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CN109967896A - 短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置及方法 - Google Patents

短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置及方法 Download PDF

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王瑾
聂源
王勇
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Abstract

本发明涉及一种短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置及方法，该装置包括激光切割轨迹控制部、激光产生及聚焦部、切割材料、水循环控制部、微结构反馈部，激光切割轨迹控制部由图像识别系统、逻辑控制器、激光电流控制器、聚焦深度控制器、激光路径控制器、电控平移台组成，图像识别系统信号输入端连接微结构反馈部，输出端通过逻辑控制器分别连接激光电流控制器、聚焦深度控制器、激光路径控制器，聚焦深度控制器和激光路径控制器连接电控平移台，由激光路径控制器控制电控平移台，从而控制激光的移动路径，并通过微结构反馈部回传的结构信息，实时调整激光产生及聚焦部的激光能量与聚焦深度，从而实现任意形状的切割。

Description

短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置及方法
技术领域
本发明涉及一种激光切割装置，具体涉及一种等离子体超精细切割装置。
背景技术
激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，随着光束与工件相对位置的移动，实现切割工件的目的。其本质是一种热切割。由于精度高、切割快速、节省材料、切口平滑、加工成本低等诸多特点，激光切割在机械加工尤其精密加工领域得到广泛应用。
然而当今的激光切割技术仍存在一些问题与不足，譬如较难切割石英、云母等高损伤阈值材料。石英、云母等损伤阈值较高的材料因具有某些独特而优良的特性，在许多领域得到十分广泛的应用，然有关其切割，一直是行业的痛点。欲切割此类材料，往往需要更高功率输出的激光光源，而光源的成本占整个系统成本的60％以上，高功率不仅带来了更高的成本，还易引起系统的不稳定性。因此解决该问题将会是激光加工工艺的一大飞跃。
发明内容
本发明是针对上述传统激光切割技术的不足而提出的一种短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置及方法，该装置及方法可在快速无污染的前提下实现硬质材料的超精细切割，可将传统激光切割系统的光源功率降低一个数量级左右。预计系统成本降低至原有激光系统的三分之一以下。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置，包括激光切割轨迹控制部、激光产生及聚焦部、切割材料、水循环控制部、微结构反馈部，
所述的激光切割轨迹控制部由图像识别系统、逻辑控制器、激光电流控制器、聚焦深度控制器、激光路径控制器、电控平移台组成，所述图像识别系统信号输入端连接微结构反馈部，输出端通过逻辑控制器分别连接激光电流控制器、聚焦深度控制器、激光路径控制器，聚焦深度控制器和激光路径控制器连接电控平移台，由激光路径控制器控制电控平移台，从而控制激光的移动路径，并通过微结构反馈部回传的结构信息，实时调整激光产生及聚焦部的激光能量与聚焦深度，从而实现任意形状的切割；
所述的激光产生及聚焦部包括激光光源装置、激光反射镜组、激光聚焦系统，所述激光光源装置出射的激光光束，经激光反射镜组入射到激光聚焦系统实现聚焦，使激光光束聚焦焦点在切割材料表面上方水膜内；其中，所述激光光源装置连接激光电流控制器，激光聚焦系统安装在电控平移台；
所述水循环控制部包括出水装置、水膜，液体从出水装置流出，经切割材料表面形成一层均匀的水膜，流过切割材料的液体回收至出水装置，构成水循环；
所述的微结构反馈部包括光学显微镜、显示器、升降台，所述光学显微镜将材料切割情况实时反映在显示器上，再反馈至激光切割轨迹控制部；
所述切割材料为固体或胶体材料，所述切割材料置于切割平台上。
进一步，所述的激光光源装置的输出波长为紫外200-400nm、可见400-700nm或者红外波段700-10000nm，输出的脉宽为0-500ps；所述激光光源装置输出激光能量收到来激光自切割轨迹控制部中激光电流控制器的电流反馈。
进一步，所述的激光反射镜组可以为45度反射镜对或除45度角度之外的任意角度反射镜组组成的光路调节系统。
进一步，所述的激光聚焦系统可以为凸透镜、凹透镜、凹面镜、抛物面镜组成的将激光聚焦在切割材料上的光学系统；所述电控平移台接收聚焦深度控制器的反馈信号，并输出控制信号给所述激光聚焦系统，由电控平移台控制所述激光聚焦系统的聚焦深度，以及切割路径，从而实现控制切割形状。
进一步，所述的切割平台周围安装有隔离散射激光的隔板，以确保操作人员的安全。
进一步，所述的液体可为水、胶体、纯溶液、掺杂悬浮凝胶/颗粒的溶液中的一种。
一种采用短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置的切割方法，首先，将切割材料置于倾角可调的切割平台上，水从出水装置流出，且在切割材料表面流过形成一层百微米厚的水膜，流过切割材料的水，通过水循环系统重新回收至出水装置，实现水的循环利用，再将激光产生及聚焦部发出的短脉冲飞秒激光打入水膜，在百微米厚的水膜中产生等离子体，利用等离子体产生的高温热区促使水膜膨胀，从而产生超声水流冲击切割材料表面，实现高损伤阈值材料的超精细切割。
进一步，所述激光光源装置输出的激光光源峰值功率P激光大于水膜中形成等离子体的功率阈值Pc；Pc＝3.77λ2/8πn0n2，其中λ为激光输出波长，n0为溶液线性折射率，n2为溶液二阶非线性折射率。
本发明的有益效果是：
1.本发明提出的短脉冲激光诱导超声水流的激光超精细切割方法，其光源功率大约为900nJ，相较于传统激光切割的光源功率峰值10μJ降低了两个数量级。更低输出功率的光源降低了切割设备成本。
2.该设备在切割时有高速水流流过材料表面，可及时冲去材料碎渣，避免碎渣由于光热作用附着在加工元件表面。
3.可在水中掺入纳米颗粒，则在切割完成后切断面上会附着纳米颗粒，而表面附着纳米颗粒的材料拥有更高的量子效率，可在切割的同时实现多功能材料的制备。
4.该加工方法不需要太高的激光能量，因此光源系统工作于中低功率模式下，光源更稳定。同时对于等离子体来说，随外界变化波动很小，因此该切割手段精度更高，可实现浮动10μm以内的超精细切割。
附图说明
图1为本发明的等离子体超精细切割装置结构示意图；
图2为本发明的水膜形成示意图；
图3为本发明的内部原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明特征及其他相关特征作进一步详细说明，以方便本领域技术人员理解：
如图1所示，本发明的短脉冲激光诱导超声水流的等离子体超精细切割装置，包括激光切割轨迹控制部100、激光产生及聚焦部200)、切割材料300、水循环控制部400、微结构反馈部500五个部分。激光轨迹控制部100用于对材料切割形状进行控制；激光产生及聚焦部200用于发出短脉冲激光；切割材料300放置于切割平台301之上；水循环控制部400用于在材料表面构造水膜；微结构反馈部500用于将材料切割情况及结构信息实时反馈到切割轨迹控制部100。
所述的激光切割轨迹控制部100由图像识别系统101、逻辑控制器102、激光电流控制器103、聚焦深度控制器104、激光路径控制器105、电控平移台106组成，图像识别系统101信号输入端连接微结构反馈部500)，输出端通过逻辑控制器102分别连接激光电流控制器103、聚焦深度控制器104、激光路径控制器105，聚焦深度控制器104和激光路径控制器105连接电控平移台106，由激光路径控制器105控制电控平移台106，从而控制激光的移动路径，并通过微结构反馈部500回传的结构信息，实时调整激光产生及聚焦部200的激光能量与聚焦深度，从而实现任意形状的切割。
所述的激光产生及聚焦部200包括激光光源装置201、激光反射镜组202、激光聚焦系统203。激光光源装置201出射的激光光束经激光反射镜组202入射到激光聚焦系统203，实现聚焦。激光光束聚焦焦点在切割材料表面上方水膜内。其中，激光光源装置201连接激光电流控制器103，激光聚焦系统203安装在电控平移台106。
所述的激光光源装置201的输出波长为紫外、可见或者红外波段。输出的脉宽为0-500ps。所述的激光反射镜组202，可以为45度反射镜对或其他角度反射镜组组成的光路调节系统。所述的激光聚焦系统203可以为凸透镜、凹透镜、凹面镜、抛物面镜等组成的将激光聚焦在切割材料上的光学系统。
所述的切割材料300可为固体或胶体材料。切割材料300置于切割平台上301。
所述的水循环控制部400包括出水装置401、水膜402。水从出水装置401流出，经切割材料300表面形成一层均匀的水膜402，流过材料300的水回收至出水装置401，构成水循环。
所述的微结构反馈部500包括光学显微镜501、显示器502、升降台503。使用光学显微镜501将材料切割情况实时反映在显示器502上，再反馈至激光切割轨迹控制部100。
如图2所示，水从出水装置401匀速流出，在材料表面形成一层厚度均匀的水膜402，流过材料的水重新回收到出水装置401中，水得以循环利用，避免了水资源的浪费。水流速度可由出水装置401设定或切割平台301的倾角控制。
如图3所示，本发明的内部物理过程如下：
由激光产生及聚焦部200输出的高功率激光在水膜402中聚焦，当其峰值功率大于水中形成等离子体的功率阈值时，激光就会在水膜中形成等离子体A。由等离子体形成的芯径数十微米左右的等离子通道中温度达上千度，因此等离子体与周围水膜温度梯度较大，等离子体附近的水受热膨胀，对周围水的晶格形成冲击，最终等离子体诱导周围水流形成冲击波B。同时，等离子体中的光强被钳制在一个恒定强度，该强度受外界环境的影响浮动较小，因此等离子体产生的冲击波强度也是恒定的。该恒定强度也提升了等离子体诱导超声水流切割稳定性，利用这一点可切出更平整的表面。
加工流程如下：首先选用倾角可调的切割平台301，将材料300置于其上。水从出水装置401流出，且在材料表面流过形成一层约百微米厚的水膜402，流过材料的水，通过水循环系统400重新回收至出水装置401，实现水的循环利用。而后将激光产生及聚焦部200发出的短脉冲飞秒激光打入水膜402，在百微米厚的水膜402中即产生等离子体，等离子体所在热区诱导附近水流膨胀而形成超声水流。不同于传统方法的热切割原理，该技术是利用等离子体在加工材料表面激发的超声水流来打穿，其功率阈值更低。等离子体芯径约在100～200μm范围内，因而该超声水流冲击波在材料上的作用范围极其微小，最小可达10μm，最终使得材料被打穿。根据切割需求的不同，通过对切割轨迹的实时控制，改变激光束的移动轨迹，连续击穿表面，便可达到加工目的。
上述加工过程中，激光光源装置201输出的激光光源输出的峰值功率P激光大于水膜中形成等离子体的功率阈值Pc；Pc＝3.77λ2/8πn0n2，其中λ为激光输出波长，n0为溶液(小)线性折射率，n2为溶液(水)二阶非线性折射率。

Claims (8)

1.一种短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置，包括激光切割轨迹控制部(100)、激光产生及聚焦部(200)、切割材料(300)、水循环控制部(400)、微结构反馈部(500)，其特征在于：
所述的激光切割轨迹控制部(100)由图像识别系统(101)、逻辑控制器(102)、激光电流控制器(103)、聚焦深度控制器(104)、激光路径控制器(105)、电控平移台(106)组成，所述图像识别系统(101)信号输入端连接微结构反馈部(500)，输出端通过逻辑控制器(102)分别连接激光电流控制器(103)、聚焦深度控制器(104)、激光路径控制器(105)，聚焦深度控制器(104)和激光路径控制器(105)连接电控平移台(106)，由激光路径控制器(105)控制电控平移台(106)，从而控制激光的移动路径，并通过微结构反馈部(500)回传的结构信息，实时调整激光产生及聚焦部(200)的激光能量与聚焦深度，从而实现任意形状的切割；
所述的激光产生及聚焦部(200)包括激光光源装置(201)、激光反射镜组(202)、激光聚焦系统(203)，所述激光光源装置(201)出射的激光光束，经激光反射镜组(202)入射到激光聚焦系统(203)实现聚焦，使激光光束聚焦焦点在切割材料表面上方水膜内；其中，所述激光光源装置(201)连接激光电流控制器(103)，激光聚焦系统(203)安装在电控平移台(106)；
所述水循环控制部(400)包括出水装置(401)、水膜(402)，液体从出水装置(401)流出，经切割材料(300)表面形成一层均匀的水膜(402)，流过切割材料(300)的液体回收至出水装置(401)，构成水循环；
所述的微结构反馈部(500)包括光学显微镜(501)、显示器(502)、升降台(503)，所述光学显微镜(501)将材料切割情况实时反映在显示器(502)上，再反馈至激光切割轨迹控制部(100)；
所述切割材料(300)为固体或胶体材料，所述切割材料(300)置于切割平台上(301)。
2.根据权利要求1所述的短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置，其特征在于：所述的激光光源装置(201)的输出波长为紫外200-400nm、可见400-700nm或者红外波段700-10000nm，输出的脉宽为0-500ps；所述激光光源装置(201)输出激光能量收到来激光自切割轨迹控制部(100)中激光电流控制器(103)的电流反馈。
3.根据权利要求1所述的短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置，其特征在于：所述的激光反射镜组(202)可以为45度反射镜对或除45度角度之外的任意角度反射镜组组成的光路调节系统。
4.根据权利要求1所述的短脉冲激光诱导超声水流的等离子体超精细切割装置，其特征在于：所述的激光聚焦系统(203)可以为凸透镜、凹透镜、凹面镜、抛物面镜组成的将激光聚焦在切割材料(300)上的光学系统；所述电控平移台(106)接收聚焦深度控制器(104)的反馈信号，并输出控制信号给所述激光聚焦系统(203)，由电控平移台(106)控制所述激光聚焦系统(203)的聚焦深度，以及切割路径，从而实现控制切割形状。
5.根据权利要求1所述的短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置，其特征在于：所述的切割平台(301)周围安装有隔离散射激光的隔板，以确保操作人员的安全。
6.根据权利要求1所述的短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置，其特征在于：所述的液体可为水、胶体、纯溶液、掺杂悬浮凝胶/颗粒的溶液中的一种。
7.一种采用权利要求1-6任一所述的短脉冲激光诱导超声水流等离子体超精细切割装置的切割方法，其特征在于：首先，将切割材料(300)置于倾角可调的切割平台(301)上，水从出水装置(401)流出，且在切割材料(300)表面流过形成一层百微米厚的水膜(402)，流过切割材料(300)的水，通过水循环系统(400)重新回收至出水装置(401)，实现水的循环利用，再将激光产生及聚焦部(200)发出的短脉冲飞秒激光打入水膜(402)，在百微米厚的水膜(402)中产生等离子体，利用等离子体产生的高温热区促使水膜(402)膨胀，从而产生超声水流冲击切割材料(300)表面，实现高损伤阈值材料的超精细切割。
8.根据权利要求7所述的切割方法，其特征在于：所述激光光源装置(201)输出的激光光源输出的峰值功率P激光大于水膜中形成等离子体的功率阈值Pc；Pc＝3.77λ2/8πn0n2，其中λ为激光输出波长，n0为溶液线性折射率，n2为溶液二阶非线性折射率。
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