CN204711399U - 飞秒激光微形貌加工装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种飞秒激光微形貌加工装置，包括自动化机械手和飞秒激光装置；所述自动化机械手的夹持器对所述飞秒激光装置进行夹持；所述飞秒激光装置包括飞秒激光器、中性衰减片、分束片、准直透镜、小孔阵列板及聚焦透镜，沿所述飞秒激光器射出的激光输出光路上依次设置有中性衰减片、分束片、准直透镜、小孔阵列板及聚焦透镜；加工工件时热影响区小、作用时间短，极大提高了形貌加工的精度，同时实现了真正意义上的非热熔性冷加工。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光加工装置，尤其涉及一种飞秒激光微形貌加工装置。
背景技术
航行体在流体介质中行进时的主要能耗，是用来克服流体阻力，该阻力主要由表面摩擦阻力和压差阻力等成分组成，其中摩擦阻力占据较大份额；此外，导致摩擦阻力出现的流/固界面间的壁面剪切现象，也是壁面噪声产生的根源。因此，减小航行体在行进过程中的摩擦阻力，不仅有助于提高航行体的航速及航程等性能指标，节约能源消耗，还可以有效降低航行体行进时的壁面噪声。
随着能源紧缺、环境恶化等问题的日趋严重，针对航行体减阻降噪、节能减排问题的研究亦变得尤为迫切。截止目前，有关航行体减阻降噪问题的研究，已经逐渐发展成为一门多学科交叉综合的边缘性学科，形成了湍流边界层减阻和界面效应减阻等减阻理论，以及诸如表面形貌、聚合物涂层及微气泡等多种减阻技术。
表面形貌减阻，是指通过构建具有微观形貌结构的功能表面实现减阻。该减阻技术可以在不改变航行体外形尺寸及内部结构的情况下，有效地降低壁面摩擦阻力，因此被认为是最具有工程应用前景的减阻技术之一。目前，有关减阻功能表面形貌的制备，主要还是通过传统的机加工方式实现的。该加工方法不但工艺繁复、成本高昂、质量难以保障，而且对工件的形状、尺寸以及材质等也有严格要求。传统机加工方式用于微观表面形貌制备时的缺点和局限性，严重制约着表面形貌减阻技术的工程化推广和应用。
实用新型内容
本实用新型目的是提供一种飞秒激光微形貌加工装置，加工工件时热影响区小、作用时间短，极大提高了形貌加工的精度，同时实现了真正意义上的非热熔性冷加工。
本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：一种飞秒激光微形貌加工装置，包括自动化机械手和飞秒激光装置；
所述自动化机械手的夹持器对所述飞秒激光装置进行夹持；
所述飞秒激光装置包括飞秒激光器、中性衰减片、分束片、准直透镜、小孔阵列板及聚焦透镜，沿所述飞秒激光器射出的激光输出光路上依次设置有中性衰减片、分束片、准直透镜、小孔阵列板及聚焦透镜。
优选的，所述自动化机械手包括夹持器、底座、移动座、旋转台、第一臂、第二臂及第三臂；
所述移动座可滑动的设置在所述底座上，所述旋转台可转动的设置在所述移动座上，所述第一臂的一端可转动的设置在所述旋转台上，所述第一臂的另一端与所述第二臂的一端铰接，所述第二臂的另一端与所述第三臂的一端铰接，所述第三臂的另一端固定有夹持器；
所述第一臂相对旋转台的转动轴、第二臂相对第一臂的转动轴及第三臂相对第二臂的转动轴相互平行。
优选的，所述飞秒激光器的输出脉冲宽度为5～500fs；波长为800nm；脉冲重复频率为1～1000kHz；单脉冲最大能量1μJ～500mJ。
优选的，所述飞秒激光器的输出脉冲宽度为150fs、波长为800nm、脉冲重复频率为1kHz、单脉冲最大能量50μJ。
优选的，所述飞秒激光器的输出脉冲的能量密度为3.1×1013W/cm2。
优选的，所述飞秒激光器的输出脉冲宽度为150fs、波长为800nm、脉冲重复频率为1kHz、单脉冲最大能量2mJ。
优选的，所述飞秒激光器的输出脉冲的能量密度为8.2×109W/cm2。
本实用新型具有如下有益效果：因设置有飞秒激光器，沿所述飞秒激光器射出的激光输出光路上依次设置有中性衰减片、分束片和透镜；在利用飞秒激光光束对工件进行微形貌加工过程中，飞秒激光与工件材料互相作用时热影响区小、作用时间短，光束的光脉冲的全部能量能够以极快的速度注入到微小作用区域，高能量密度的瞬间沉积使得电子运动方式发生变化，有效避免了激光线性吸收、以及能量的转移和扩散等，使得激光与物质相互作用的机制发生根本性变化，对工件进行加工，加工工件时热影响区小、作用时间短，极大提高了形貌加工的精度，同时实现了真正意义上的非热熔性冷加工；克服了传统机加工方式用于微观表面形貌制备时的缺点和局限性，提高微尺度表面形貌加工工艺的适用性，以促进表面形貌减阻技术的推广和应用。
附图说明
图1为飞秒激光微形貌加工装置的结构示意图；
图2为自动化机械手的结构示意图；
图3为飞秒激光装置的结构示意图。
图中标记示意为：1-自动化机械手；2-飞秒激光装置；3-夹持器；4-激光器；5-中性衰减片；6-分束片；7-准直透镜；8-小孔阵列板；9-聚焦透镜；10-工件；11-底座；12-移动座；13-旋转台；14-第一臂；15-第二臂；16-第三臂。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型的技术方案作进一步阐述。
实施例1
本实施例提供了一种飞秒激光微形貌加工装置，包括自动化机械手1和飞秒激光装置2；所述自动化机械手1的夹持器3对所述飞秒激光装置2进行夹持；所述飞秒激光装置2包括飞秒激光器4、中性衰减片5、分束片6、准直透镜7、小孔阵列板8及聚焦透镜9，沿所述飞秒激光器4射出的激光输出光路上依次设置有中性衰减片5、分束片6、准直透镜7、小孔阵列板8及聚焦透镜9。
所述的飞秒激光装置2由所述飞秒激光器4提供激光光源，所述中性衰减片5由半波片和线偏振片组成，飞秒激光器4射出的激光光束首先通过中性衰减片5调节脉冲能量，再通过分束片6将飞秒激光的光束分成多束，再通过准直透镜7将光束准直，获得准直后的光束利用小孔阵列板8形成的干涉场型进行光的干涉，再利用聚焦透镜9将多干涉光束聚焦到工件10上；由飞秒激光器4发出的飞秒激光在整个脉冲宽度内具有很好的相干性；同一光束经分束片6分成的多个光束相干叠加后形成光强周期性变化的电磁场，该电磁场与工件10的材料作用时，在工件材料表面产生周期性变化的微观形貌结构。
在利用飞秒激光光束进行微形貌加工过程中，飞秒激光与材料相互作用时具有热影响区小、作用时间短等特性。当高峰值功率和极短持续时间的光脉冲与物质相互作用时，光脉冲的全部能量能够以极快的速度注入到微小作用区域，高能量密度的瞬间沉积使得电子运动方式发生变化，有效避免了激光线性吸收、以及能量的转移和扩散等，使得激光与物质相互作用的机制发生根本性变化。保证了聚焦光斑覆盖的材料中心部分更高的去除率，特别是当飞秒激光的能量密度被调节到等于或者刚超过加工材料的烧蚀阈值时，材料中的热影响区甚至比光聚焦区更小。飞秒激光用于微形貌加工时的这些特性，不仅极大提高了形貌加工精度，同时也实现了真正意义上的非热熔性冷加工；克服了传统机加工方式用于微观表面形貌制备时的缺点和局限性，提高微尺度表面形貌加工工艺的适用性，以促进表面形貌减阻技术的推广和应用。
本实施例优选的，所述自动化机械手包括夹持器3、底座11、移动座12、旋转台13、第一臂14、第二臂15及第三臂16；
所述移动座12可滑动的设置在所述底座11上，所述旋转台13可转动的设置在所述移动座12上，所述第一臂14的一端可转动的设置在所述旋转台13上，所述第一臂14的另一端与所述第二臂15的一端铰接，所述第二臂15的另一端与所述第三臂16的一端铰接，所述第三臂16的另一端固定有夹持器3；
所述第一臂14相对旋转台13的转动轴、第二臂15相对第一臂14的转动轴及第三臂16相对第二臂15的转动轴相互平行。
这样设置的飞秒激光微形貌加工装置，自动化机械手1为五个自由度的机械手，可以根据被加工工件的曲面形状调整飞秒激光光束的入射距离和入射角度；通过自动化机械手的手臂的平动和转动，可实现飞秒激光光束的入射距离和入射角度随工件曲面形状作相应变化。
本实施例优选的，还包括第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件、第四驱动件及第五驱动件；所述第一驱动件对移动座12进行驱动，驱动移动座12在底座11上滑动；所述第二驱动件对旋转台13进行驱动，驱动旋转台13相对移动座12转动；所述第三驱动件对第一臂14进行驱动，驱动第一臂14相对旋转台13转动；所述第四驱动件对第二臂15进行驱动，驱动第二臂15相对第一臂14转动；所述第五驱动件对第三臂16进行驱动，驱动第三臂16相对第二臂15转动；
所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件、第四驱动件及第五驱动件均由计算机通过继电器所控制。
这样设置保证自动化机械手的可控性，可在金属材料、非金属材料、聚合物涂层及聚合物薄膜表面加工出微观尺度的形貌结构，可用于减阻降噪功能表面的制备，具有加工效率高、形貌参数可控，使飞秒激光装置可控性的以一定速度扫描被加工的工件材料表面进行微加工。
本实施例优选的，所述飞秒激光器的输出脉冲宽度为5～500fs、波长为800nm、脉冲重复频率为1～1000kHz、单脉冲最大能量1μJ～500mJ。
由于被加工工件的形成的沟槽形貌单元的尺寸参数由飞秒激光微形貌加工装置的相关技术参数决定，沟槽形貌单元的深度和开口宽度由飞秒激光的扫描速度、脉冲能量密度、脉冲重复频率和脉冲宽度共同决定。一次激光扫描加工的加工域宽度、周期性沟槽形貌单元的数量及周期长度，则与相干光束数、相干光束夹角、脉冲宽度及波长等相关。可用于加工出具有减阻降噪效果的微米级沟槽形貌，以降低航行体在流体介质中的摩擦阻力和壁面噪声。
实施例2
在上述实施例1所述的飞秒激光微形貌加工装置的基础上，所述飞秒激光器的输出脉冲宽度为150fs、波长为800nm、脉冲重复频率为1kHz、单脉冲最大能量50μJ；所述飞秒激光器的输出脉冲的能量密度调节至3.1×1013W/cm2；激光光束以2mm/s的扫描速度在金属铝基体表面进行微加工；所加工出的沟槽形貌单元的周期长度为36μm、沟槽开口宽度为12μm、沟槽深度为15μm。阻力特性测试结果表明，具有上述沟槽形貌结构的非光滑表面，在来流速度为22m/s时的减阻率为18.7％，同时壁面噪声下降了1.5dB。
实施例3
在上述实施例1所述的飞秒激光微形貌加工装置的基础上，所述飞秒激光器的输出脉冲宽度为150fs、波长为800nm、脉冲重复频率为1kHz、单脉冲最大能量2mJ；所述飞秒激光器的输出脉冲的能量密度调节至8.2×109W/cm2；飞秒激光以25mm/s的扫描速度在聚合物薄膜表面进行微加工；所加工出的沟槽形貌单元的深度为50μm，沟槽开口宽度为170μm，周期长度为420μm。将所制备的上述具有微米级沟槽形貌单元的聚合物薄膜，按照空气动力学的要求，贴敷于某气动航行体模型表面。在0.8倍音速的来流速度下，气动航行体模型的表面摩擦阻力降低22.7％，气动噪声降低2.0dB。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种飞秒激光微形貌加工装置，其特征在于，
包括自动化机械手和飞秒激光装置；
所述自动化机械手的夹持器对所述飞秒激光装置进行夹持；
所述飞秒激光装置包括飞秒激光器、中性衰减片、分束片、准直透镜、小孔阵列板及聚焦透镜，沿所述飞秒激光器射出的激光输出光路上依次设置有中性衰减片、分束片、准直透镜、小孔阵列板及聚焦透镜。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光微形貌加工装置，其特征在于，所述自动化机械手包括夹持器、底座、移动座、旋转台、第一臂、第二臂及第三臂；
所述移动座可滑动的设置在所述底座上，所述旋转台可转动的设置在所述移动座上，所述第一臂的一端可转动的设置在所述旋转台上，所述第一臂的另一端与所述第二臂的一端铰接，所述第二臂的另一端与所述第三臂的一端铰接，所述第三臂的另一端固定有夹持器；
所述第一臂相对旋转台的转动轴、第二臂相对第一臂的转动轴及第三臂相对第二臂的转动轴相互平行。
3.根据权利要求2所述的飞秒激光微形貌加工装置，其特征在于，所述飞秒激光器为输出脉冲宽度为5～500fs；波长为800nm；脉冲重复频率为1～1000kHz；单脉冲最大能量1μJ～500mJ的飞秒激光器。
4.根据权利要求3所述的飞秒激光微形貌加工装置，其特征在于，所述飞秒激光器为输出脉冲宽度为150fs、波长为800nm、脉冲重复频率为1kHz、单脉冲最大能量50μJ的飞秒激光器。
5.根据权利要求4所述的飞秒激光微形貌加工装置，其特征在于，所述飞秒激光器为输出脉冲的能量密度为3.1×1013W/cm2的飞秒激光器。
6.根据权利要求3所述的飞秒激光微形貌加工装置，其特征在于，所述飞秒激光器为输出脉冲宽度为150fs、波长为800nm、脉冲重复频率为1kHz、单脉冲最大能量2mJ的飞秒激光器。
7.根据权利要求6所述的飞秒激光微形貌加工装置，其特征在于，所述飞秒激光器为输出脉冲的能量密度为8.2×109W/cm2的飞秒激光器。
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