一种微纳尺度高温激光冲击压印装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种微纳尺度高温激光冲击压印装置，涉及激光冲击压印技术领域。本实用新型专利技术包括气氛保护模块、高温激光冲击压印模块、监测模块和夹具模块；气氛保护模块包括靶室，靶室具有进气口和排气口，进气口通过管路依次连接进气阀、气泵和储气系统，排气口通过管路连接氧传感器和排气阀；且所述氧传感器与气泵相连接；高温激光冲击压印模块由聚焦镜、脉冲激光器、脉冲激光控制器、脉冲延迟发生器、红外激光控制器、红外激光器依次连接构成；监测模块由CCD和计算机依次连接；夹具模块由上而下依次为约束层、吸收层、样品和模具；夹具模块设置在靶室内。实现了金属材料表面高精度微纳米复杂结构的激光冲击压印快速制造。

【技术实现步骤摘要】
一种微纳尺度高温激光冲击压印装置
本技术涉及激光冲击压印
，具体是一种微纳尺度高温激光冲击压印装置。
技术介绍
随着微机电系统、纳机电系统、微流控芯片等的迅速发展，对器件的微型化和高精度也提出了越来越高的要求。在以金属材料为基础的微器件制造上，如何在材料表面获得微纳尺度的复杂结构是一个比较大的挑战。激光冲击压印技术利用激光烧蚀吸收层产生的高能冲击波作用于金属材料表面，金属材料在冲击波的作用下产生超塑性变形，可以进行微纳米复杂结构的快速复制。但是，在激光冲击压印的过程中，目前还存在两个问题：第一，在室温下或较高温度下(低于金属材料的再结晶温度)进行激光冲击压印时，获得的金属材料微纳结构的深宽比较小，复型精度较差，当进一步提高激光焦点能量时，又会因较大的冲击力使材料发生拉裂等方面缺陷；第二，如果将激光冲击压印的温度提高到再结晶温度以上，尽管可以提高微纳米结构的成型精度，但由于金属材料表面的高温氧化和材料的晶粒长大等将导致微纳米器件的性能大大降低。因此，如果获得具有高精度的微纳米结构变得非常重要。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本技术提供一种微纳尺度高温激光冲击压印装置，力学性能好、制造精度高，实现了金属材料表面高精度微纳米复杂结构的激光冲击压印快速制造。本技术是以如下技术方案实现的：一种微纳尺度高温激光冲击压印装置，包括气氛保护模块、高温激光冲击压印模块、监测模块和夹具模块；所述气氛保护模块包括靶室，所述靶室具有进气口和排气口，进气口通过管路依次连接进气阀、气泵和储气系统，排气口通过管路连接氧传感器和排气阀；且所述氧传感器与气泵相连接；所述高温激光冲击压印模块由聚焦镜、脉冲激光器、脉冲激光控制器、脉冲延迟发生器、红外激光控制器、红外激光器依次连接构成；所述监测模块由CCD和计算机依次连接；所述夹具模块由上而下依次为约束层、吸收层、样品和模具；所述夹具模块设置在靶室内；所述高温激光冲击压印模块设置在靶室外部上方。进一步，所述约束层为厚度2～4mm的K9玻璃。进一步，所述吸收层为厚度10～50μm的黑铝箔。进一步，储气系统内的保护气体为氩气或其它惰性气体。进一步，所述脉冲激光器的脉冲宽度介于5～20ns之间，聚焦后光斑的功率密度大于1GW/cm2。进一步，所述红外激光器发射波长为1064nm的红外激光，光束直径大于脉冲激光的焦点直径。工作原理：在激光冲击压印的过程中，通过红外激光对激光冲击微区进行瞬时的加热，并在冲击结束后关闭红外激光快速冷却冲击区域，通过调节红外激光的功率密度和作用时间可以选择性的调控激光冲击压印区域的环境温度，从而控制了激光冲击压印过程中金属材料晶粒的长大。同时，通过往激光冲击压印靶室内注入惰性保护气体，避免激光冲击压印区域由于高温引起的金属材料表面氧化，从而获得表面质量良好的微纳米结构。本技术利用气氛保护和高温辅助方法，克服了因高温导致的晶粒长大和高温导致的表面氧化等技术难题，获得了力学性能好、制造精度高的金属材料表面微纳米结构。相比现有的技术，本技术的有益效果如下：(1)目前，对于激光冲击压印技术而言，普遍在室温下或再结晶温度以下进行，由于温度相对较低，样品还具有较高的硬度、强度和较差的塑性，因此激光冲击压印得到的样品深度较小、内应力较大，容易导致样品的拉裂和破坏，本技术在高温下进行激光压印冲击，能够获得较大的压印深度、更均匀的内应力分布。(2)相比采用传统的加热方式进行样品的加热，样品处在高温下的时间较长，容易使样品内的晶粒在高温下迅速长大，导致样品的力学性能变差，本技术采用激光加热的方式，通过脉冲延时发生器精确的调控样品加热的时间，可以保证样品被加热的时间处在纳秒量级，这样既能保证高温下激光冲击压印的优势，又可避免样品内部的晶粒长大。(3)样品在高温下极易氧化，从而改变了其本身的各种性能，本技术采用惰性气体保护的方式，通过氧传感器精确的控制靶室内的氧气含量，避免样品加热过程中的氧化，从而获得高表面质量的激光冲击压印。附图说明图1是本技术结构示意图。具体实施方式如图1所示，一种微纳尺度高温激光冲击压印装置，包括气氛保护模块、高温激光冲击压印模块、监测模块和夹具模块。其中，气氛保护模块包括靶室6，所述靶室6具有进气口和排气口，进气口通过管路依次连接进气阀1、气泵2和储气系统3，排气口通过管路连接氧传感器5和排气阀4；且所述氧传感器5与气泵2相连接。高温激光冲击压印模块由聚焦镜9、脉冲激光器10、脉冲激光控制器11、脉冲延迟发生器12、红外激光控制器13、红外激光器14依次连接构成；监测模块由CCD7和计算机8依次连接；夹具模块由上而下依次为约束层15、吸收层16、样品17和模具18；夹具模块设置在靶室内；所述高温激光冲击压印模块设置在靶室6外部上方。一种微纳尺度高温激光冲击压印方法，采用图1中的微纳尺度高温激光冲击压印装置，1)夹具模块的准备：由上而下依次放置约束层15、吸收层16、样品17和模具18，保证各层之间贴合紧密；并将夹具模块放入靶室6中。其中，约束层15为厚度2～4mm的K9玻璃。吸收层16为厚度10～50μm的黑铝箔。储气系统3内的保护气体为氩气或其它惰性气体。2)调节气氛保护模块：开启气泵2，通过进气阀1将储气系统3内的保护气体泵入靶室6，靶室6内的气体依次通过氧传感器5和排气阀4的管路排出；氧传感器5检测到靶室6内的氧气含量低于一定值时，控制气泵2停止工作；进气阀和排气阀的开启压力分别为0.2MPa和0.15MPa，氧传感器检测到靶室内的氧气体积分数低于1％时，控制气泵停止工作。3)高温激光冲击压印光路的调整：通过脉冲激光控制器11打开脉冲激光器10导引光，经聚焦镜9聚焦后入射到靶室内，通过计算机8和CCD7检测保证激光焦点落在吸收层16表面；同时通过红外激光控制器13打开红外激光器14，使红外激光器14发出的导引光照射到脉冲激光焦点区域；关闭红外激光器14和脉冲激光器10。脉冲激光器10的脉冲宽度介于5～20ns之间，聚焦后光斑的功率密度大于1GW/cm2。红外激光器14发射波长为1064nm的红外激光，光束直径大于脉冲激光的焦点直径。4)高温激光冲击压印：通过脉冲延迟发生器12分别控制红外激光器14和脉冲激光器10发射激光的时间间隔，实现激光冲击压印微区域的加温、冲击、降温过程。脉冲延迟发生器12控制红外激光器14先发射红外激光，用于加热吸收层16和样品17，间隔时间大于100ns后，再打开脉冲激光器10用于激光冲击压印，通过严格的控制时间间隔，可以精确调控激光冲击压印的温度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微纳尺度高温激光冲击压印装置，其特征在于：包括气氛保护模块、高温激光冲击压印模块、监测模块和夹具模块；所述气氛保护模块包括靶室(6)，所述靶室(6)具有进气口和排气口，进气口通过管路依次连接进气阀(1)、气泵(2)和储气系统(3)，排气口通过管路连接氧传感器(5)和排气阀(4)；且所述氧传感器(5)与气泵(2)相连接；所述高温激光冲击压印模块由聚焦镜(9)、脉冲激光器(10)、脉冲激光控制器(11)、脉冲延迟发生器(12)、红外激光控制器(13)、红外激光器(14)依次连接构成；所述监测模块由CCD(7)和计算机(8)依次连接；所述夹具模块由上而下依次为约束层(15)、吸收层(16)、样品(17)和模具(18)；所述夹具模块设置在靶室内；所述高温激光冲击压印模块设置在靶室(6)外部上方。

【技术特征摘要】
1.一种微纳尺度高温激光冲击压印装置，其特征在于：包括气氛保护模块、高温激光冲击压印模块、监测模块和夹具模块；所述气氛保护模块包括靶室(6)，所述靶室(6)具有进气口和排气口，进气口通过管路依次连接进气阀(1)、气泵(2)和储气系统(3)，排气口通过管路连接氧传感器(5)和排气阀(4)；且所述氧传感器(5)与气泵(2)相连接；所述高温激光冲击压印模块由聚焦镜(9)、脉冲激光器(10)、脉冲激光控制器(11)、脉冲延迟发生器(12)、红外激光控制器(13)、红外激光器(14)依次连接构成；所述监测模块由CCD(7)和计算机(8)依次连接；所述夹具模块由上而下依次为约束层(15)、吸收层(16)、样品(17)和模具(18)；所述夹具模块设置在靶室内；所述高温激光冲击压印模块设置在靶室...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵恩兰，张磊，郭华锋，董妍，宋彬，
申请(专利权)人：徐州工程学院，
类型：新型
国别省市：江苏,32