CN117655534B - 一种飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法及应用，飞秒激光以单点烧蚀的方式抛光材料，其加工的所有的烧蚀孔的直径一致，所有的烧蚀孔沿着X方向和Y方向依次排列，且所有相邻烧蚀孔的距离相等；烧蚀孔为分步去除，相邻两个烧蚀孔具有设定的加工时间间隔，当进行第二步抛光时，前一步的烧蚀孔已经完全冷却。同时，在X方向同一水平位置的多个烧蚀孔组成一行烧蚀区域，整个抛光区域包括多行烧蚀区域，每行烧蚀区域的加工方式均保持一致。本发明的抛光方法可以对单晶硅、金刚石、碳化硅、硬质合金等用于超精密加工、表面质量要求高的材料进行抛光加工。
Description
技术领域
本发明属于激光抛光领域，具体涉及一种飞秒脉冲激光点烧蚀抛光方法及应用。
背景技术
材料抛光本质就是对不同材料表面凸起的棱角进行去除，从而获得光滑的表面，满足超精密加工的要求。截至目前，人们已经研究出多种方法来对不同材料进行抛光，这些方法主要有：机械抛光法、热-化学抛光法、化学-机械抛光法、等离子体及离子束抛光法、激光抛光法。其中，激光抛光作为一种新型抛光技术，具有诸多其他抛光技术无法比拟的优点，例如无污染、高柔性、高精度、高效率等，主要体现在以下几点:非接触抛光避免了亚表面损伤；抛光精度可达到纳米级甚至亚纳米级；工作过程中不需要任何对环境造成影响的保护介质，个别情况下只需要惰性气体作为保护气体，不会造成环境污染；同时因为超快激光的高峰值功率，决定了激光抛光的高效率。这些情况说明激光抛光在精密元件领域是一种极具发展前景的技术。
激光抛光主要分为热抛光和冷抛光，热抛光主要为激光辐照在材料表面时将能量传递给材料，造成材料局部的熔化或蒸发，以达到降低表面粗糙度的目的。当抛光过程以蒸发为主时，抛光的实质是以去除材料的方法达到抛光目的，此时材料表面温度高于材料沸点。在热抛光过程中，热影响区的增大可能导致材料力学性能的改变，使材料金相结构发生变化，而这一改变可能是有益的也可能是有害的。同时，热抛光处理的面积通常较大，难以实现微小结构或者区域的材料抛光。
冷抛光一般选用飞秒、皮秒激光器，波长短脉宽窄，光子能量很高，峰值功率可达到1012～1015W数量级，极窄的脉宽使得激光几乎不和材料产生热力学效应。与热抛光中材料表面对激光能量的吸收并伴随着线性的温升使材料熔化重凝达到抛光目的不同，冷抛光属于去除材料加工，抛光区域两侧不会受到高温的，这对超硬材料、高分子材料及脆性材料的加工有着重要的意义，但是高重频或超高重频激光会对材料表面产生高强度冲击，可能会产生亚表面损伤等问题。
现有的激光抛光方法中，例如CN202020402263.6，其主要采用纳秒激光进行热抛光；CN202211174965.3、CN202111032946.2，其主要采用高重频飞秒激光对材料进行抛光。上述已有的抛光技术，热累积和高重频冲击可能会对材料亚表面产生损伤，且抛光后的表面粗糙度(0.2μm，CN202211174965.3)仍然较高，无法满足超精密加工的要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供多种飞秒脉冲激光点烧蚀抛光方法及应用。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，飞秒激光以单点烧蚀的方式抛光材料，加工的所有的烧蚀孔的直径一致，所有的烧蚀孔沿着X方向和Y方向依次排列，且所有相邻烧蚀孔的距离相等；烧蚀孔为分步加工，相邻两个烧蚀孔具有设定的加工时间间隔，当进行第二步抛光时，前一步的烧蚀孔已经完全冷却。
作为进一步的技术方案，飞秒激光沿着X、Y方向成行、成列加工，且加工时，a0＜a1，其中a0为前一步与后一步加工沿X方向或Y方向移动的距离，a1为同一步加工中相邻烧蚀孔之间的距离，a1大于单个烧蚀孔的直径。
作为进一步的技术方案，每行烧蚀孔的加工方法是：
步骤1飞秒激光进行第一步加工，第一步加工形成若干烧蚀孔中，相邻烧蚀孔之间的距离a1大于单个烧蚀孔的直径；
步骤2在完成第一步加工后，重新回到起始位置，且从起始点向前移动a0距离，a0＜a1，然后按照步骤1所述的方式进行第二步飞秒激光单点加工，第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有重叠部分；
步骤3步骤2完成后，若相邻烧蚀孔之间依然存在空白区域，则在步骤2的起点位置上再向前移动a0距离，然后按照步骤1所述的方式进行第三步飞秒激光单点加工，直至该行所有区域均覆盖烧蚀孔，且所有相邻的烧蚀孔与烧蚀孔之间具有一定的重叠率。
作为进一步的技术方案，X方向为分步加工，在完成X方向第一步加工后，设置Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔没有空白区域，则只需要在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a0的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a0的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；同理，X方向第一行第二步或其他步的加工，对应的Y方向均采用这种加工方式，直至加工完整个区域。
作为进一步的技术方案，先沿着X方向上加工第一行所有的烧蚀孔，设置Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔没有空白区域，则只需要在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a0的距离，完成该行的加工，之后在Y方向移动a0的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工。
作为进一步的技术方案，X方向为分步加工，在完成X方向第一步加工后，设置Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有空白区域，则需要在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；
然后按照步骤2和步骤3，在X方向第二步烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，完成该行第二步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工，每完成X方向一步加工后，先开展该步对应的Y方向的烧蚀孔的加工，再进行X方向后一步的加工，完成所有行的加工；
然后，填充Y方向的空白区域，X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a0的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；然后与第一行的加工方式一致，完成X、Y方向第二步以及其他步数的加工；若Y方向依然有空白区域，则继续在Y方向第二步烧蚀孔的Y方向移动a0，重复上述步骤，直至完成整个区域的加工。
作为进一步的技术方案，X方向为分步加工，在完成X方向第一步加工后，设置Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有空白区域，则需要在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；之后沿着Y方向第一步烧蚀孔向Y方向移动a0，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；若Y方向依然有空白区域，则继续在Y方向第二步烧蚀孔的Y方向移动a0，重复上述步骤，直至完成X方向第一步烧蚀孔对应的Y方向区域的加工；之后，在X方向第一步烧蚀孔的X方向移动a0，完成该行第二步烧蚀孔的加工，X方向第二步烧蚀孔对应的Y方向烧蚀孔的加工方法与X方向第一步烧蚀孔对应的Y方向烧蚀孔的加工方法一致，采用该方法完成X方向第二步烧蚀孔对应的Y方向区域的加工；之后，若依然存在空白区域，在X方向第二步烧蚀孔的X方向继续移动a0，完成X方向第三步的加工或者继续移动a0完成更多步数的加工，并且完成X方向烧蚀孔对应的Y方向烧蚀孔的加工，加工方法与前述步数的加工方法一致，且完成X方向烧蚀孔的加工后，先进行对应的Y方向的烧蚀孔的加工，再进行X方向不同步数烧蚀孔的加工，直至完成整个区域的加工。
作为进一步的技术方案，X方向为分步加工，在完成X方向第一步加工后，设置Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有空白区域，沿着X方向上加工第一行所有的烧蚀孔，然后沿着Y方向移动a1的距离，沿着X方向上加工第二行所有的烧蚀孔，依次类推；然后再在回到起始点，在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a0的距离，再沿着X方向上加工该行所有的烧蚀孔，依次类推直到完成整个区域的加工。
第二方面，本发明还提供了一种利用所述的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法对光滑、无织构和无凹坑材料表面进行抛光时，所使用的激光功率为1-15mW，扫描速度≥1000μm/s，-5μm≦离焦量≦+5μm，X、Y方向相邻烧蚀孔的间距a0≥0.125μm。
第三方面，本发明还提供了一种所述的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法对织构表面和凹坑、毛刺表面进行抛光修复时，其特征在于采用10-15mW的激光功率，2000μm/s以上的扫描速度和0.5μm以上的间距a0进行激光分步点烧蚀抛光。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
飞秒激光虽然为冷抛光，但是其加工过程中仍具有一定的热效应，对于高重频激光或者低重频激光线烧蚀抛光材料时，前一个脉冲(烧蚀孔)和后一个脉冲(烧蚀孔)直接叠加在一起，容易引起热量的累积，无法获得高表面质量。本发明提出的飞秒激光脉冲分步点烧蚀的方法，相邻两个烧蚀孔具有一定的加工时间间隔，烧蚀孔会有冷却时间，当进行第二步抛光时，前一步的烧蚀孔已经完全冷却，因此该方法可以进一步减少抛光过程中的热影响，获得更高的表面质量。
同时，对于高重频飞秒激光线扫描抛光方法，其前一个烧蚀孔和后一个烧蚀孔直接叠加在一起，前一个烧蚀孔产生的等离子体激元、杂质等会对后绪激光产生影响，容易产生阵列结构、破损等现象，降低表面质量。本方法中的材料去除方式为单孔去除，与线扫描方式去除材料不同的是，前一个烧蚀孔和后一个烧蚀孔之间有空隙，因此前一个烧蚀孔产生的等离子体激元和杂质等不会对后续激光加工产生影响。同时，由于本发明中烧蚀孔的宽度和深度均为纳米量级，抛光过程中材料为微量去除，与微米量级的线扫描抛光去除方式相比，本发明更容易获得高质量、纳米级光滑表面。
与热抛光和高重频激光抛光方法相比，该方法抛光尺寸可以为微米量级，可以实现微型器件以及普通器件的微区和选区抛光，不影响其他正常区域，灵活性好，可选择性强。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光(Y方向不分步去除)；
图2飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光(Y方向分步去除)；
图3单个(点)激光烧蚀孔形貌；
图4光滑表面抛光；
图5材料表面微织构；
图6织构表面抛光；
图7飞秒激光抛光示意图；
图中：1：Y方向烧蚀孔，2：Y方向烧蚀孔与烧蚀孔的重叠部分，3：单个烧蚀孔，4：X方向第一步烧蚀孔，5：X方向第二步烧蚀孔，6：X方向第三步烧蚀孔，7：X方向烧蚀孔与烧蚀孔的重叠部分，8：Y方向第二步烧蚀孔。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
本发明的一种典型的实施方式中，采用飞秒激光抛光材料，属于冷抛光，与连续激光和高重频激光不同，本实施例的飞秒激光为低重频(1KHz)脉冲激光，即在一定的激光功率下，1秒钟会产生1000个脉冲，对应于材料表面1000个具有一定深度和宽度的烧蚀孔。当采用该激光以线扫描的方式进行加工时，激光打出的烧蚀孔进行不断叠加，即出现连续的直线沟槽结构，重叠率由激光的扫描速度决定。当扫描速度为1000μm/s时，加工一条1000μm的直线，该直线上由1000个烧蚀孔组成，每个烧蚀孔的间隔为1μm。在一定的功率下，当烧蚀孔的直径小于1μm时，烧蚀孔和烧蚀孔之间会出现空白(未加工)区域，光斑的重叠率为0。在此空白区域上继续采用飞秒激光加工，保持烧蚀孔的直径一致，且与上一步加工的烧蚀孔重叠。若烧蚀孔与烧蚀孔之间仍存在空白区域，则重复第二步的加工，继续进行第三步或者更多步数的加工，每一步的激光加工参数相同，烧蚀孔直径相同，直至所有空白区域均加工有单个烧蚀孔，且烧蚀孔与烧蚀孔之间具有一定的重叠率。飞秒脉冲激光采用分步点烧蚀的方法对材料进行加工，材料表面出现由点烧蚀(单个烧蚀孔)连接而成的面烧蚀区域，从而实现该区域材料的微量去除，进而完成材料的高质量抛光加工。
实施例1
本实施例提出一种飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，飞秒激光首先在X方向进行加工，通过调整激光加工参数，完成在X方向上的第一步加工，在完成X方向的第一步加工后，X方向第一步烧蚀孔之间的距离a1大于单个烧蚀孔的直径，X方向第一步烧蚀孔之间出现空白区域。沿着X方向移动a0距离(a0＜a1)，进行第二步飞秒激光单点加工，X方向第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有重叠部分。若依然存在空白区域，继续进行X方向第三步或者更多步数的加工，直至所有区域均覆盖烧蚀孔，且烧蚀孔与烧蚀孔之间具有一定的重叠率。
在上述X方向上，每一步加工均有多个烧蚀孔，每一步的烧蚀孔之间的距离相等，每个相邻烧蚀孔距离相等；以本实施例的图1的最下面一行为例，第一步先加工一行细虚线的烧蚀孔，第二步加工一行粗虚线的烧蚀孔，第三步加工一行实线的烧蚀孔。在X方向同一水平位置的多个烧蚀孔组成一行烧蚀区域，整个抛光区域包括多行烧蚀区域，每行烧蚀区域的加工方式均保持一致。
X方向为分步加工完成后，在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a0的距离(Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔没有空白区域)，完成该行烧蚀孔的加工，之后再在Y方向移动a0的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工。
即本实施的方法是先沿着X方向上加工第一行烧蚀孔，然后沿着Y方向移动a0的距离后，沿着X方向上再加工第二行烧蚀孔，a0＜a1；a1为相邻烧蚀孔之间的距离a1，且a1大于单个烧蚀孔的直径。
具体步骤如下：
步骤1飞秒激光在X方向进行第一步加工，第一步加工形成若干半径相等且沿着X方向依次排列的烧蚀孔，相邻烧蚀孔之间的距离a1大于单个烧蚀孔的直径；
步骤2在完成X方向的第一步加工后，重新回到X方向的起始位置，且沿着X方向从起始点向前移动a0距离，a0＜a1，然后在X方向按照步骤1所述的方式进行第二步飞秒激光单点加工，X方向第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有重叠部分；
步骤3若加工完第二步骤后，X方向上相邻烧蚀孔之间依然存在空白区域，则在步骤2的起点位置上沿着X方向再向前移动a0距离，然后在X方向按照步骤1所述的方式进行第二步飞秒激光单点加工，直至X方向的所有区域均覆盖烧蚀孔，且所有相邻的烧蚀孔与烧蚀孔之间具有一定的重叠率；
步骤4在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a0的距离，然后按照步骤1-步骤3的方法再次完成第二行X方向上的加工，加工完成后，再在Y方向移动a0的距离，然后按照步骤1-步骤3的方法再次完成X方向上第三行的加工，依次类推，直到完成整个区域的加工。
实施例2
本实施例还提供了另外一种加工方法，该方法是：先沿着Y方向上加工第一行烧蚀孔，然后沿着X方向移动a0的距离，沿着Y方向上加工第二行烧蚀孔，a0＜a1；a1为相邻烧蚀孔之间的距离a1，且a1大于单个烧蚀孔的直径。即与实施例1的区别仅仅在于先加工Y方向，再加工X方向。
实施例3
本实施例还提供了另外一种加工方法，该方法是：在完成X方向的第一步加工后，然后在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，在Y方向上完成第一步加工，然后再在X方向进行第二步加工；然后在Y方向上完成第二步加工；即X方向和Y方向交替加工；依次类推，直到完成整个区域的加工。
实施例4
本实施例还提供了另外一种加工方法，该方法是：在完成Y方向的第一步加工后，然后在Y方向烧蚀孔对应的X方向移动a1的距离，在X方向上完成第一步加工，然后再在Y方向进行所述的第二步加工；然后在X方向上完成第二步加工；依次类推，直到完成整个区域的加工。与实施例3的方法基本相同，不同点在于，先加工X方向，再加工Y方向。
实施例5
本实施例还提供了另外一种加工方法，该方法是：先沿着X方向上加工第一行所有的烧蚀孔，然后沿着Y方向移动a1的距离(Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有空白区域)，然后沿着X方向上加工第二行所有的烧蚀孔，依次类推；然后再在回到起始点，在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a0的距离，再沿着X方向上加工该行所有的烧蚀孔，若还有空白区域，则再次回到上次起点位置，再移动a0的距离，再沿着X方向上加工该行所有的烧蚀孔，依次类推直到完成整个区域的加工。
实施例6
本实施例还提供了另外一种加工方法，该方法是：先沿着Y方向上加工第一行所有的烧蚀孔，然后沿着X方向移动a1的距离(X方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有空白区域)，然后沿着Y方向上加工第二行所有的烧蚀孔，依次类推，加工第三行、第四行等所有的烧蚀孔；然后再在回到起始点，在Y方向烧蚀孔对应的X方向移动a0的距离，再沿着Y方向上加工该行所有的烧蚀孔，若还有空白区域，则再次回到上次起点位置，再移动a0的距离，再沿着Y方向上加工该行所有的烧蚀孔；依次类推，直到完成整个区域的加工。
实施例7
本实施例公开的方法是：X方向为分步加工，在完成X方向第一步加工后，设置Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有空白区域，则需要在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；
然后按照步骤2和步骤3，在X方向第二步烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，完成该行第二步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工，每完成X方向一步加工后，先开展该步对应的Y方向的烧蚀孔的加工，再进行X方向后一步的加工，完成所有行的加工；
然后，填充Y方向的空白区域，X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a0的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；然后与第一行的加工方式一致，完成X、Y方向第二步以及其他步数的加工；若Y方向依然有空白区域，则继续在Y方向第二步烧蚀孔的Y方向移动a0，重复上述步骤，直至完成整个区域的加工。
实施例8
本实施例公开的方法是：X方向为分步加工，在完成X方向第一步加工后，设置Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有空白区域，则需要在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；之后沿着Y方向第一步烧蚀孔向Y方向移动a0，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；若Y方向依然有空白区域，则继续在Y方向第二步烧蚀孔的Y方向移动a0，重复上述步骤，直至完成X方向第一步烧蚀孔对应的Y方向区域的加工；之后，在X方向第一步烧蚀孔的X方向移动a0，完成该行第二步烧蚀孔的加工，X方向第二步烧蚀孔对应的Y方向烧蚀孔的加工方法与X方向第一步烧蚀孔对应的Y方向烧蚀孔的加工方法一致，采用该方法完成X方向第二步烧蚀孔对应的Y方向区域的加工；之后，若依然存在空白区域，在X方向第二步烧蚀孔的X方向继续移动a0，完成X方向第三步的加工或者继续移动a0完成更多步数的加工，并且完成X方向烧蚀孔对应的Y方向烧蚀孔的加工，加工方法与前述步数的加工方法一致，且完成X方向烧蚀孔的加工后，先进行对应的Y方向的烧蚀孔的加工，再进行X方向不同步数烧蚀孔的加工，直至完成整个区域的加工。
需要进一步说明的是：上述仅仅是加工顺序不同，可以先完成X方向不同步数的加工再进行Y方向步数的加工，也可以先完成Y方向不同步数的加工再进行X方向步数的加工，或者X、Y方向可以交叉进行不同步数的加工等等，具体的加工顺序不限于上述实施例公开的顺序；但是上述不同加工方式获得的材料表面均出现由一定重叠率的烧蚀孔连成的烧蚀面(抛光面)，进而实现材料的微量去除和高质量抛光。
上述多个实施例提出的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，可以对光滑、无织构和无凹坑等缺陷的材料表面进行抛光，所使用的激光功率为1-15mW，扫描速度≥1000μm/s，-5μm≦离焦量≦+5μm，X、Y方向相邻烧蚀孔的间距a0≥0.125μm，烧蚀孔的形貌如图3所示。使用此方法可以获得10nm以下的表面粗糙度(Ra),如图4所示。
上述多个实施例提出的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，可以对织构表面和凹坑、毛刺等缺陷表面进行抛光修复。对于带有沟槽织构的材料表面，如图5所示，需要先采用10-15mW的激光功率，2000μm/s以上的扫描速度和0.5μm以上的间距a0进行激光分步点烧蚀抛光。待表面粗糙度Ra降到0.3μm以下，采用2-5mW的激光功率，1000-2000μm/s的扫描速度和0.25-0.5μm的间距a0继续进行激光分步点烧蚀抛光，可以获得10nm以下的表面粗糙度(Ra),如图6所示。
上述多个实施例提出的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，飞秒激光脉宽为35fs，波长为800nm，在抛光过程中，激光经物镜聚焦后垂直作用在材料表面，如图7所示。
本发明的抛光方法可以对单晶硅、金刚石、碳化硅、硬质合金等用于超精密加工、表面质量要求高的材料进行抛光加工。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (12)
1.一种飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，其特征在于：对光滑、无织构和无凹坑材料表面进行抛光时，飞秒激光以单点烧蚀的方式抛光材料，加工的所有的烧蚀孔的直径一致，所有的烧蚀孔沿着X方向和Y方向依次排列，且所有相邻烧蚀孔的距离相等；烧蚀孔为分步加工，相邻两个烧蚀孔具有设定的加工时间间隔，当进行第二步抛光时，前一步的烧蚀孔已经完全冷却；飞秒激光沿着X、Y方向成行、成列加工，且加工时，a0 ＜a1，其中a0为前一步与后一步加工沿X方向或Y方向移动的距离，a1为同一步加工中相邻烧蚀孔之间的距离，a1大于单个烧蚀孔的直径；每行烧蚀孔的加工方法是：
步骤1：飞秒激光进行第一步加工，第一步加工形成若干烧蚀孔中，相邻烧蚀孔之间的距离a1大于单个烧蚀孔的直径；
步骤2：在完成第一步加工后，重新回到起始位置，且从起始点向前移动a0距离，a0 ＜a1，然后按照步骤1所述的方式进行第二步飞秒激光单点加工，第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有重叠部分；
步骤3：步骤2完成后，若相邻烧蚀孔之间依然存在空白区域，则在步骤2的起点位置上再向前移动a0距离，然后按照步骤1所述的方式进行第三步飞秒激光单点加工，直至该行所有区域均覆盖烧蚀孔，且所有相邻的烧蚀孔与烧蚀孔之间具有一定的重叠率；
X方向为分步加工，在完成X方向第一步加工后，设置Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有空白区域，则需要在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；
然后按照步骤2和步骤3，在X方向第二步烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，完成该行第二步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工，每完成X方向一步加工后，先开展该步对应的Y方向的烧蚀孔的加工，再进行X方向后一步的加工，完成所有行的加工；
然后，填充Y方向的空白区域，X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a0的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；然后与第一行的加工方式一致，完成X、Y方向第二步以及其他步数的加工；若Y方向依然有空白区域，则继续在Y方向第二步烧蚀孔的Y方向移动a0，重复上述步骤，直至完成整个区域的加工；
所使用的激光功率为1-15mW，扫描速度≥1000μm/s，-5μm≦离焦量≦+5μm，X、Y方向相邻烧蚀孔的间距a0≥0.125μm。
2.如权利要求1所述的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，其特征在于：通过该方法能得到10nm以下的表面粗糙度。
3.如权利要求1所述的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，其特征在于：该抛光方法可用于超精密加工、表面质量要求高的材料进行抛光加工，材料包括单晶硅、金刚石、碳化硅、硬质合金。
4.一种飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，其特征在于：用于对织构表面和凹坑、毛刺表面进行抛光修复，飞秒激光以单点烧蚀的方式抛光材料，加工的所有的烧蚀孔的直径一致，所有的烧蚀孔沿着X方向和Y方向依次排列，且所有相邻烧蚀孔的距离相等；烧蚀孔为分步加工，相邻两个烧蚀孔具有设定的加工时间间隔，当进行第二步抛光时，前一步的烧蚀孔已经完全冷却；飞秒激光沿着X、Y方向成行、成列加工，且加工时，a0 ＜a1，其中a0为前一步与后一步加工沿X方向或Y方向移动的距离，a1为同一步加工中相邻烧蚀孔之间的距离，a1大于单个烧蚀孔的直径；每行烧蚀孔的加工方法是：
步骤1：飞秒激光进行第一步加工，第一步加工形成若干烧蚀孔中，相邻烧蚀孔之间的距离a1大于单个烧蚀孔的直径；
步骤2：在完成第一步加工后，重新回到起始位置，且从起始点向前移动a0距离，a0 ＜a1，然后按照步骤1所述的方式进行第二步飞秒激光单点加工，第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有重叠部分；
步骤3：步骤2完成后，若相邻烧蚀孔之间依然存在空白区域，则在步骤2的起点位置上再向前移动a0距离，然后按照步骤1所述的方式进行第三步飞秒激光单点加工，直至该行所有区域均覆盖烧蚀孔，且所有相邻的烧蚀孔与烧蚀孔之间具有一定的重叠率；
X方向为分步加工，在完成X方向第一步加工后，设置Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有空白区域，则需要在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；
然后按照步骤2和步骤3，在X方向第二步烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，完成该行第二步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工，每完成X方向一步加工后，先开展该步对应的Y方向的烧蚀孔的加工，再进行X方向后一步的加工，完成所有行的加工；
然后，填充Y方向的空白区域，X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a0的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；然后与第一行的加工方式一致，完成X、Y方向第二步以及其他步数的加工；若Y方向依然有空白区域，则继续在Y方向第二步烧蚀孔的Y方向移动a0，重复上述步骤，直至完成整个区域的加工；
需要先采用10-15 mW的激光功率，2000μm/s以上的扫描速度和0.5μm以上的间距a0进行激光分步点烧蚀抛光；待表面粗糙度Ra降到0.3μm以下，采用2-5 mW的激光功率，1000-2000μm/s的扫描速度和0.25-0.5μm的间距a0继续进行激光分步点烧蚀抛光。
5.如权利要求4所述的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，其特征在于：通过该方法能得到10nm以下的表面粗糙度。
6.如权利要求4所述的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，其特征在于：该抛光方法可用于超精密加工、表面质量要求高的材料进行抛光加工，材料包括单晶硅、金刚石、碳化硅、硬质合金。
7.一种飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，其特征在于：对光滑、无织构和无凹坑材料表面进行抛光时，飞秒激光以单点烧蚀的方式抛光材料，加工的所有的烧蚀孔的直径一致，所有的烧蚀孔沿着X方向和Y方向依次排列，且所有相邻烧蚀孔的距离相等；烧蚀孔为分步加工，相邻两个烧蚀孔具有设定的加工时间间隔，当进行第二步抛光时，前一步的烧蚀孔已经完全冷却；飞秒激光沿着X、Y方向成行、成列加工，且加工时，a0 ＜a1，其中a0为前一步与后一步加工沿X方向或Y方向移动的距离，a1为同一步加工中相邻烧蚀孔之间的距离，a1大于单个烧蚀孔的直径；每行烧蚀孔的加工方法是：
步骤1：飞秒激光进行第一步加工，第一步加工形成若干烧蚀孔中，相邻烧蚀孔之间的距离a1大于单个烧蚀孔的直径；
步骤2：在完成第一步加工后，重新回到起始位置，且从起始点向前移动a0距离，a0 ＜a1，然后按照步骤1所述的方式进行第二步飞秒激光单点加工，第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有重叠部分；
步骤3：步骤2完成后，若相邻烧蚀孔之间依然存在空白区域，则在步骤2的起点位置上再向前移动a0距离，然后按照步骤1所述的方式进行第三步飞秒激光单点加工，直至该行所有区域均覆盖烧蚀孔，且所有相邻的烧蚀孔与烧蚀孔之间具有一定的重叠率；
X方向为分步加工，在完成X方向第一步加工后，设置Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有空白区域，则需要在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；之后沿着Y方向第一步烧蚀孔向Y方向移动a0，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；若Y方向依然有空白区域，则继续在Y方向第二步烧蚀孔的Y方向移动a0，重复上述步骤，直至完成X方向第一步烧蚀孔对应的Y方向区域的加工；之后，在X方向第一步烧蚀孔的X方向移动a0，完成该行第二步烧蚀孔的加工，X方向第二步烧蚀孔对应的Y方向烧蚀孔的加工方法与X方向第一步烧蚀孔对应的Y方向烧蚀孔的加工方法一致，采用该方法完成X方向第二步烧蚀孔对应的Y方向区域的加工；之后，若依然存在空白区域，在X方向第二步烧蚀孔的X方向继续移动a0，完成X方向第三步的加工或者继续移动a0完成更多步数的加工，并且完成X方向烧蚀孔对应的Y方向烧蚀孔的加工，加工方法与前述步数的加工方法一致，且完成X方向烧蚀孔的加工后，先进行对应的Y方向的烧蚀孔的加工，再进行X方向不同步数烧蚀孔的加工，直至完成整个区域的加工；
所使用的激光功率为1-15mW，扫描速度≥1000μm/s，-5μm≦离焦量≦+5μm，X、Y方向相邻烧蚀孔的间距a0≥0.125μm。
8.如权利要求7所述的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，其特征在于：通过该方法能得到10nm以下的表面粗糙度。
9.如权利要求7所述的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，其特征在于：该抛光方法可用于超精密加工、表面质量要求高的材料进行抛光加工，材料包括单晶硅、金刚石、碳化硅、硬质合金。
10.一种飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，其特征在于：用于对织构表面和凹坑、毛刺表面进行抛光修复时，飞秒激光以单点烧蚀的方式抛光材料，加工的所有的烧蚀孔的直径一致，所有的烧蚀孔沿着X方向和Y方向依次排列，且所有相邻烧蚀孔的距离相等；烧蚀孔为分步加工，相邻两个烧蚀孔具有设定的加工时间间隔，当进行第二步抛光时，前一步的烧蚀孔已经完全冷却；飞秒激光沿着X、Y方向成行、成列加工，且加工时，a0 ＜a1，其中a0为前一步与后一步加工沿X方向或Y方向移动的距离，a1为同一步加工中相邻烧蚀孔之间的距离，a1大于单个烧蚀孔的直径；每行烧蚀孔的加工方法是：
步骤1：飞秒激光进行第一步加工，第一步加工形成若干烧蚀孔中，相邻烧蚀孔之间的距离a1大于单个烧蚀孔的直径；
步骤2：在完成第一步加工后，重新回到起始位置，且从起始点向前移动a0距离，a0 ＜a1，然后按照步骤1所述的方式进行第二步飞秒激光单点加工，第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有重叠部分；
步骤3：步骤2完成后，若相邻烧蚀孔之间依然存在空白区域，则在步骤2的起点位置上再向前移动a0距离，然后按照步骤1所述的方式进行第三步飞秒激光单点加工，直至该行所有区域均覆盖烧蚀孔，且所有相邻的烧蚀孔与烧蚀孔之间具有一定的重叠率；
X方向为分步加工，在完成X方向第一步加工后，设置Y方向的第二步烧蚀孔与第一步烧蚀孔有空白区域，则需要在X方向烧蚀孔对应的Y方向移动a1的距离，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；之后沿着Y方向第一步烧蚀孔向Y方向移动a0，完成该行第一步烧蚀孔的加工，之后在Y方向移动a1的距离继续加工，重复该步骤直至完成Y方向一定距离的加工；若Y方向依然有空白区域，则继续在Y方向第二步烧蚀孔的Y方向移动a0，重复上述步骤，直至完成X方向第一步烧蚀孔对应的Y方向区域的加工；之后，在X方向第一步烧蚀孔的X方向移动a0，完成该行第二步烧蚀孔的加工，X方向第二步烧蚀孔对应的Y方向烧蚀孔的加工方法与X方向第一步烧蚀孔对应的Y方向烧蚀孔的加工方法一致，采用该方法完成X方向第二步烧蚀孔对应的Y方向区域的加工；之后，若依然存在空白区域，在X方向第二步烧蚀孔的X方向继续移动a0，完成X方向第三步的加工或者继续移动a0完成更多步数的加工，并且完成X方向烧蚀孔对应的Y方向烧蚀孔的加工，加工方法与前述步数的加工方法一致，且完成X方向烧蚀孔的加工后，先进行对应的Y方向的烧蚀孔的加工，再进行X方向不同步数烧蚀孔的加工，直至完成整个区域的加工；
需要先采用10-15 mW的激光功率，2000μm/s以上的扫描速度和0.5μm以上的间距a0进行激光分步点烧蚀抛光；待表面粗糙度Ra降到0.3μm以下，采用2-5 mW的激光功率，1000-2000μm/s的扫描速度和0.25-0.5μm的间距a0继续进行激光分步点烧蚀抛光。
11.如权利要求10所述的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，其特征在于：通过该方法能得到10nm以下的表面粗糙度。
12.如权利要求10所述的飞秒脉冲激光分步点烧蚀抛光方法，其特征在于：该抛光方法可用于超精密加工、表面质量要求高的材料进行抛光加工，材料包括单晶硅、金刚石、碳化硅、硬质合金。
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- 2023-12-26 CN CN202311816724.9A patent/CN117655534B/zh active Active
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| 基于双向光斑重叠率调控的耦合激光抛光碳化硅陶瓷的表面质量研究;马桂英等;中国激光;20230831;第50卷(第16期);1602209-1~1602209-12 * |
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