全相同，仅相位有差异。
振镜输出单元400位于第一反射单元200和第二反射单元300的输出光路上，用于接收第一反射单元200和第二反射单元300输出的激光束，该两路激光束形成激光干涉图像；然后通过增材制造加工装置将激光干涉图像扫描在工件18表面，在工件18上制备微纳结构功能表面。
如图1结合如图2所示，飞秒激光输出单元100包括飞秒激光器1、聚焦透镜3和位移平台4；聚焦透镜3和位移平台4的固定部均位于飞秒激光器1的输出端一侧，且飞秒激光器1的光轴与聚焦透镜3的光轴共线设置；聚焦透镜3还设置在位移平台4的活动部上，位移平台4的活动部可相对于飞秒激光器1的光轴延伸方向移动；聚焦透镜3的位置调节，可以用于改变飞秒激光器1输出的初始飞秒激光束2的光斑大小。
同样如图1结合图2所示，第一反射单元200包括顺次设置的第一激光反射镜8、空间光调制器9和第二激光反射镜10；第一激光反射镜8的输入端位于第一飞秒激光器1的光轴上，第一激光反射镜8的输出端与空间光调制器9的输入端光路连通，空间光调制器9的输出端与第二激光反射镜10的输入端光路连通，第二激光反射镜10的输出端与振镜输出单元400的输入端光路连通。本方案的空间光调制器9为液晶空间光调制器，可透射激光光束，通过液晶粒子偏转改变激光束相位的效果，改变第一飞秒激光束6相对于第二飞秒激光束7的相位。
类似的，第二反射单元300包括第三激光反射镜12和第四激光反射镜13；第三激光反射镜12的输入端位于第二飞秒激光器1的光轴上，第三激光反射镜12的输出端与第四激光反射镜13的输入端光路连通，第四激光反射镜13的输出端与振镜输出单元400的输入端光路连通；第一反射单元200的光路和第二反射单元300的光路相对于飞秒激光器1的光轴对称设置。可见第二反射单元300未对第二飞秒激光束7进行调整，进行了反射过程。
作为一种优选的实施方式，为了精确调节第一飞秒激光束6的限位与第二飞秒激光束7的相位，可以将第二激光反射镜10或者第四激光反射镜13分别设置在不同的测角仪的旋转轴上。如将第二激光反射镜10安装在第一测角仪11的旋转轴上，第四激光反射镜13安装在第二测角仪14的旋转轴上。通过测角仪机械运动实现第二激光反射镜10或者第四激光反射镜14偏转，并获取相应的角度，精确调整第一飞秒激光束6的限位与第二飞秒激光束7两者的相位差。
如图2所示，振镜输出单元400包括激光光纤15、振镜模组16和场镜17；激光光纤15的输入端分别与第二激光反射镜10的输出端和第四激光反射镜13的输出端光路连通，激光光纤15的输出端与振镜模组16的输入端光路连通，振镜模组16的输出端的光轴与场镜17的光轴重合；振镜模组16用于反射输出的激光干涉图像，场镜17接收振镜模组16反射的激光干涉图像并改变工件18表面的激光干涉图像的光斑大小。振镜模组16和场镜17可以融合设置在增材制造加工装置上，振镜模组按照指定路径改变反射镜偏转角度，引导激光干涉图像的输出方向，实现对水下航行体结构的所需的微纳表面的扫描加工。
另一方面，本发明还提供了一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备方法，包括如下步骤：
S1：配置上述的激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统；
S2：飞秒激光输出单元100的飞秒激光器1产生1064nm、持续时间为皮秒级的初始飞秒激光束2；初始飞秒激光束2通过聚焦透镜3至衍射分束器5中；由衍射分束器5输出与飞秒激光器1的光轴对称的第一飞秒激光束6和第二飞秒激光束7，第一飞秒激光束6送入第一反射单元200中，第二飞秒激光束7送入第二反射单元300中；
S3：第一反射单元200的空间光调制器9对第一飞秒激光束6进行相位调制后输出至振镜输出单元400，第二反射单元300将第二飞秒激光束7反射后输出至振镜输出单元400；第一反射单元200的光路和第二反射单元300的光路相对于飞秒激光器1的光轴对称设置；第一反射单元200输出的激光束和第二反射单元300输出的激光束形成激光干涉图像；
S4：激光光纤15接收干涉图像并发送给振镜模组16，振镜模组16一方面接收干涉图像并反射输出，另一方面还对工件18的表面进行定位，振镜模组16的输出经过场镜17投射在工件18表面。本方案中，输出激光干涉图像适用于激光选区熔融增材制造系统，如增材制造加工装置。对于激光选区熔融增材制造系统，干涉激光通过激光光纤到达振镜，经振镜模组16反射至场镜17，场镜17可改变光斑大小，振镜模组按照指定路径改变内部的反射镜偏转角度实现激光干涉图像的扫描加工。
如图2所示，本方案中，激光干涉图像为明暗相间的条纹，其强度分布如公式1所示；
公式1；其中激光干涉图像的强度为I(x，y)；I0、λ和θ为第一飞秒激光束6和第二飞秒激光束7的光强、波长和在目标表面如激光光纤15上的入射角，由上式可知激光干涉图像的强度分布与第一飞秒激光束6和第二飞秒激光束7的光强、波长和在目标表面的入射角直接相关；该式是基于平行于x方向两束激光光束相同的强度、偏振角度和入射角的假设，即以第一反射单元200和第二反射单元300共同构建投影坐标系，投影坐标系的y轴方向为飞秒激光器1的光轴方向，第二激光反射镜10和第四激光反射镜13分别位于投影坐标系x轴的不同位置。
如图3所示，根据两束激光干涉的原理，第一入射光束19和第二入射光束20为一对干涉光束，第一入射光束19和第二入射光束20的光强、波长和相位一致，且入射角均为θ1时，在两束激光的重叠区域构成第一圆锥体21，该第一圆锥体21底部的直径为c1，c1可视为第一入射光束19和第二入射光束20的干涉光斑的大小；当改变入射角为θ2时，此时第三入射光束22和第四入射光束23为一对干涉光束，第三入射光束22和第四入射光束23的光强、波长和相位一致，在两束激光的重叠区域构成第二圆锥体24，该第二圆锥体24底部的直径为c2，c2可视为第三入射光束22和第四入射光束23的干涉光斑的大小。此处的第一入射光束19和第三入射光束22可以是第一飞秒激光束6；第二入射光束20和第四入射光束23可以是第二飞秒激光束7。
激光干涉图像的尺寸由空间光调制器9的相位调节，激光干涉图像的光强由第二激光反射镜10或者第四激光反射镜13的角度决定。根据公式1，通过调节空间光调制器9的相位，改变干涉条纹的尺寸，通过旋转测角仪可以改变第二激光反射镜10或者第四激光反射镜13的角度，来实现激光干涉图像对应的干涉激光束的光强的变化。激光干涉图像对应的干涉激光束的烧蚀过程具有高斯强度分布，该分布形状如图3的第一圆锥体21或者第二圆锥体24所示，由此公式1可以采用一个高斯截面来表示：
公式2；其中I′(x，y)为高斯截面上的激光干涉图像的强度；dx和dy分别是投影坐标系的x轴方向和y轴方向上的两束激光干涉图像像素的高斯光束的直径。根据激光脉冲的高斯时间形状，通过将激光干涉图像的强度I(x，y)乘以全宽半最大值FWHM脉冲持续时间Tp，可以将高斯强度分布转换为激光干涉图像像素的通量分布：
ψ(x，y)＝I′(x，y)·Tp/0.94，公式3。根据公式2结合图3中的两束激光重叠区域圆锥体，圆锥体所在区域即为激光热加工区域，较小的入射角对应较小的光斑、较大加工深度。本发明根据加工微纳表面需求，可通过测角仪灵活调整激光入射角度，从而改变干涉激光强度分布。由公式3可知，本发明可通过调节激光脉冲灵活改变激光强度。
激光干涉图像的条纹间距由第一飞秒激光束6或者第二飞秒激光束7的波长λ以及相对于激光光纤15的入射角θ决定：
公式4；Γ为激光干涉图像的条纹间距。通过调节入射激光波长、入射激光角度灵活调控激光条纹间距，从而实现微纳表面精细加工。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统，其特征在于，包括：
飞秒激光输出单元(100)，用于产生并输出初始飞秒激光束(2)；
衍射分束器(5)，将飞秒激光输出单元(100)产生的初始飞秒激光束(2)分束输出与飞秒激光输出单元(100)的光轴对称的第一飞秒激光束(6)和第二飞秒激光束(7)；第一飞秒激光束(6)和第二飞秒激光束(7)的周期与波长完全相同；
第一反射单元(200)，设置在第一飞秒激光束(6)的光路上，用于对第一飞秒激光束(6)进行相位调制并反射输出；
第二反射单元(300)，设置在第二飞秒激光束(7)的光路上，用于对第二飞秒激光束(7)反射输出；
振镜输出单元(400)，位于第一反射单元(200)和第二反射单元(300)的输出光路上，用于接收第一反射单元(200)和第二反射单元(300)输出的激光束，该两路激光束形成激光干涉图像；然后通过增材制造加工装置将激光干涉图像扫描在工件(18)表面，在工件(18)上制备微纳结构功能表面；
所述飞秒激光输出单元(100)包括飞秒激光器(1)、聚焦透镜(3)和位移平台(4)；聚焦透镜(3)和位移平台(4)的固定部均位于飞秒激光器(1)的输出端一侧，且飞秒激光器(1)的光轴与聚焦透镜(3)的光轴共线设置；聚焦透镜(3)还设置在位移平台(4)的活动部上，位移平台(4)的活动部可相对于飞秒激光器(1)的光轴延伸方向移动；聚焦透镜(3)用于改变飞秒激光器(1)输出的初始飞秒激光束(2)的光斑大小；
所述第一反射单元(200)包括顺次设置的第一激光反射镜(8)、空间光调制器(9)和第二激光反射镜(10)；第一激光反射镜(8)的输入端位于第一飞秒激光束(6)的光轴上，第一激光反射镜(8)的输出端与空间光调制器(9)的输入端光路连通，空间光调制器(9)的输出端与第二激光反射镜(10)的输入端光路连通，第二激光反射镜(10)的输出端与振镜输出单元(400)的输入端光路连通；
所述第二反射单元(300)包括第三激光反射镜(12)和第四激光反射镜(13)；第三激光反射镜(12)的输入端位于第二飞秒激光束(7)的光轴上，第三激光反射镜(12)的输出端与第四激光反射镜(13)的输入端光路连通，第四激光反射镜(13)的输出端与振镜输出单元(400)的输入端光路连通；第一反射单元(200)的光路和第二反射单元(300)的光路相对于飞秒激光器(1)的光轴对称设置；
所述振镜输出单元(400)包括激光光纤(15)、振镜模组(16)和场镜(17)；激光光纤(15)的输入端分别与第二激光反射镜(10)的输出端和第四激光反射镜(13)的输出端光路连通，激光光纤(15)的输出端与振镜模组(16)的输入端光路连通，振镜模组(16)的输出端的光轴与场镜(17)的光轴重合；振镜模组(16)用于反射输出的激光干涉图像，场镜(17)接收振镜模组(16)反射的激光干涉图像并改变工件(18)表面的激光干涉图像的光斑大小；激光干涉图像对应的干涉激光束的烧蚀过程具有高斯强度分布，该高斯强度分布形状为圆锥体；
所述第二激光反射镜(10)或者第四激光反射镜(13)分别设置在不同的测角仪的旋转轴上；通过测角仪机械运动实现第二激光反射镜(10)或者第四激光反射镜(13)偏转，并获取相应的角度，精确调整第一飞秒激光束(6)的限位与第二飞秒激光束(7)两者的相位差；
一种激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统的使用方法，包括如下步骤：
S1：配置上述的激光干涉增材制造去污表面结构的制备系统；
S2：飞秒激光输出单元(100)产生1064nm、持续时间为皮秒级的初始飞秒激光束(2)；初始飞秒激光束(2)通过聚焦透镜(3)至衍射分束器(5)中；由衍射分束器(5)输出与飞秒激光器(1)的光轴对称的第一飞秒激光束(6)和第二飞秒激光束(7)，第一飞秒激光束(6)送入第一反射单元(200)中，第二飞秒激光束(7)送入第二反射单元(300)中；
S3：第一反射单元(200)的空间光调制器(9)对第一飞秒激光束(6)进行相位调制后输出至振镜输出单元(400)，第二反射单元(300)将第二飞秒激光束(7)反射后输出至振镜输出单元(400)；第一反射单元(200)的光路和第二反射单元(300)的光路相对于飞秒激光器(1)的光轴对称设置；第一反射单元(200)输出的激光束和第二反射单元(300)输出的激光束形成干涉图像；
S4：激光光纤(15)接收干涉图像并发送给振镜模组(16)，振镜模组(16)一方面接收干涉图像并反射输出，另一方面还对工件(18)的表面进行定位，振镜模组(16)的输出经过场镜(17)投射在工件(18)表面；
所述激光干涉图像的尺寸由空间光调制器(9)的相位调节，激光干涉图像的光强由第二激光反射镜(10)或者第四激光反射镜(13)的角度决定；
所述激光干涉图像的条纹间距由第一飞秒激光束(6)或者第二飞秒激光束(7)的波长以及相对于激光光纤(15)的入射角决定；
激光干涉图像为明暗相间的条纹，其强度分布如公式1所示；
公式1；其中激光干涉图像的强度为I(x，y)；I0、λ和θ为第一飞秒激光束(6)和第二飞秒激光束(7)的光强、波长和在激光光纤(15)上的入射角。
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