CN109570781A - 一种微孔阵列加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微孔阵列加工装置及方法，所述微孔阵列加工方法包括如下步骤：步骤一，利用轴棱锥原理，将激光光束转换为贝塞尔光斑，将所述光斑聚焦在待加工元件表面；步骤二，根据待加工元件所需微孔阵列调整轴棱锥，得到所需光斑的数量和分布；步骤三，利用激光脉冲将所述光斑加工到待加工元件上，形成微孔阵列。所述微孔阵列加工装置包括：沿光传播方向依次设置的激光光源、光源调整组件、轴棱锥和运动台；其中，所述轴棱锥安装在五轴精密旋转台上并由五轴精密旋转台带动调节与入射光束之间的角度。本发明微孔阵列加工装置及方法，实现单次多微孔加工，提高工作效率；热影响较长脉冲激光的作用小，提高加工材料的质量。

Description

一种微孔阵列加工装置及方法

技术领域

本发明涉及微孔阵列加工领域，特别涉及一种微孔阵列加工装置及方法。

背景技术

微孔的加工制造在航空、航天以及微流体器件等相关领域都有着极其重要的作用，伴随激光技术的不断发展，将激光技术应用于微孔制造具有十分重要的现实意义。激光微孔制造克服了以前机械加工技术的相互接触的影响，不会对待加工材料产生机械损伤，也不会因为加工材料较硬而发生断裂破坏，所以具有很好的应用前景。

如图1所示，现有技术公开了一种激光微孔阵列的加工装置，包括沿光传播方向依次设置的激光系统1，用于产生激光；半波片与偏振2，用来调整激光能量；角锥棱镜3，用于产生贝塞尔光斑；反射镜5；平凸透镜4和聚焦物镜6形成望远系统，将所述贝塞尔光束缩小为微贝塞尔光束；运动台7，用于放置并调整待加工元件，此装置主要通过运动台7的高速运动进行微孔阵列的加工，但是每次只是对一个孔的加工，且为了控制热影响区域的尺寸，一般采用较小的激光单脉冲能量，然后通过层层扫描的方式进行微孔加工，这样的加工方法严重影响了生产率的提高。

现有技术中还有采用扫描振镜的旋转运动来进行微孔阵列加工，与上述方式比较近似，均是单次单孔加工，不能同时进行多微孔的加工；在进行每个孔的加工时，为了减少热影响区域，将激光的脉冲能量控制在较小的范围内，这样的加工方式同样影响了加工效率的提高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种微孔阵列加工装置及方法，实现单次多微孔加工，提高工作效率；且热影响较长脉冲激光的作用较小，提高了加工材料的质量。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种微孔阵列加工方法，包括如下步骤：

步骤一，利用轴棱锥原理，将激光光束转换为贝塞尔光斑，将所述光斑聚焦在待加工元件表面；

步骤二，根据待加工元件所需微孔阵列调整轴棱锥，得到所需光斑的数量和分布；

步骤三，利用激光脉冲将所述光斑加工到待加工元件上，形成微孔阵列。

可选地，所述步骤一包括：

11)将激光光束扩束后平行投射到轴棱锥以形成贝塞尔光斑；

12)调整待加工元件的位置使得所述光斑分布到待加工元件相应位置。

可选地，所述步骤二包括：

21)根据所述轴棱锥的振幅透过率得出所述贝塞尔光斑的光场分布函数；

22)根据所述光场分布函数获取可调整参数，根据待加工元件所需微孔阵

列得出所述可调整参数具体值；

23)根据所述可调整参数具体值形成与所述微孔阵列相对应的光斑数量和分布。

可选地，所述可调整参数包括所述激光光束与所述轴棱锥之间的夹角和/或所述贝塞尔光斑的光场分布平面与所述轴棱锥之间的距离。

可选地，所述步骤二还包括选取贝塞尔光斑之间的间距作为光场分布函数的最先优化条件。

可选地，所述轴棱锥振幅透过率为：

其中λ是入射光波长，n是轴棱锥的折射率，γ是轴棱锥底角，R是轴棱锥的半径，ρ为入射光束的半径。

可选地，所述光场分布函数为：

其中，r代表光场分布平面的半径，φ代表光场分布平面角度，z代表光场分布平面与所述轴棱锥之间的距离；η代表激光光束与所述轴棱锥之间的夹角。

为实现上述目的，本发明还提供了一种微孔阵列加工装置，包括：沿光传播方向依次设置的激光光源、光源调整组件、轴棱锥和运动台；其中，所述轴棱锥安装在五轴精密旋转台上并由所述五轴精密旋转台带动调节与入射光束之间的角度。

可选地，所述光源调整组件包括沿光传播方向设置的激光能量调节单元和扩束器。

可选地，所述激光能量调节单元包括顺序放置的半波片和偏振分光棱镜。

可选地，所述激光光源采用飞秒激光器。

本发明还提供了一种利用上述微孔阵列加工装置的微孔阵列加工方法，包括：

安装所述微孔阵列加工装置；

将轴棱锥调整成光束垂直入射以准直入射光束；

五轴精密旋转台调整轴棱锥与入射光束之间夹角，进而产生待加工元件所需的光斑数目和分布；

在待加工元件上形成微孔阵列。

可选地，采用光斑连续叠加扫描的方式在所述待加工元件上形成微孔阵列。

可选地，通过调节所述激光光源的功率、扫描的速度以及激光的重频参数，优化所述微孔阵列。

可选地，还包括：移动运动台以调整待加工元件与轴棱锥之间的距离。

本发明提供的一种微孔阵列加工装置及方法，在原有设备基础上加入设有旋转台的轴棱锥，利用飞秒激光器代替传统激光，使得加工尺寸可以到纳米量级；且作用时间短，热影响较小，对加工材料的强度影响很小，基本不会产生微裂纹，通过调整激光光束与所述轴棱锥之间的夹角和/或调整光场分布平面与所述轴棱锥之间的距离的方法获取待加工元件所需微孔对应的光斑数量和分布，实现单次多微孔加工，提高工作效率；且飞秒激光热影响较长脉冲激光的作用较小，提高了加工材料的质量。

附图说明

图1为现有技术微孔加工装置示意图；

图2为本发明实施例1中微孔加工装置的示意图；

图3为本发明实施例1中N值较小时光强最大的光斑分布示意图；

图4为本发明实施例1中N值较大时光强最大的光斑分布示意图。

图1中所示：1-激光系统、2-半波片与偏振、3-角锥棱镜、4-平凸透镜、5-反射镜、6-聚焦物镜、7-运动台；

图2-4中所示：8-飞秒激光器、9-激光能量调节单元、10-扩束器、11-轴棱锥、12-旋转台、13-三维运动台。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

如图2所示，本发明提供了一种微孔阵列加工装置包括：沿光传播方向依次设置激光器、光源调整组件、轴棱锥11、三维运动台13，所述轴棱锥11安装在旋转台12上；本实施例的激光器优选为飞秒激光器8，产生飞秒激光，具有作用时间短，热影响较小，对加工材料的强度影响小，不会产生微裂纹的优点；所述旋转台12优选为五轴精密旋转台，可以带动轴棱锥11连续改变角度，具体地，所述飞秒激光器8发射激光进入轴棱锥11后形成贝塞尔光斑，利用计算机程序控制三维运动台13的移动，使贝塞尔区域位于待加工元件表面，通过调整旋转台12来改变轴棱锥11与激光光束之间的夹角，形成与待加工元件所需微孔阵列相对应的贝塞尔光斑，并通过飞秒激光器8产生单脉冲激光将贝塞尔光斑加工到待加工元件上。

进一步地，所述光源调节组件包括沿光传播方向设置的激光能量调节单元9和扩束器10，所述激光能量调节单元9包括顺序放置的半波片和偏振分光棱镜，利用激光能量调节单元9调整激光的功率来优化微孔的加工质量，利用扩束器10将激光入射光束扩束后进入所述轴棱锥11，有助于减小激光光束的发散角，获得多个尺寸更小的光斑，并使单个光斑获取更高的能量密度，提高微孔加工质量。

本发明还提供一个微孔阵列加工方法，利用上述微孔阵列加工装置，加工光路图如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤一：利用轴棱锥11原理，将激光光束转换为贝塞尔光斑，将所述光斑聚焦在待加工元件表面，具体如下：

打开飞秒激光器8产生激光光束，将轴棱锥11调整成光束垂直入射以准直入射光束，所述激光光束经过扩束器10扩束后垂直射入轴棱锥11后转换为贝塞尔光斑，利用三维运动台13调整待加工元件的位置使得贝塞尔光斑分布到待加工元件相应位置。

步骤二：根据待加工元件所需微孔阵列调整所述光斑的数量和分布，具体如下：

1)根据所述轴棱锥11的振幅透过率得出所述贝塞尔光斑的光场分布函数，已知轴棱锥11振幅透过率为：

其中λ为激光入射光的波长，n为轴棱锥11的折射率，γ为轴棱锥11底角，R为轴棱锥11的半径，ρ为激光入射光束的半径；

得到光场分布函数为：

其中，r代表光场分布平面的半径，φ代表光场分布平面角度，z代表光场分布平面与所述轴棱锥11之间的距离，η代表激光光束与所述轴棱锥11之间的夹角。

2)根据所述光场分布函数获取可调整参数，根据待加工元件所需微孔阵列得出所述可调整参数具体值，具体如下：

由于

其中

计算可得到稳项点将稳项点带入到H(ρ,r,φ,z)式中简化并获得其中U＝k(n-1)γr'，

N＝kz(n-1)²γ²sin²η/4，可以看出，N直接影响光场分布情况且N的值跟激光光束与所述轴棱锥11之间夹角η和光场分布平面与所述轴棱锥11之间的距离z密切相关，如图3和4所示，N值越大，光强最大值的光斑数越多，即在相同的成像面积上，有效光斑的数量会增多。这里需要注意的是，N没有具体的物理意义，只是化简过程中的一个表达式。

本实施例中将待加工元件所需微孔阵列代入所述光场分布函数中，并且优选光斑之间的间距作为最先优化的条件，光场分布平面与所述轴棱锥11之间的距离不作变动，得到激光光束与所述轴棱锥11之间夹角η值。

3)根据所述可调整参数具体值形成所述微孔阵列相对应的光斑数量和分布，具体如下：

利用五轴精密旋转台12，带动轴棱锥11绕Y轴转动，调整激光光束与所述轴棱锥11之间的夹角为η，形成待加工元件所需微孔的光斑阵列。

步骤三，利用激光脉冲将光斑阵列加工到待加工元件上，形成微孔阵列。具体地，启动飞秒激光器8发射单脉冲将光斑阵列加工到待加工元件上，本实施例优选采用光斑连续叠加的扫描方式，在小范围内加工的情况下，采用这种方式可以很好的克服光的均匀性对加工的微孔的影响；并通过改变激光的功率、扫描的速度与激光的重频等参数，来优化的加工微孔的质量，本实施例利用激光能量调整单元9调整单脉冲激光的功率。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，通过调整光场分布平面与所述轴棱锥之间的距离的方法来获取待加工元件所需微孔阵列对应的光斑数量和分布，具体如下：

由光场分布函数化解获得N值：N＝kz(n-1)²γ²sin²η/4，具体的化解步骤已在实施例一种详细列出，本实施例不再复述。可以看出，N直接影响光场分布情况且N的值跟激光光束与所述轴棱锥11之间夹角η和光场分布平面与所述轴棱锥11之间的距离密切相关，本实施例将待加工元件所需微孔阵列代入所述光场分布函数中后，激光光束与所述轴棱锥11之间夹角为90°不变，计算得到光场分布平面与所述轴棱锥11之间的距离z，具体可利用三维运动台13调整待加工元件与所述轴棱锥11之间的距离为z以获取待加工元件所需微孔的光斑阵列。

本实施例的光斑阵列调整方法也可以应用到实施例一中，通过同时调整激光光束与所述轴棱锥11之间夹角和光场分布平面与所述轴棱锥11之间的距离也可以获得待加工元件所需微孔的光斑阵列。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种微孔阵列加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，利用轴棱锥原理，将激光光束转换为贝塞尔光斑，将所述光斑聚焦在待加工元件表面；

步骤二，根据待加工元件所需微孔阵列调整轴棱锥，得到所需光斑的数量和分布；

步骤三，利用激光脉冲将所述光斑加工到待加工元件上，形成微孔阵列。

2.如权利要求1所述的微孔阵列加工方法，其特征在于，所述步骤一包括：

11)将激光光束扩束后平行投射到轴棱锥以形成贝塞尔光斑；

12)调整待加工元件的位置使得所述光斑分布到待加工元件相应位置。

3.如权利要求2所述的微孔阵列加工方法，其特征在于，所述步骤二包括：

21)根据所述轴棱锥的振幅透过率得出所述贝塞尔光斑的光场分布函数；

22)根据所述光场分布函数获取可调整参数，根据待加工元件所需微孔阵列得出所述可调整参数具体值；

23)根据所述可调整参数具体值形成与所述微孔阵列相对应的光斑数量和分布。

4.如权利要求3所述的微孔阵列加工方法，其特征在于，所述可调整参数包括所述激光光束与所述轴棱锥之间的夹角和/或所述贝塞尔光斑的光场分布平面与所述轴棱锥之间的距离。

5.如权利要求3所述的微孔阵列加工方法，其特征在于，所述步骤二还包括选取贝塞尔光斑之间的间距作为光场分布函数的最先优化条件。

6.如权利要求3所述的微孔阵列加工方法，其特征在于，所述轴棱锥振幅透过率为：

其中λ为激光入射光的波长，n为轴棱锥的折射率，γ为轴棱锥底角，R为轴棱锥的半径，ρ为激光入射光束的半径。

7.如权利要求3所述的微孔阵列加工方法，其特征在于，所述光场分布函数为：

其中，r代表光场分布平面的半径，φ代表光场分布平面角度，z代表光场分布平面与所述轴棱锥之间的距离，η代表激光光束与所述轴棱锥之间的夹角。

8.一种微孔阵列加工装置，其特征在于，包括：沿光传播方向依次设置的激光光源、光源调整组件、轴棱锥和运动台；其中，所述轴棱锥安装在五轴精密旋转台上并由所述五轴精密旋转台带动调节与入射光束之间的角度。

9.如权利要求8所述的微孔阵列加工装置，其特征在于，所述光源调整组件包括沿光传播方向设置的激光能量调节单元和扩束器。

10.如权利要求9所述的微孔阵列加工装置，其特征在于，所述激光能量调节单元包括顺序放置的半波片和偏振分光棱镜。

11.如权利要求8所述的微孔阵列加工装置，其特征在于，所述激光光源采用飞秒激光器。

12.一种微孔阵列加工方法，采用如权利要求8～11所述的微孔阵列加工装置，其特征在于，包括：

安装所述微孔阵列加工装置；

将轴棱锥调整成光束垂直入射以准直入射光束；

五轴精密旋转台调整轴棱锥与入射光束之间夹角，进而产生待加工元件所需的光斑数目和分布；

在待加工元件上形成微孔阵列。

13.如权利要求12所述的微孔阵列加工方法，其特征在于，采用光斑连续叠加扫描的方式在所述待加工元件上形成微孔阵列。

14.如权利要求12所述的微孔阵列加工方法，其特征在于，通过调节所述激光光源的功率、扫描的速度以及激光的重频参数，优化所述微孔阵列。

15.如权利要求12所述的微孔阵列加工方法，其特征在于，还包括：移动运动台以调整待加工元件与轴棱锥之间的距离。