CN117655535A - 一种基于激光光束时空调制的高效抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，并提供一种基于激光光束时空调制的高效抛光方法，包括：控制飞秒激光器输出飞秒激光；调整飞秒激光光路整形系统、飞秒激光偏振调整系统，使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜中心；调整光路调整镜组中的空间角度，使得飞秒激光聚焦到工件的表面；观察示波器上显示的双激光脉冲延时序列与设定是否相同；若示波器上显示双激光脉冲延时序列与设定相同，则移动工作台面使得工件位于加工位置；若不相同，则断开脉冲序列调制器与飞秒激光器的连接，重置延时光反射镜位移台与参考光之间的距离；本发明通过时空调制的方法，得到了具有矩形光斑的双脉冲延时激光，从而实现对加工深度的精准控制。

Description

一种基于激光光束时空调制的高效抛光方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体而言，涉及一种基于激光光束时空调制的高效抛光方法。

背景技术

现阶段，激光加工技术已经广泛应用于航空航天、半导体、微电子、仪器仪表等领域。

在制造业领域，抛光工艺是改善工件表面粗糙度极为重要的表面修饰工序。飞秒抛光得益于脉冲极短的时间尺度和高峰值功率，可实现对材料的精细加工，同时避免了传统机械抛光可能引起的机械应力和变形，对于脆性材料和精密器件的加工更加有利，此外，飞秒激光抛光在表面不引入化学污染，抛光过程无废料产生，因此是一种绿色的抛光方法。但由于飞秒激光较低的单脉冲能量，很难实现高效率的加工。此外，飞秒激光还会受到高斯型光场分布的限制，无法实现高效扫描抛光。

发明内容

本发明解决的问题是如何实现对工件的高效扫描抛光。

为解决上述问题，本发明提供一种基于激光光束时空调制的高效抛光方法，应用于基于激光光束时空调制的高效抛光系统，其包括脉冲序列调制器、飞秒激光器、激光光束整形部件、光学偏振元件、激光分束装置、延时光反射镜位移台、矩形光阑元件、高速光电探测器、示波器、聚焦观测系统、白光光源、移动工作台、光路空间位置调整部件；包括如下步骤：

控制飞秒激光器输出飞秒激光；调整飞秒激光光路整形系统、飞秒激光偏振调整系统，使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜中心；调整光路调整镜组中的空间角度，使得飞秒激光聚焦到工件的表面；

控制飞秒激光器启动，观察示波器上显示的双激光脉冲延时序列与设定是否相同；

若示波器上显示双激光脉冲延时序列与设定相同，则移动工作台面使得工件位于加工位置；若不相同，则断开脉冲序列调制器与飞秒激光器的连接，重置延时光反射镜位移台与参考光之间的距离。

可选地，光路调整镜组包括可见光透射激光反射镜和非偏振白光分束镜；

所述调整飞秒激光光路整形系统、飞秒激光偏振调整系统，使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜中心之后，还包括：

借助聚焦观测系统的观测，调整光路调整镜组中的可见光透射激光反射镜的空间角度。

可选地，所述控制飞秒激光器启动之前，还包括：

将脉冲序列调制器接入飞秒激光器和示波器，打开脉冲序列调制器、高速光电探测器和示波器，设定飞秒激光器输出频率以及一定的飞秒激光脉冲延时，控制延时光反射镜位移台移动。

可选地，所述若示波器上显示双激光脉冲延时序列与设定相同之后，还包括：

先控制飞秒激光器停止出光，再移动工作台面使得工件位于加工位置。

可选地，所述移动工作台面使得工件位于加工位置之后，还包括：

调整脉冲序列调制器，控制输出合适的飞秒激光脉冲序列，打开光学快门，控制飞秒激光器输出适当的激光功率，对工件进行双激光脉冲延时抛光加工。

可选地，所述重置延时光反射镜位移台与参考光之间的距离之后，还包括：

再次打开脉冲序列调制器、高速光电探测器和示波器，设定飞秒激光器输出频率以及一定的飞秒激光脉冲延时，控制延时光反射镜位移台移动。

可选地，所述使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜中心之前，还包括：

飞秒激光偏振调整系统将飞秒激光的偏振状态转变为适合进入偏振合光镜的状态；激光分束装置再将所述激光光束分束为参考光和延时光。

可选地，所述激光分束装置再将所述激光光束分束为参考光和延时光之后，还包括：

两个不同位置的反射镜组，用于调整所述延时光的光路，使其空间位置调整为适合进入偏振合光镜的位置。

可选地，所述使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜中心之后，还包括：

通过矩形光阑元件限制光线传播的光学元件，可以使光斑的形状变成矩形。

可选地，在移动工作台面使得工件位于加工位置之前，还包括：

白光光源发出的白光经由非偏振白光分束镜和可见光透射激光反射镜，与飞秒激光脉冲同轴入射并照亮工件的表面，部分白光会被工件表面反射，经由反射式物镜、可见光透射激光反射镜以及非偏振白光分束镜，进入聚焦观测系统，并通过聚焦观测系统实时观察两束激光脉冲是否聚焦到工件表面。

与现有技术相比，本发明基于飞秒激光极短的脉冲持续时间和极高的峰值功率密度等优势，通过时空调制的方法，得到了具有矩形光斑的双脉冲延时激光，克服了飞秒激光加工效率低的缺点，针对不同材料的不同物理性质，通过调节双脉冲延时激光的时序和延时，能够更精准的控制激光的照射时间和能量分布，从而实现对加工深度的精准控制。最终实现对工件的高效率高质量加工。

附图说明

图1为本发明实施例基于激光光束时空调制的高效抛光方法的流程图；

图2为本发明实施例基于激光光束时空调制的高效抛光系统的结构图一；

图3为本发明实施例基于激光光束时空调制的高效抛光系统的结构图二。

附图标记说明：

1-脉冲序列调制器；2-飞秒激光器；3-整体电源；4-飞秒激光光路整形系统；401-飞秒激光扩束镜；402-二维精密调整架；5-飞秒激光偏振调整系统；501-飞秒激光半波片；502-飞秒激光偏振分光片；6-激光分束装置；7-第一反射镜组；8-第二反射镜组；9-偏振合光镜；10-矩形光阑元件；11-光路调整镜组；1101-可见光透射激光反射镜；1102-非偏振白光分束镜；12-光学快门；13-反射式物镜；14-移动工作台；1401-工件；1402-工作台面；15-高速光电探测器；16-示波器；17-白光光源；18-聚焦观测系统；1801-衰减片；1802-滤光片；1803-CCD相机；1804-光学镜头；19-延时光反射镜位移台。

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。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。

为解决上述技术问题，结合图1所示，本发明实施例提供一种基于激光光束时空调制的高效抛光方法，应用于基于激光光束时空调制的高效抛光系统，其包括脉冲序列调制器1、飞秒激光器2、激光光束整形部件、光学偏振元件、激光分束装置6、延时光反射镜位移台19、矩形光阑元件10、高速光电探测器15、示波器16、聚焦观测系统18、白光光源17、移动工作台14、光路空间位置调整部件；基于激光光束时空调制的高效抛光方法包括如下步骤：

S2、控制飞秒激光器2输出飞秒激光；调整飞秒激光光路整形系统4、飞秒激光偏振调整系统5，使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜9中心；调整光路调整镜组11中的空间角度，使得飞秒激光聚焦到工件1401的表面；

S3、控制飞秒激光器2启动，观察示波器16上显示的双激光脉冲延时序列与设定是否相同；

S4、若示波器16上显示双激光脉冲延时序列与设定相同，则移动工作台14面使得工件1401位于加工位置；若不相同，则断开脉冲序列调制器1与飞秒激光器2的连接，重置延时光反射镜位移台19与参考光之间的距离。

需要说明的是，应用于基于激光光束时空调制的高效抛光系统还包括整体电源3，在步骤2之前，还包括步骤S1，打开整体电源3、光学快门12和聚焦观测系统18。

所述光学快门12，是用于通过或阻断激光脉冲，防止在调试激光脉冲延迟的过程中有激光经由反射式物镜13到达工件1401表面，从而对其产生不必要的烧蚀；

脉冲序列调制器1，可以调整飞秒激光脉冲的频率和激发延迟时间，调整激光的激发。飞秒激光器2，用于输出飞秒激光，其输出中心波长1030nm，脉冲宽度为255fs，脉冲频率调节范围为1kHz～1.1MHz，峰值平均功率15W，为光束输出；对应的飞秒激光光路整形系统4包含飞秒激光扩束镜401和二维精密调整架402。飞秒激光扩束镜401可以将飞秒激光器2发出的飞秒激光脉冲光束扩束。

在上述步骤S3中，通过观察示波器16上显示的双激光脉冲延时序列与设定是否相同，从而用于判断双激光脉冲延时序列是否匹配对应的工件1401的激光抛光作业，若不匹配，则需要重新调整飞秒激光的相关参数。

在步骤S4中，若移动工作台14面使得工件1401位于加工位置，则说明当前的双激光脉冲延时序列与工件1401的抛光作业参数相匹配，具备抛光作业的重要条件；在此时可以打开光学快门12，以控制飞秒激光器2输出适当的激光功率，对工件1401进行双激光脉冲延时抛光加工。

若示波器16上显示双激光脉冲延时序列与设定不相同，则需要重置延时光反射镜位移台19与参考光之间的距离，直到示波器16上显示的双激光脉冲延时序列与设定相同，放可对工件1401进行相关的激光抛光作业。

本发明采用经过时空调制的激光进行抛光加工，能够实现对两个脉冲的时序和延时进行调控，在抛光过程中提供更多的控制选项，从而实现更高效、更精确、更高质量的激光抛光加工。

激光光束整形部件用于将不同激光器输出的激光光束进行空间整形。针对光束输出的飞秒激光，主要包含飞秒激光扩束镜和二维精密调整架。

光学偏振元件，主要包含半波片与偏振分光片，用于调整纳秒激光脉冲和飞秒激光脉冲的偏振状态，使得二者在合光时的能量损失降到最低。

延时光反射镜位移台，通过改变延时光至合光镜之间的距离，调整预设延时；聚焦观测系统主要包含衰减片、滤光片、CCD和光学镜头，用于实时观测激光的聚焦状态；白光光源用于提供加工区域的照明，便于聚焦观测系统的观测；工作台用于放置并移动工件，工作行程可为5cm*5cm，重复定位精度500nm；光路空间位置调整部件，用于将整形后的飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲的空间位置进行合理调整，使得二者均能够垂直入射到聚焦镜中心。

在本发明的一个实施例中，光路调整镜组11包括可见光透射激光反射镜1101和非偏振白光分束镜1102；

所述调整飞秒激光光路整形系统4、飞秒激光偏振调整系统5，使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜9中心之后，还包括：

借助聚焦观测系统18的观测，调整光路调整镜组11中的可见光透射激光反射镜1101的空间角度。

需要说明的是，通过借助聚焦观测系统18的观测，可以通过调整光路调整镜组11中的可见光透射激光反射镜1101的空间角度，以使得飞秒激光能够更加准确地垂直到反射式物镜13以及聚焦到工件1401表面，且可以实时观察两束激光脉冲是否聚焦到工件1401表面。

在本发明的一个实施例中，所述控制飞秒激光器2启动之前，还包括：

将脉冲序列调制器1接入飞秒激光器2和示波器16，打开脉冲序列调制器1、高速光电探测器15和示波器16，设定飞秒激光器2输出频率以及一定的飞秒激光脉冲延时，控制延时光反射镜位移台19移动。

需要说明的是，结合图2和图3所示，基于激光光束时空调制的高效抛光系统包括激光脉冲序列调制器1、飞秒激光器2、激光光束整形部件、光学偏振元件、激光分束装置6、延时光反射镜位移台19、矩形光阑元件10、高速光电探测器15、示波器16、聚焦观测系统18、白光光源17、移动工作台14、光路空间位置调整部件，且按照飞秒激光器2输出的飞秒激光的方向间隔排列；所述的脉冲序列调制器1，可以调整飞秒激光脉冲的频率和激发延迟时间，调整激光的激发。

所述飞秒激光器2，可采用光束输出。对应的飞秒激光光路整形系统4包含飞秒激光扩束镜401和二维精密调整架402。飞秒激光扩束镜401可以将飞秒激光器2发出的飞秒激光脉冲光束扩束。二维精密调整架402可以调整飞秒激光扩束镜401的空间位置，使得其轴线与飞秒激光光路轴线重合。

飞秒激光偏振调整系统5包含飞秒激光半波片501和飞秒激光偏振分光片502，作用是将飞秒激光的偏振状态转变为适合进入偏振合光镜9的状态。激光分束装置6的作用是将所述激光光束分束为参考光和延时光。

所述反射镜组和反射镜组，是调整延时光的光路，使其空间位置调整为适合进入偏振合光镜9的位置。所谓延时光反光镜位移台，是用于调整反射镜组和反射镜组与参考光之间的距离，以改变激光延时的大小。

所述矩形光阑元件10，是用于限制光线传播的光学元件，可以使光斑的形状变成矩形。

所述光学快门12，是用于通过或阻断激光脉冲。防止在调试激光脉冲延迟的过程中有激光经由反射式物镜13到达工件1401表面，从而对其产生不必要的烧蚀。

所述高速光电探测器15，用于探测飞秒激光脉冲的参考光和延时光的实际脉冲延迟，并在示波器16中进行实时绘制。

当脉冲序列调制器1接入飞秒激光器2和示波器16时，从而便于在飞秒激光器2上设定飞秒激光器2的输出频率以及一定的飞秒激光脉冲延时；故控制延时光反射镜位移台19移动，从而使得延时光反射镜能够将飞秒激光更加准确地出射至移动平台上的工件1401表面，以提高对工件1401的加工准确度。

在本发明的一个实施例中，所述若示波器16上显示双激光脉冲延时序列与设定相同之后，还包括：

先控制飞秒激光器2停止出光，再移动工作台14面使得工件1401位于加工位置。

需要说明的是，先控制飞秒激光器2停止出光，可以避免在移动工作台14面时，飞秒激光器2损伤作业人员或工作台面1402，从而提高对工作台面1402移动作业的安全性。

在本发明的一个实施例中，所述移动工作台14面使得工件1401位于加工位置之后，还包括：

调整脉冲序列调制器1，控制输出合适的飞秒激光脉冲序列，打开光学快门12，控制飞秒激光器2输出适当的激光功率，对进行双激光脉冲延时抛光加工。

需要说明的是，调整脉冲序列调制器1，控制输出合适的飞秒激光脉冲序列，从而通过合适的飞秒激光脉冲序列，提高对工件1401的加工质量精度；而在打开光学快门12之后，通过控制飞秒激光器2输出适当的激光功率，以提高对工件1401的激光抛光效率。

在本发明的一个实施例中，所述重置延时光反射镜位移台19与参考光之工件1401间的距离之后，还包括：

再次打开脉冲序列调制器1、高速光电探测器15和示波器16，设定飞秒激光器2输出频率以及一定的飞秒激光脉冲延时，控制延时光反射镜位移台19移动。

需要说明的是，在重置延时光反射镜位移台19与参考光之工件1401间的距离之后，通过再次打开冲序列调制器、高速光电探测器15和示波器16，从而在设定飞秒激光器2输出频率以及一定的飞秒激光脉冲延时之后，控制延时光反射镜位移台19移动，可以使得双激光脉冲延时序列与设定相同，进而确保对工件1401的激光抛光质量和效率。

在本发明的一个实施例中，所述使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜9中心之前，还包括：

飞秒激光偏振调整系统5将飞秒激光的偏振状态转变为适合进入偏振合光镜9的状态；激光分束装置6再将所述激光光束分束为参考光和延时光。

需要说明的是，所述高速光电探测器15，用于探测飞秒激光脉冲的参考光和延时光的实际脉冲延迟，并在示波器16中进行实时绘制；延时光反光镜位移台，是用于调整反射镜组和反射镜组与参考光之间的距离，以改变激光延时的大小。

在本发明的一个实施例中，所述激光分束装置6再将所述激光光束分束为参考光和延时光之后，还包括：

两个不同位置的反射镜组，用于调整所述延时光的光路，使其空间位置调整为适合进入偏振合光镜9的位置。

需要说明的是，反射镜组可以分别定义为第一反射镜组7和第二反射镜组8；所述第一反射镜组7和第二反射镜组8，是调整延时光的光路，使其空间位置调整为适合进入偏振合光镜9的位置。所谓延时光反光镜位移台，是用于调整反射镜组和反射镜组与参考光之间的距离，以改变激光延时的大小。

在本发明的一个实施例中，所述使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜9中心之后，还包括：

通过矩形光阑元件10限制光线传播的光学元件，可以使光斑的形状变成矩形。

需要说明的是，双脉冲延时激光后穿过矩形光阑元件10获得矩形光斑，能够实现对两个脉冲的时序和延时进行调控，可以实现更高效率、更高质量的抛光加工。

在本发明的一个实施例中，在移动工作台14面使得工件1401位于加工位置之前，还包括：

白光光源17发出的白光经由非偏振白光分束镜1102和可见光透射激光反射镜1101，与飞秒激光脉冲同轴入射并照亮工件1401的表面，部分白光会被工件1401表面反射，经由反射式物镜13、可见光透射激光反射镜1101以及非偏振白光分束镜1102，进入聚焦观测系统18，并通过聚焦观测系统18实时观察两束激光脉冲是否聚焦到工件1401表面。

需要说明的是，白光光源17用于提供加工区域的照明，便于聚焦观测系统18的观测；所述聚焦观测系统18，包含衰减片1801、滤光片1802、CCD相机1803和光学镜头1804。衰减片1801和滤光片1802用于将进入聚焦观测系统18的白光转变为CCD相机1803能够接受并处理的光学信号，并通过光学镜头1804实时观察两束激光脉冲是否聚焦到工件1401的表面。

虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明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。

Claims (10)

1.一种基于激光光束时空调制的高效抛光方法，应用于基于激光光束时空调制的高效抛光系统，其包括脉冲序列调制器、飞秒激光器、激光光束整形部件、光学偏振元件、激光分束装置、延时光反射镜位移台、矩形光阑元件、高速光电探测器、示波器、聚焦观测系统、白光光源、移动工作台、光路空间位置调整部件；其特征在于，基于激光光束时空调制的高效抛光方法包括如下步骤：

控制飞秒激光器输出飞秒激光；调整飞秒激光光路整形系统、飞秒激光偏振调整系统，使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜中心；调整光路调整镜组中的空间角度，使得飞秒激光聚焦到工件的表面；

控制飞秒激光器启动，观察示波器上显示的双激光脉冲延时序列与设定是否相同；

若示波器上显示双激光脉冲延时序列与设定相同，则移动工作台面使得工件位于加工位置；若不相同，则断开脉冲序列调制器与飞秒激光器的连接，重置延时光反射镜位移台与参考光之间的距离。

2.根据权利要求1所述的基于激光光束时空调制的高效抛光方法，其特征在于，光路调整镜组包括可见光透射激光反射镜和非偏振白光分束镜；

所述调整飞秒激光光路整形系统、飞秒激光偏振调整系统，使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜中心之后，还包括：

借助聚焦观测系统的观测，调整光路调整镜组中的可见光透射激光反射镜的空间角度。

3.根据权利要求1所述的基于激光光束时空调制的高效抛光方法，其特征在于，所述控制飞秒激光器启动之前，还包括：

将脉冲序列调制器接入飞秒激光器和示波器，打开脉冲序列调制器、高速光电探测器和示波器，设定飞秒激光器输出频率以及一定的飞秒激光脉冲延时，控制延时光反射镜位移台移动。

4.根据权利要求1所述的基于激光光束时空调制的高效抛光方法，其特征在于，所述若示波器上显示双激光脉冲延时序列与设定相同之后，还包括：

先控制飞秒激光器停止出光，再移动工作台面使得工件位于加工位置。

5.根据权利要求4所述的基于激光光束时空调制的高效抛光方法，其特征在于，所述移动工作台面使得工件位于加工位置之后，还包括：

调整脉冲序列调制器，控制输出合适的飞秒激光脉冲序列，打开光学快门，控制飞秒激光器输出适当的激光功率，对工件进行双激光脉冲延时抛光加工。

6.根据权利要求4所述的基于激光光束时空调制的高效抛光方法，其特征在于，所述重置延时光反射镜位移台与参考光之间的距离之后，还包括：

再次打开脉冲序列调制器、高速光电探测器和示波器，设定飞秒激光器输出频率以及一定的飞秒激光脉冲延时，控制延时光反射镜位移台移动。

7.根据权利要求1所述的基于激光光束时空调制的高效抛光方法，其特征在于，所述使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜中心之前，还包括：

飞秒激光偏振调整系统将飞秒激光的偏振状态转变为适合进入偏振合光镜的状态；激光分束装置再将所述激光光束分束为参考光和延时光。

8.根据权利要求7所述的基于激光光束时空调制的高效抛光方法，其特征在于，所述激光分束装置再将所述激光光束分束为参考光和延时光之后，还包括：

两个不同位置的反射镜组，用于调整所述延时光的光路，使其空间位置调整为适合进入偏振合光镜的位置。

9.根据权利要求8所述的基于激光光束时空调制的高效抛光方法，其特征在于，所述使得飞秒激光脉冲平行入射到偏振合光镜中心之后，还包括：

通过矩形光阑元件限制光线传播的光学元件，可以使光斑的形状变成矩形。

10.根据权利要求1所述的基于激光光束时空调制的高效抛光方法，其特征在于，在移动工作台面使得工件位于加工位置之前，还包括：

白光光源发出的白光经由非偏振白光分束镜和可见光透射激光反射镜，与飞秒激光脉冲同轴入射并照亮工件的表面，部分白光会被工件表面反射，经由反射式物镜、可见光透射激光反射镜以及非偏振白光分束镜，进入聚焦观测系统，并通过聚焦观测系统实时观察两束激光脉冲是否聚焦到工件表面。