專利名稱：超短脈沖激光制作金屬薄膜群孔的裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超短脈沖激光制作金屬薄膜群孔的裝置及其方法，屬于激光微加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前群孔制作方法有電子束打孔、電火花腐蝕打孔、電化學(xué)打孔、螺旋狀打孔和超聲波打孔。電子束打孔加工材料固定為金屬材料，加工裝置只能在真空中進行，否則電子在與原子進行碰撞時被制動，然后發(fā)生轉(zhuǎn)向。電火花腐蝕打孔方法加工材料只能為導(dǎo)電材料， 打孔速度較慢，整體加工費用較高。電化學(xué)打孔的裝置需要在液態(tài)電解液中加工，但是加工工序復(fù)雜繁瑣，制作孔的周期較長。螺旋狀打孔通過切削方式去除材料，但是鉆頭的質(zhì)量要求較高，且非常容易損耗鉆頭，維護費用較為昂貴。超聲波打孔容易對基材產(chǎn)生微細裂紋， 對基材損傷，加工應(yīng)用限制較為嚴(yán)格。激光打孔技術(shù)的定義以激光束為熱源，采用熱去除方法進行材料分離技術(shù)，從而形成特定的孔徑的材料加工方法。激光束被聚焦在材料表面，使得材料表面溫度急劇升高而達到材料的蒸發(fā)氣化狀態(tài)，從而實現(xiàn)材料的去除，包含了材料對光束能量的吸收和材料中的熱傳導(dǎo)過程，在這個過程中，材料被加熱發(fā)生急劇氣化的過程，主要取決于激光與材料作用時間和激光光束強度。由于汽車工業(yè)的燃油過濾器、流體泵工業(yè)金屬過濾器產(chǎn)品和航空航天氣動元件工業(yè)上的持續(xù)增長需求，對于金屬薄膜的群孔制作有較高精度和較高效率的加工要求，傳統(tǒng)的加工方法無法實現(xiàn)，因此，特別需要一種突破傳統(tǒng)制作技術(shù)的加工群孔的方法和裝置，而激光作為現(xiàn)代工業(yè)中先進的加工手段，越發(fā)受到各個行業(yè)的重視，通過激光來實現(xiàn)制作金屬薄膜群孔的可行性和實用性也得到越來越多的驗證，但是目前還尚未有一種能高效率和高精度制作金屬薄膜去群孔的制作裝備和工藝方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種超短脈沖激光制作金屬薄膜群孔的裝置，解決目前微加工中加工效率低、易產(chǎn)生耗材和選擇性不強等問題。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
超短脈沖激光制作金屬薄膜群孔的裝置，特點是高頻率短脈沖激光器的輸出端布置有光間，光間的輸出端設(shè)置有擴束鏡，擴束鏡的輸出端布置有45度全反射鏡，45度全反射鏡的輸出端依次布置有振鏡和掃描場鏡，掃描場鏡正對于工作平臺，所述工作平臺的上方布置有CCD對位觀察系統(tǒng)，所述工作平臺上安裝有一組夾緊氣缸，所述工作平臺的一側(cè)布置有吹氣系統(tǒng)，工作平臺的另一側(cè)安裝有集塵系統(tǒng)，工作平臺的下方也安裝有集塵系統(tǒng)。進一步地，上述的超短脈沖激光制作金屬薄膜群孔的裝置，所述高頻率短脈沖激光器是波長為<355nm紫外或深紫外、脈寬在IOOfs 100ns、頻率在IOKHz 50MHz的激光
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本發(fā)明制作金屬薄膜群孔的方法，加工前激光焦點聚焦于金屬薄膜的上表面，高頻率短脈沖激光器發(fā)出的激光經(jīng)光間控制開關(guān)光，光間控制激光光束后經(jīng)過擴束鏡對光束進行同軸擴束，改善光束傳播的發(fā)散角使光路準(zhǔn)直，擴束后的光束到達45度全反射鏡，光路垂直改向，繼而到達振鏡和掃描場鏡，掃描圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，圖形轉(zhuǎn)化在工作平臺上的金屬薄膜上進行打孔，金屬薄膜由夾緊氣缸夾緊拉平，金屬薄膜位于同一聚焦平面上， CCD對位觀察系統(tǒng)將導(dǎo)入的定位標(biāo)拍攝并抓取靶標(biāo)，蝕刻產(chǎn)生的粉塵由吹氣系統(tǒng)產(chǎn)生氣流， 并根據(jù)振鏡掃描角度和激光焦距確定吹氣角度，由集塵系統(tǒng)吸氣收集粉塵。本發(fā)明技術(shù)方案突出的實質(zhì)性特點和顯著的進步主要體現(xiàn)在
本發(fā)明通過對超短脈沖激光器進行光學(xué)聚焦，使其光學(xué)聚焦焦點在被加工的金屬薄膜材料上，實現(xiàn)最優(yōu)化的高效運用激光器的能量；通過控制系統(tǒng)來控制超短脈沖激光器的脈沖個數(shù)和脈沖之間持續(xù)時間，最終調(diào)制出形成每個金屬薄膜孔徑的脈沖個數(shù)和脈沖時間； 通過控制系統(tǒng)，分別依次加工每個金屬薄膜上所需孔徑，最終完成整個薄膜上所有孔徑的加工工藝；加工過程中輔助吹氣、吸氣裝置，以獲得較為高質(zhì)量、高效率的群孔制作工藝。加工范圍不受材料物理、機械性能的限制，能加工任何硬的、軟的、脆的、耐熱或高熔點金屬以及非金屬材料。易于加工復(fù)雜型面、微細表面以及柔性零件。易獲得良好的表面質(zhì)量，熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化、熱影響區(qū)等均比較小。各種加工方法易復(fù)合形成新工藝方法，便于推廣應(yīng)用。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步說明 圖1 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各附圖標(biāo)記的含義
1 一高頻率短脈沖激光器；2—光閘；3—擴束鏡；4一45度全反射鏡；5—振鏡；6—掃描場鏡；7— CXD對位觀察系統(tǒng)；8—夾緊氣缸；9一工作平臺；10—吹氣系統(tǒng)；11一集塵系統(tǒng)； 12—金屬薄膜。
具體實施例方式本發(fā)明利用調(diào)制脈沖激光器脈沖的光路聚焦系統(tǒng)，對金屬薄膜進行群孔的工藝制作，以得到穩(wěn)定高效的金屬薄膜群孔產(chǎn)品。如圖1所示，超短脈沖激光制作金屬薄膜群孔的裝置，高頻率短脈沖激光器1的輸出端布置有光閘2，所述高頻率短脈沖激光器是波長為<355nm紫外或深紫外、脈寬在 IOOfs 100ns、頻率在IOKHz 50MHz的激光器，光閘2的輸出端設(shè)置有擴束鏡3，擴束鏡 3的輸出端布置有45度全反射鏡4，45度全反射鏡4的輸出端依次布置有振鏡5和掃描場鏡6，掃描場鏡6正對于工作平臺9，工作平臺9的上方布置有CXD對位觀察系統(tǒng)7，工作平臺9上安裝有一組夾緊氣缸8，工作平臺9的一側(cè)布置有吹氣系統(tǒng)10，工作平臺10的另一側(cè)安裝有集塵系統(tǒng)11，工作平臺10的下方也安裝有集塵系統(tǒng)。上述裝置用于制作金屬薄膜群孔時，加工前激光焦點聚焦位于金屬薄膜的上表面，高頻率短脈沖激光器1發(fā)出的激光經(jīng)光間2控制開關(guān)光，具體可由軟件控制感應(yīng)信號來控制光間2的開啟和關(guān)閉，光間2控制激光光束后經(jīng)過擴束鏡3對光束進行同軸擴束，改善光束傳播的發(fā)散角使光路準(zhǔn)直，控制激光最終聚焦光斑的大小，使得到理想的光斑大小， 從而實現(xiàn)激光穩(wěn)定鉆孔的目的；擴束后的光束到達45度全反射鏡4，光路垂直改向，繼而到達振鏡5和掃描場鏡6，掃描圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，圖形轉(zhuǎn)化在工作平臺9上的金屬薄膜12 上進行打孔，當(dāng)然，金屬薄膜12被夾緊氣缸8夾緊拉平，使金屬薄膜12在同一聚焦平面上； 蝕刻產(chǎn)生的粉塵由吹氣系統(tǒng)10產(chǎn)生氣流，并根據(jù)振鏡掃描角度和激光焦距確定吹氣角度， CCD對位觀察系統(tǒng)7將導(dǎo)入的定位標(biāo)拍攝并抓取靶標(biāo)，然后軟件處理控制激光器開始出光加工。此時，吹氣系統(tǒng)10和集塵系統(tǒng)11開始工作，吹氣角度是根據(jù)振鏡掃描角度和激光焦距計算得來，使其在特定的吹起角度下配合大流量集塵器達到最佳集塵效果。超短脈沖激光短于絕大多數(shù)化學(xué)和物理反應(yīng)(比如機械和熱力學(xué))的特征時間，峰值功率極高，由于超短激光脈沖與物質(zhì)相互中獨特的多光子吸收過程，其加工精度可以突破相干極限的瓶頸，從而使納米加工和相應(yīng)微/納電子、微/納光學(xué)的許多構(gòu)想成為可能。 超快激光脈沖序列可以控制電離過程、選擇性地電離原子、控制分子中基態(tài)轉(zhuǎn)動等。本發(fā)明通過超快脈沖序列設(shè)計(調(diào)節(jié)單個脈沖的能量和脈沖間的延遲)來控制被加工材料電子吸收激光光子的過程(選擇性激發(fā)/電離)，進而控制相變過程，提高加工精度。對超短脈沖激光器進行光學(xué)聚焦，使其光學(xué)聚焦焦點在被加工的金屬薄膜材料上，實現(xiàn)最優(yōu)化的高效運用激光器的能量；通過控制系統(tǒng)來控制超短脈沖激光器的脈沖個數(shù)和脈沖之間持續(xù)時間，最終調(diào)制出形成每個金屬薄膜孔徑的脈沖個數(shù)和脈沖時間；通過控制系統(tǒng)，分別依次加工每個金屬薄膜上所需孔徑，最終完成整個薄膜上所有孔徑的加工工藝；加工過程中輔助吹氣、吸氣裝置，以獲得較為高質(zhì)量、高效率的群孔制作工藝。
本發(fā)明加工范圍不受材料物理、機械性能的限制，能加工任何硬的、軟的、脆的、耐熱或高熔點金屬以及非金屬材料。易于加工復(fù)雜型面、微細表面以及柔性零件。易獲得良好的表面質(zhì)量，熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化、熱影響區(qū)等均比較小。各種加工方法易復(fù)合形成新工藝方法，便于推廣應(yīng)用。需要理解到的是以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.超短脈沖激光制作金屬薄膜群孔的裝置，其特征在于高頻率短脈沖激光器(1)的輸出端布置有光閘(2)，光閘(2)的輸出端設(shè)置有擴束鏡(3)，擴束鏡(3)的輸出端布置有45 度全反射鏡(4)，45度全反射鏡(4)的輸出端依次布置有振鏡(5)和掃描場鏡(6)，掃描場鏡 (6)正對于工作平臺(9)，所述工作平臺(9)的上方布置有CXD對位觀察系統(tǒng)(7)，所述工作平臺(9)上安裝有一組夾緊氣缸(8)，所述工作平臺(9)的一側(cè)布置有吹氣系統(tǒng)(10)，工作平臺(10)的另一側(cè)安裝有集塵系統(tǒng)(11)，工作平臺(10)的下方也安裝有集塵系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光制作金屬薄膜群孔的裝置，其特征在于所述高頻率短脈沖激光器是波長為<355nm紫外或深紫外、脈寬在IOOfs 100ns、頻率在 IOKHz 50MHz的激光器。
3.利用權(quán)利要求1所述裝置制作金屬薄膜群孔的方法，其特征在于加工前激光焦點聚焦于金屬薄膜的上表面，高頻率短脈沖激光器(1)發(fā)出的激光經(jīng)光間(2)控制開關(guān)光，光閘(2)控制激光光束后經(jīng)過擴束鏡(3)對光束進行同軸擴束，改善光束傳播的發(fā)散角使光路準(zhǔn)直，擴束后的光束到達45度全反射鏡(4)，光路垂直改向，繼而到達振鏡(5)和掃描場鏡(6)，掃描圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，圖形轉(zhuǎn)化在工作平臺(9)上的金屬薄膜(12)上進行打孔，金屬薄膜(12)由夾緊氣缸(8)夾緊拉平，金屬薄膜(12)位于同一聚焦平面上，C⑶對位觀察系統(tǒng)(7)將導(dǎo)入的定位標(biāo)拍攝并抓取靶標(biāo)，蝕刻產(chǎn)生的粉塵由吹氣系統(tǒng)(10)產(chǎn)生氣流，并根據(jù)振鏡掃描角度和激光焦距確定吹氣角度，由集塵系統(tǒng)(11)吸氣收集粉塵。
全文摘要
本發(fā)明涉及超短脈沖激光制作金屬薄膜群孔的裝置及方法，高頻率短脈沖激光器的輸出端布置有光閘，光閘的輸出端設(shè)置有擴束鏡，擴束鏡的輸出端布置有45度全反射鏡，45度全反射鏡的輸出端依次布置有振鏡和掃描場鏡，掃描場鏡正對于工作平臺，工作平臺的上方布置有CCD對位觀察系統(tǒng)，工作平臺上安裝有一組夾緊氣缸，工作平臺的一側(cè)布置有吹氣系統(tǒng)，工作平臺的另一側(cè)安裝有集塵系統(tǒng)，工作平臺的下方也安裝有集塵系統(tǒng)。通過對超短脈沖激光器進行光學(xué)聚焦，使焦點在金屬薄膜材料上，高效運用激光器的能量；通過控制超短脈沖激光器的脈沖個數(shù)和脈沖之間持續(xù)時間，調(diào)制出形成每個金屬薄膜孔徑的脈沖個數(shù)和時間，依次加工每個金屬薄膜上所需孔徑。
文檔編號B23K26/16GK102319960SQ20111021181
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者張偉, 狄建科, 趙裕興 申請人:蘇州德龍激光有限公司