一種激光冷加工系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種激光加工技術領域，尤其涉及一種激光冷加工系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]在當前的工業(yè)激光加工中，激光脈沖與物質(zhì)相互作用的基本方式為由激光所帶來的能量以熱的形式堆積擴散，在脈沖時域內(nèi)作用于材料上。而實際中，現(xiàn)有的激光的脈沖寬度往往比熱擴散時間來的長，這對于激光焊接和激光涂覆是一種很好的現(xiàn)象，但對于大多數(shù)的微加工來講，例如激光雕刻、激光打孔、激光切割，向周圍材料上的熱擴散會傷害到加工品質(zhì)。
[0003]具體地，熱擴散會降低微加工的效率，因為熱擴散將能量帶離了加工點，使其降低了原本應完全用來移除材料的能量。加工件材料的熱傳導系數(shù)越高，這種能量浪費越大。熱擴散也會降低加工點的溫度，導致加工溫度只略高于材料熔點。此外，利用激光對加工件進行加工過程中濺射出的微珠會掉落回加工表面污染樣品，而熱擴散導致的殘留溫度會使得該微珠牢牢地黏附在加工件上，使得清理上非常困難，甚至造成加工件的破損。而熱擴散也會降低加工精度，加工件材料的移除飛濺區(qū)不局限于光束本身的聚焦點大小，使得熔融區(qū)域遠大于激光聚焦點的尺寸。另外，熱擴散產(chǎn)生的熱能波和衍生而來的冷卻波將在熱影響區(qū)(即熱擴散在加工點附近造成影響的一片區(qū)域)內(nèi)傳播，引起機械應力，且可能會產(chǎn)生裂縫，而隨著材料的冷卻，這些缺陷將被凍結在加工件的內(nèi)部，并在之后的使用中導致加工件提早失效。再者，因熱擴散產(chǎn)生的關聯(lián)性現(xiàn)象還有加工孔洞周圍重鑄區(qū)的形成，該重鑄區(qū)重新凝固的材料與原本未熔融的材料在物理特性和化學特性上有極大的不同，這使得重鑄區(qū)的機械結構性較為脆弱，都需要在加工后加以移除。有時熱擴散還會導致表面震波的型恒，進而造成加工件加工區(qū)附近的結構或者多層膜材料受損。
[0004]由此可見，熱擴散會伴隨著多種物理或化學現(xiàn)象影響微加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型提供一種激光冷加工系統(tǒng)，能夠提高加工精度和進行較為干凈的加工。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型實施例提供一種激光冷加工系統(tǒng)，包括:
[0007]飛秒激光器子系統(tǒng)，用于輸出飛秒激光；
[0008]光學聚焦設備，用于將所述飛秒激光器子系統(tǒng)輸出的飛秒激光聚焦到加工件上。
[0009]在一個優(yōu)選的實施例中，所述飛秒激光器子系統(tǒng)為飛秒固體激光器子系統(tǒng)。
[0010]在一個優(yōu)選的實施例中，所述飛秒固定激光器子系統(tǒng)包括摻鈦藍寶石鎖模激光器。
[0011]在一個優(yōu)選的實施例中，還包括偏振控制裝置，用于對所述飛秒固體激光器子系統(tǒng)輸出的飛秒激光的偏振態(tài)進行控制。
[0012]在一個優(yōu)選的實施例中，所述偏振控制裝置包括半波片和PBS分光器。
[0013]在一個優(yōu)選的實施例中，還包括至少一個固定式光路方向控制裝置。
[0014]在一個優(yōu)選的實施例中，所述固定式光路方向控制裝置為反光鏡。
[0015]在一個優(yōu)選的實施例中，所述飛秒激光器子系統(tǒng)包括飛秒光纖激光器子系統(tǒng)。
[0016]在一個優(yōu)選的實施例中，還包括傳輸光纖，用于將所述飛秒光纖激光器子系統(tǒng)輸出的飛秒激光傳輸至所述光學聚焦設備中。
[0017]在一個優(yōu)選的實施例中，所述光學聚焦設備為可自由擺動光學聚焦設備。
[0018]通過本實用新型實施例，能夠大幅提升加工精度和效率，并提供較為干凈的加工過程。
【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1是本實用新型實施例一提供的采用飛秒固體激光器作為光源的激光冷加工系統(tǒng)的不意圖；
[0021]圖2是本實用新型實施例二提供的采用飛秒光纖激光器作為光源的激光冷加工系統(tǒng)的實施例。
【具體實施方式】
[0022]為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒旧暾堉械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本申請保護的范圍。
[0023]本實用新型提供一種激光冷加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括飛秒激光器子系統(tǒng)和光學聚焦設備。其中飛秒激光器子系統(tǒng)用于輸出飛秒激光，光學聚焦設備用于將飛秒激光器子系統(tǒng)輸出的飛秒激光聚焦到加工件上。
[0024]以下以兩個具體實施例詳細說明本實用新型的詳細實現(xiàn)。
[0025]實施例一
[0026]圖1示出了采用飛秒固體激光器作為光源的激光冷加工系統(tǒng)的實施例，如圖1所示，該實施例中的激光冷加工系統(tǒng)包括飛秒固體激光器子系統(tǒng)10和光學聚焦設備13。在實際中上述飛秒固體激光器可以摻鈦(Ti)藍寶石鎖模激光器。在飛秒固體激光器子系統(tǒng)10的輸出光路中可以加入偏振控制裝置，以對飛秒固體激光器子系統(tǒng)輸出的激光的偏振態(tài)進行控制，在圖1中，特別地以偏振控制裝置包括半波片(λ/2波片)11和PBS (PolarizedBeam Splitter，偏振分光棱鏡)分光器12為例，其中半波片11和PBS分光器12的位置關系為:沿著光束傳播方向依次為半波片11和PBS分光器12。
[0027]在本實施例中，飛秒固體激光器子系統(tǒng)10輸出飛秒激光的方向可以正對光學聚焦設備13的輸入端，也可以基于優(yōu)化系統(tǒng)所占空間的考慮，將飛秒固體激光器子系統(tǒng)10放置在輸出飛秒激光方向與光學聚焦設備13的輸入端呈一定夾角的位置處，如圖1中，飛秒固體激光器子系統(tǒng)10輸出飛秒激光的方向與光學聚焦設備13的輸入端呈90度夾角，此時需要在飛秒固體激光器子系統(tǒng)10和光學聚焦設備13之間的光路中設置至少一個固定式光路方向控制裝置，以控制從飛秒固體激光器子系統(tǒng)10輸出的飛秒激光的傳輸方向，并最終引導至光學聚焦設備13的輸入端。在圖1中，該固定式光路方向控制裝置為反光鏡14、反光鏡15和反光鏡16。本領域技術人員應該能夠理解，根據(jù)光路設計的不同，還可以選擇其他數(shù)量的反光鏡并放置在合適的位置上。
[0028]光學聚焦設備13將飛秒固體激光器子系統(tǒng)10輸出的飛秒激光聚焦到加工件30的加工點上。
[0029]本實施例中的激光冷加工系統(tǒng)利用飛秒激光對加工件進行加工，飛秒激光以極快的速度將其全部能量注入到加工件的很小的作用區(qū)域上，瞬間內(nèi)產(chǎn)生的高能量密度的沉積將使電子的吸收和運功方式產(chǎn)生變化，可以避免線性吸收、能量迀移和擴散過程的影響，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用的機制。由于飛秒激光可以在極短的時間和極小的空間范圍內(nèi)，以極高的激光功率密度作用于材料，在沒有熱擴散的極短時間內(nèi)使電子溫度達到極高，使物質(zhì)從固態(tài)瞬間變?yōu)楦邷亍⒏邏旱牡入x子狀態(tài)，迅速地以噴射形式脫離加工基體，而周圍物質(zhì)仍處于“冷狀態(tài)”，因此與長脈沖激光加工相比，飛秒激光加工沒有熱擴散，進而加工邊緣整齊且精度高，且能大幅提升加工的效率。
[0030]飛秒激光能夠打來一個百億瓦級的尖峰功率，在加工點每平方公分的激光強度可以輕易地超過原子分子的內(nèi)部電場，以飛秒激光的脈沖使得材料表面產(chǎn)生等離子體化之后，內(nèi)部力量產(chǎn)生的壓力會形成一股爆炸性的煙縷而向外噴散，原本材料原子間的內(nèi)聚力遠遠不足承受高濃度的離子，電子比起離子來的輕且較具有動能，所以電子會在此過程中先快速噴離材料，然后才是離子的噴發(fā)，因為這些都是帶正點的離子，所以因互斥的力量而噴離材料。這個過程不會有微滴凝結于材料周圍，而且沒有熔融的過程自然也就沒有飛濺的材料污染附近的表面。
[0031]因此，飛秒激光脈沖的加工面干凈很多，沒有熔融殘渣、微裂縫、振波、重鑄區(qū)或剝離層，不僅看不到重鑄區(qū)，邊緣較直，而且沒有污染物附著的問題，也不會傷害原有微結構；加工品質(zhì)較優(yōu)。
[0032]需要說明的是，本實施例中的激光冷加工系統(tǒng)的光路是固定的，制造成本高，維護難度高，長期穩(wěn)定性差。
[0033]實施例二
[0034]圖2示出了飛秒光纖激光器作為光源的激光冷加工系統(tǒng)的實施例，如圖2所示，該實施例中的激光冷加工系統(tǒng)包括飛秒光纖激光器子系統(tǒng)21和光學聚焦設備22，在飛秒光纖激光器子系統(tǒng)21和光學聚焦設備22之間設置傳輸光纖21，該傳輸光纖21將飛秒光纖激光器子系統(tǒng)21輸出的飛秒激光傳輸至光學聚焦設備22中。光學聚焦設備22將飛秒光纖激光器子系統(tǒng)21輸出的飛秒激光聚焦到加工件30的加工點上。因為傳輸光纖21具有一定柔性，所以光學聚焦設備22可以設置為可自由擺動的光學聚焦設備，從而可以利用飛秒激光自由對加工件30的各個角度和各個局域位置進行加工，從而進一步提高了加工精度和可重復性。對于材料的尺寸、形狀和物理特性沒有要求，使高精度、超高空間分辨率及超高廣泛性的冷加工過程真正進入大規(guī)模的工業(yè)應用。
[0035]雖然通過實施例描繪了本申請，本領域普通技術人員知道，本申請有許多變形和變化而不脫離本申請的精神，希望所附的權利要求包括這些變形和變化而不脫離本申請的精神。
【主權項】
1.一種激光冷加工系統(tǒng)，其特征在于，包括: 飛秒激光器子系統(tǒng)，用于輸出飛秒激光； 光學聚焦設備，用于將所述飛秒激光器子系統(tǒng)輸出的飛秒激光聚焦到加工件上。2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述飛秒激光器子系統(tǒng)為飛秒固體激光器子系統(tǒng)。3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述飛秒固定激光器子系統(tǒng)包括摻鈦藍寶石鎖模激光器。4.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括偏振控制裝置，用于對所述飛秒固體激光器子系統(tǒng)輸出的飛秒激光的偏振態(tài)進行控制。5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振控制裝置包括半波片和PBS分光器。6.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個固定式光路方向控制裝置。7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述固定式光路方向控制裝置為反光鏡。8.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述飛秒激光器子系統(tǒng)包括飛秒光纖激光器子系統(tǒng)。9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括傳輸光纖，用于將所述飛秒光纖激光器子系統(tǒng)輸出的飛秒激光傳輸至所述光學聚焦設備中。10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學聚焦設備為可自由擺動光學聚焦設備。
【專利摘要】本申請實施例提供一種激光冷加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括飛秒激光器子系統(tǒng)，用于輸出飛秒激光；自由空間或全光纖傳輸系統(tǒng)，用于將飛秒激光導引到預設位置；光學聚焦設備，用于將所述飛秒激光器子系統(tǒng)輸出的飛秒激光聚焦到加工件上。該系統(tǒng)能夠提高加工精度和進行較為干凈的加工。
【IPC分類】B23K26/082, B23K26/064
【公開號】CN204818423
【申請?zhí)枴緾N201520351595
【發(fā)明人】夏江帆
【申請人】廣東高聚激光有限公司, 蘇州華必大激光有限公司, 南京華爾達激光有限公司
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年5月27日