CN204771135U

CN204771135U - 超短脉冲激光微形貌加工装置

Info

Publication number: CN204771135U
Application number: CN201520508094.3U
Authority: CN
Inventors: 豆照良; 唐啸鸣
Original assignee: Tianjin Na Weihuarui Science And Technology Ltd
Current assignee: Shanghai Nawei Coating Co., Ltd.
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2025-07-14

Abstract

本实用新型公开了一种超短脉冲激光微形貌加工装置，其包括自动扫描机械手臂和超短脉冲激光装置；所述的自动扫描机械手臂通过夹持器对所述超短脉冲激光装置进行夹持；所述超短脉冲激光装置包括超短脉冲激光源、中性衰减片、分束片和多个准直透镜组件，沿所述的超短脉冲激光源射出的脉冲激光输出光路上依次设置有中性衰减片、分束片和准直透镜组件。本实用新型因设置有超短脉冲激光源，可以提供脉冲宽度为飞秒级和皮秒级的超短脉冲激光；超短脉冲激光的能量在空间上呈高斯分布，通过控制入射激光的能流密度可使其中心很小区域内的能量值大于材料的破坏阈值，从而得到比聚焦光斑更小的特征尺寸以实现微形貌的精细加工。

Description

超短脉冲激光微形貌加工装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光加工装置，尤其涉及超短脉冲激光微形貌加工装置。

背景技术

高速列车、飞机以及水下航行体如鱼雷等在流体介质中运动的高速航行体，其能耗主要用于克服流/固界面间壁面剪切所产生的表面摩擦阻力。减小航行体的摩擦阻力，对于提高航速、降低能源消耗等具有重要意义。

表面形貌减阻技术是近年来发展起来的具有良好工程应用前景的减阻技术之一。表面形貌减阻通过构建具有特定微观形貌结构的功能表面实现减阻。与传统的基于流体动力学理论通过外形优化减阻相比，表面形貌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，有效降低表面摩擦阻力。

截止目前，减阻功能性微尺度表面形貌的制备主要还是通过传统的机加工方法如车削、滚压或贴膜等方式实现的。上述微尺度形貌制备方法存在着制备工艺繁复、加工周期较长、生产成本高昂、形貌控制困难等缺点，而且对工件的尺寸及材质等也有严格限制；难以在高速列车和飞机等航行体的外表面进行大面积、工程化的微尺度形貌加工。

超短脉冲激光微加工技术，为功能性微尺度表面形貌的制备以及表面形貌减阻技术的工程化应用提供了可能性。超短脉冲激光微加工技术具有加工阈值确定、热损伤和机械强度影响小、有效避免等离子体效应、可突破衍射极限、可实现对几乎所有材质表面的高精度加工等显著特点。采用超短脉冲激光加工工艺，可加工出微米量级的微结构功能性表面，加工精度在亚微米量级。

目前的超短脉冲激光微加工技术，基本上还处于理论验证和实验室阶段，主要用于较小面积功能性微观表面的构建，其尺度通常在毫米或厘米量级。就具体技术路线而言，基本上采用超短脉冲激光发生装置与高精度三维工作台相结合的形式，将待加工表面搭载在高精度三维工作台上实现精准定位与位移，进而加工出特定的功能性微结构。上述技术路线存在设备昂贵、加工效率低、加工面积小等诸多技术瓶颈问题，难以满足高效率、低成本、大面积、工程化的加工要求。

实用新型内容

本实用新型目的是是针对当前功能性微观表面形貌制备技术存在的问题和超短脉冲激光微加工技术的局限性，提供一种超短脉冲激光微形貌加工装置，实现功能性微结构表面的高效率、低成本、大面积、工程化制备，以推动表面形貌减阻技术在高速列车、飞机以及鱼雷等航行体上的工程化应用。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：一种超短脉冲激光微形貌加工装置，其包括：

自动扫描机械手臂和超短脉冲激光装置；

所述的自动扫描机械手臂通过夹持器对所述超短脉冲激光装置进行夹持；

所述超短脉冲激光装置包括超短脉冲激光源、中性衰减片、分束片和多个准直透镜组件，沿所述的超短脉冲激光源射出的脉冲激光输出光路上依次设置有中性衰减片、分束片和准直透镜组件，所述多个准直透镜组件沿垂直于所述脉冲激光输出光路的方向等间距设置。

可选的，所述准直透镜组件包括准直透镜和微孔阵列腔组，沿所述脉冲激光的输出光路，所述准直透镜设置于所述微孔阵列腔组的上游侧。

可选的，所述自动扫描机械手臂包括固定底座、移动平台、旋转平台、第一臂、第二臂、第三臂和夹持器；

所述移动平台可滑动地设置在所述固定底座上，所述旋转平台可转动地设置在所述移动平台上，所述第一臂的一端可转动地设置在所述旋转平台上，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。

可选的，所述超短脉冲激光源输出超短脉冲激光的脉冲宽度为5fs～500ps；波长为800nm；脉冲重复频率为1～5000kHz；单脉冲最大能量1μJ～1000mJ。

可选的，所述微孔阵列腔组的微孔阵列腔的个数为1～200；相邻微孔阵列腔的间距为0～800μm；单个微孔阵列腔的横向宽度为5～500μm；单个微孔阵列腔的纵向高度为2～500μm；单个微孔阵列腔的微孔的孔径为0.1～5μm。

本实用新型具有如下有益效果：本实用新型的超短脉冲激光微形貌加工装置因设置有超短脉冲激光源，可以提供脉冲宽度为飞秒级和皮秒级的超短脉冲激光；超短脉冲激光的能量在空间上呈高斯分布，通过控制入射激光的能流密度可使其中心很小区域内的能量值大于材料的破坏阈值，从而得到比聚焦光斑更小的特征尺寸以实现微形貌的精细加工。

由于飞秒和皮秒激光脉冲宽度很窄，原子内部的库仑场远小于光电场强度，因此材料中的电子以非线性吸收方式获得受激能量，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，实现了真正意义上的非热熔性冷加工。

此外，本实用新型还设置有自动扫描机械手臂，将超短脉冲激光装置通过夹持器搭载在自动扫描机械手臂上，以非接触式自动扫描的形式在待加工材料表面加工出微尺度形貌，实现了加工过程的高效率和低成本，并可满足大面积、工程化的加工需要。

附图说明

图1为超短脉冲激光微形貌加工装置的结构示意图；

图2为自动扫描机械手臂的结构示意图；

图3为超短脉冲激光装置的结构示意图；

图4为用于加工矩形截面沟槽形貌的微孔阵列腔的微孔排布阵列示意图；

图5为用于加工梯形截面沟槽形貌的微孔阵列腔的微孔排布阵列示意图；

图6为用于加工三角形截面沟槽形貌的微孔阵列腔的微孔排布阵列示意图；

图7为用于加工弧形截面沟槽形貌的微孔阵列腔的微孔排布阵列示意图；

图中标记示意为：1-自动扫描机械手臂；2-超短脉冲激光装置；3-工件；4-固定底座；5-移动平台；6-旋转平台；7-第一臂；8-第二臂；9-第三臂；10-夹持器；11-超短脉冲激光源；12-中性衰减片；13-分束片；14-准直透镜；15-微孔阵列腔。

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超短脉冲激光微形貌加工装置，包括自动扫描机械手臂1和超短脉冲激光装置2；所述超短脉冲激光装置2搭载在所述自动扫描机械手臂1上，在工件3表面扫描加工出微尺度形貌结构；

优选的，所述自动扫描机械手臂包括固定底座4、移动平台5、旋转平台6、第一臂7、第二臂8、第三臂9及夹持器10；

所述移动平台5可滑动地设置在所述固定底座4上，所述旋转平台6可转动地设置在所述移动平台5上，所述第一臂7的一端可转动地设置在所述旋转平台6上，所述第一臂7的另一端与所述第二臂8的一端铰接，所述第二臂8的另一端与所述第三臂9的一端铰接，所述第三臂9的另一端固定有夹持器10；

所述第一臂7相对旋转平台6的转动轴I、第二臂8相对第一臂7的转动轴II及第三臂9相对第二臂8的转动轴III相互平行。

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平台5进行驱动，驱动移动平台5在固定底座4上滑动；所述第二驱动件对旋转平台6进行驱动，驱动旋转平台6相对移动平台5转动；所述第三驱动件对第一臂7进行驱动，驱动第一臂7相对旋转平台6转动；所述第四驱动件对第二臂8进行驱动，驱动第二臂8相对第一臂7转动；所述第五驱动件对第三臂9进行驱动，驱动第三臂9相对第二臂8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；更优选地，所述第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件、第四驱动件及第五驱动件均可以为电机，且为了提高所述自动扫描机械手臂的夹持器10的精度，所述电机可以采用直流伺服电机或者交流伺服电机。

采用这种方式设置的自动扫描机械手臂1为五个自由度的机械手臂，通过自动扫描机械手臂的平动和转动，可实现超短脉冲激光光束的入射距离和入射角度根据被加工工件的曲面形状作相应调整。

所述自动扫描机械手臂1的夹持器10对所述超短脉冲激光装置2进行夹持；所述超短脉冲激光装置2包括超短脉冲激光源11、中性衰减片12、分束片13和多个准直透镜组件；本实用新型在实现的过程中，可以将所述超短脉冲激光源11、中性衰减片12和分束片13放置于壳体内，通过所述夹持器夹持壳体从而实现对所述超短脉冲激光装置的夹持。本实施例中，所述准直透镜组件包括准直透镜14和微孔阵列腔组15。

所述的超短脉冲激光装置2由所述超短脉冲激光源11提供脉冲宽度为飞秒量级至皮秒量级的激光光源，所述中性衰减片12由半波片和线偏振片组成，由超短脉冲激光源11射出的激光光束首先通过中性衰减片12调节脉冲能流密度，再经由分束片13将激光光束分成多束，再通过准直透镜14将光束准直，获得准直的激光光束通过由多个微米级通孔组成的、按特定规律排布的微孔阵列腔组，形成多束按特定规律排布的激光微光束，并入射到工件3表面，在工件3表面加工出与微孔阵列腔的微孔阵列排布规律对应的微尺度形貌单元。

本实施例中，所述多个准直透镜组件沿垂直于所述脉冲激光输出光路的方向等间距设置。

本实施例优选的，所述超短脉冲激光源输出超短脉冲激光的脉冲宽度为5fs～500ps；波长为800nm；脉冲重复频率为1～5000kHz；单脉冲最大能量1μJ～1000mJ。

在利用超短脉冲激光进行微尺度形貌加工时，由于超短脉冲激光的能量在空间上呈高斯分布，通过控制入射激光的能流密度使其中心很小区域的能量值大于材料的破坏阈值，从而得到比聚焦光斑更小的特征尺寸。由于飞秒和皮秒激光脉冲宽度很窄，原子内部的库仑场远远小于光电场强度，因此材料中的电子以非线性吸收方式获得受激能量，有效避免了激光线性吸收、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，实现了真正意义上的非热熔性冷加工，加工过程中的微尺度形貌参数控制精准。

本实施例优选的，按一定间距排布的微孔阵列腔组的微孔阵列腔的个数为n＝1～200；相邻微孔阵列腔的间距l₁＝0～800μm；单个微孔阵列腔的横向宽度l₂＝5～500μm；单个微孔阵列腔的纵向高度h＝2～500μm；单个微孔阵列腔的微孔的内径为0.1～5μm。

在工件表面加工出的微尺度沟槽的相关形貌参数，由超短脉冲激光微形貌加工装置的技术及工艺参数控制。其中，单个沟槽形貌结构单元的截面形状由单个微孔阵列腔的微米级通孔排布规律决定；相邻沟槽形貌结构单元的间距l₁与相邻微孔阵列腔的间距l₁相等；单个沟槽形貌结构单元的开口宽度l₂与微孔阵列的横向宽度l₂相等；单个沟槽形貌结构单元的深度d由单个微孔阵列腔的纵向高度h、脉冲能流密度、脉冲重复频率、脉冲宽度以及脉冲激光扫描速度共同决定；一次激光扫描加工域的宽度由相邻微孔阵列间距l₁、单个微孔阵列横向宽度l₂和微孔阵列腔组数n共同决定。

这样设置的超短脉冲激光装置，可实现对微尺度沟槽形貌结构单元参数的精准控制；而将超短脉冲激光装置搭载在自动扫描机械手臂上以非接触式自动扫描的形式在待加工材料表面加工出微尺度形貌，则实现了加工过程的高效率和低成本，并可满足大面积、工程化的加工需要。该超短脉冲激光微形貌加工装置可加工出具有减阻效果的功能性微尺度沟槽形貌，并用于降低高速列车、飞机及鱼雷等航行体在流体介质中的摩擦阻力。

实施例2

在上述实施例1所述的超短脉冲激光微形貌加工装置的基础上，所述超短脉冲激光源的输出脉冲宽度为120ps、波长为800nm、脉冲重复频率为1kHz、单脉冲最大能量2mJ；将所述超短脉冲激光源输出的脉冲激光的能流密度调节至4×10¹³W/cm²；如附图4所示，所述按一定间距排布的矩形截面微孔阵列腔的微孔阵列腔的个数为n＝50；相邻微孔阵列腔的间距l₁＝50μm；单个微孔阵列腔的横向宽度l₂＝70μm；单个微孔阵列腔的纵向高度h＝40μm；单个微孔阵列腔的微孔的内径为0.5μm。

超短脉冲激光光束以3mm/s的扫描速度在金属铝基体表面进行扫描加工；一次扫描加工域的宽度为6mm，所加工出的矩形截面沟槽形貌单元的周期长度为120μm，矩形截面沟槽的开口宽度为70μm，沟槽深度为16μm，相邻沟槽的间距为50μm。水下阻力特性测试结果表明，具有上述矩形截面沟槽形貌结构单元的非光滑表面，在来流速度为10.5m/s时的减阻率为8.9％。

实施例3

在上述实施例1所述的超短脉冲激光微形貌加工装置的基础上，所述超短脉冲激光源的输出脉冲宽度为80fs、波长为800nm、脉冲重复频率为500kHz、单脉冲最大能量120μJ；所述超短脉冲激光源输出的脉冲激光的能流密度调节至2.1×10¹⁰W/cm²；如附图5所示，所述按一定间距排布的六边形截面微孔阵列腔的微孔阵列腔的个数为n＝200；相邻微孔阵列腔的间距l₁＝500μm；单个微孔阵列腔的宽边横向宽度l₂＝250μm；单个微孔阵列腔的窄边横向宽度l₃＝180μm；单个微孔阵列腔的纵向高度h＝200μm；单个微孔阵列腔的微孔的内径为5μm。

超短脉冲激光束以35mm/s的扫描速度在聚合物薄膜表面进行扫描加工；一次扫描加工域的宽度为150mm，所加工出的梯形截面沟槽形貌单元的周期为750μm，梯形截面沟槽开口宽度为250μm，沟槽深度为120μm，相邻沟槽间距为500μm。将所制备的上述具有微米级梯形截面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0.4倍音速的来流速度下，气动航行体模型的阻力降低19.1％。

实施例4

在上述实施例1所述的超短脉冲激光微形貌加工装置的基础上，所述超短脉冲激光源的输出脉冲宽度为500fs、波长为800nm、脉冲重复频率为10kHz、单脉冲最大能量150μJ；所述超短脉冲激光源输出的脉冲激光的能流密度调节至9.5×10¹⁰W/cm²；如附图6所示，将所述按一定间距排布的菱形截面微孔阵列腔的微孔阵列腔的个数为n＝100；相邻微孔阵列腔的间距l₁＝280μm；单个微孔阵列腔的横向宽度l₂＝140μm；单个微孔阵列腔的纵向高度h＝100μm；单个微孔阵列腔的微孔的内径为1μm。

超短脉冲激光束以50mm/s的扫描速度在某高速列车缩比模型的油漆表面进行扫描加工；一次扫描加工域的宽度为42mm，所加工出的三角形截面沟槽形貌单元的周期为420μm，沟槽开口宽度为140μm，沟槽深度为40μm，相邻沟槽间距为280μm。风洞阻力测试结果表明，与常规流体动力学光滑表面相比，所制备的上述具有微米级三角形截面沟槽形貌结构单元的非光滑油漆表面，在300km/h的风速条件下的减阻率为14.7％。

实施例5

在上述实施例1所述的超短脉冲激光微形貌加工装置的基础上，所述超短脉冲激光源的输出脉冲宽度为500ps、波长为800nm、脉冲重复频率为3kHz、单脉冲最大能量6mJ；将所述超短脉冲激光源输出的脉冲激光的能流密度调节至8.2×10¹³W/cm²；如附图7所示，所述按一定间距排布的椭圆形截面微孔阵列腔的微孔阵列腔的个数为n＝10；相邻微孔阵列腔的间距l₁＝60μm；单个微孔阵列腔的横向宽度l₂＝60μm；单个微孔阵列腔的纵向高度h＝40μm；单个微孔阵列腔的微孔的内径为1.5μm。

超短脉冲激光光束以2.5mm/s的扫描速度在不锈钢基体表面进行扫描加工；一次扫描加工域的宽度为1.2mm，所加工出的弧形截面沟槽形貌单元的周期长度为120μm，弧形截面沟槽的开口宽度为60μm，沟槽深度为24μm，相邻沟槽的间距为60μm。水下阻力特性测试结果表明，具有上述弧形截面沟槽形貌结构单元的非光滑表面，在来流速度为15m/s时的减阻率为14.3％。

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

1.一种超短脉冲激光微形貌加工装置，其特征在于，包括：

自动扫描机械手臂和超短脉冲激光装置；

2.根据权利要求1所述的超短脉冲激光微形貌加工装置，其特征在于，所述准直透镜组件包括准直透镜和微孔阵列腔组，沿所述脉冲激光的输出光路，所述准直透镜设置于所述微孔阵列腔组的上游侧。

3.根据权利要求1所述的超短脉冲激光微形貌加工装置，其特征在于，所述自动扫描机械手臂包括固定底座、移动平台、旋转平台、第一臂、第二臂、第三臂和夹持器；

4.根据权利要求1所述的超短脉冲激光微形貌加工装置，其特征在于，所述超短脉冲激光源输出超短脉冲激光的脉冲宽度为5fs～500ps；波长为800nm；脉冲重复频率为1～5000kHz；单脉冲最大能量1μJ～1000mJ。

5.根据权利要求2所述的超短脉冲激光微形貌加工装置，其特征在于，所述微孔阵列腔组的微孔阵列腔的个数为1～200；相邻微孔阵列腔的间距为0～800μm；单个微孔阵列腔的横向宽度为5～500μm；单个微孔阵列腔的纵向高度为2～500μm；单个微孔阵列腔的微孔的孔径为0.1～5μm。