利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及激光微区加工和处理技术领域，具体涉及一种利用微束激光对材料进行精细加工和激光微区照射处理的装置和方法。该装置包括激光器及汇聚系统、样品台机械数控移动系统、显微观察定位系统、计算机集中数据监控及可视化系统和减震系统。利用上述装置可以快速、方便的利用激光对各种材料，如：聚酰亚胺、硅胶、碳纳米管薄膜等，进行样品尺寸小于10cm×10cm的精细加工和精确定位处理。同时可以通过调节激光功率、光斑大小、机械平台移动速度等，来获得不同加工精度和激光处理面积。从而，通过本发明专利技术可以对材料进行大范围、高精度和低损耗的数控加工，对某些材料进行特定激光、特定区域、能量可控的照射处理等。

【技术实现步骤摘要】
利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置和方法
本专利技术涉及材料激光微区加工和处理
，具体涉及一种利用微束激光对熔点较低的晶体/非晶体或薄膜材料进行精细加工和激光微区照射处理的装置和方法，可以按图纸编程加工各种材料，也可以对某些材料的特定区域，选取特定的激光参数进行照射处理，可针对各类材料利用光斑大小、功率可调控的激光进行微区切割和处理。
技术介绍
激光加工和激光处理在当代人们生活、工业和工程上的应用日益广泛，激光加工是激光系统最常用的应用。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大专利技术，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。光是从组成物质的原子中发射出来的，原子获得能量后处于不稳定状态(也就是激发状态)，它会以光子的形式把能量发射出去。而激光，就是被引诱(激发)出来的光子队列，这光子队列中的光子们，光学特性一样，步调极其一致。光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。而激光加工主要是利用激光热效应和光化学反应两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光镭射打标和激光钻孔等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程，包括光化学沉积、立体光刻、激光雕刻刻蚀等。激光加工有诸多优点，它不需要工具、加工速度快、表面变形小，且可加工各种材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用经过高度汇聚的微束激光对材料进行精细加工和处理的装置和方法，可以按图纸编程，数控加工各种材料，且加工精度可达微纳米级，且在保证加工精度的情况下，进行较大尺寸的图形加工。也可以对材料特定区域进行可选择的激光集中照射，使其特定的区域发生光化学反应，且该区域尺寸可小到几个微米。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，该装置包括：激光汇聚及显微观察系统、激光光源、普通光光源、气泵、气浮减震平台、样品台机械数控移动系统、CCD摄像头、激光汇聚模块机械移动系统、运动控制器、计算机，具体结构如下：激光光源和普通光光源分别通过接口以同轴光的形式，通过光缆接入激光汇聚及显微观察系统，并且激光光源和普通光光源手动选择切换光源；激光汇聚及显微观察系统与CCD摄像头的输入端连接，CCD摄像头的输出端与运动控制器的输入端通过USB线与计算机连接，进行显微观察定位和数控编程；激光汇聚及显微观察系统设置于激光汇聚模块机械移动系统上，运动控制器的输出端与样品台机械数控移动系统连接，样品台机械数控移动系统设置于气浮减震平台上，气浮减震平台的进气端与气泵连接。所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，该装置的激光汇聚及显微观察系统设置共轴光路系统，共轴光路系统包括一个激光光缆接口、一个普通光光缆接口、一个激光CCD摄像头、一组激光汇聚镜头、普通显微镜目镜、物镜和一组不同倍率的超长焦距物镜，对激光进行汇聚，以便满足加工和处理精度的要求。所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，激光汇聚模块机械移动系统带动激光汇聚及显微观察系统在x、y、z三维空间内任意移动，用于显微镜的聚焦和光斑的移动；样品台机械数控移动系统带动样品台在x、y、z三维空间内任意移动，其重复定位精度达0.1μm，样品台机械数控移动系统实现面内样品的旋转和倾转，且实现数控和实时状态监测；激光汇聚及显微观察系统配备放大倍率可调的显微成像系统及同轴光源，用于对激光光斑定位和样品的观察、加工和处理，观察分辨率达0.5μm，切割分辨率达4μm，激光光斑达4μm。所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，通过计算机控制软件实现对机械位移进行数控和实时监控，重复定位精度为0.5μm，移动速度1mm/min～1000mm/min连续可调；通过计算机的显微镜成像软件窗口将显微图像在计算机上成像，方便进行实施观察、测量和精确定位；通过计算机的位移控制软件窗口输入需要加工的图形程序，对电动样品台进行数控。所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，激光汇聚及显微观察系统、激光汇聚模块机械移动系统和样品台机械数控移动系统安置于气浮减震平台之上，以提高加工和处理的精度和稳定性。所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，该装置的运动控制器，用于将计算机的程序命令存储和转化发送给电机驱动器；该装置的电机驱动器，用于对电动样品台的步进电机发射脉冲电信号。所述装置对材料进行精细加工的方法，该方法包括如下步骤：(1)显微定位步骤，确定加工区域；(2)加工图形编程步骤，编辑加工参数；(3)选择激光参数步骤，选择满足加工要求的激光参数；(4)启动步骤，启动机械移动系统和激光器；(5)检测步骤，实时监测加工进程。所述的对材料进行精细加工的方法，该方法进一步包括显微聚焦步骤，选择合适倍数的物镜进行显微观察和汇聚激光；该方法进一步包括存储步骤，存储所编辑的加工图纸；该方法进一步包括导入步骤，导入之前保存的加工图纸；该方法进一步包括激光光斑调节步骤，调节激光光斑的大小，以满足加工要求。所述装置对材料进行精细处理的方法，该方法进行精准定位微区激光照射处理，包括如下步骤：(1)显微定位步骤，确定处理区域；(2)处理区域图形编程步骤，编辑需照射处理的时间、区域范围参数；(3)选择激光参数步骤，选择满足相应材料处理要求的激光参数；(4)启动步骤，启动机械移动系统和激光器；(5)检测步骤，实时监测照射处理的结构形貌变化，以及处理进程。所述的对材料进行精细处理的方法，该方法进一步包括显微聚焦步骤，选择合适倍数的物镜进行显微观察和汇聚激光；该方法进一步包括存储步骤，存储所编辑的处理区域图形图纸；该方法进一步包括导入步骤，导入之前保存的处理区域图形图纸；该方法进一步包括激光波长选择步骤，根据需要处理材料的特性和处理要求，选择相应的激光波长的激光器；该方法进一步包括激光光斑调节步骤，调节激光光斑的大小，以满足处理要求。本专利技术设计思路如下：首先，在微纳米级尺寸加工材料，就需要经过高度汇聚后足够小的激光光斑。所以本专利技术选取了出口光斑和发散角较小的激光器，再经过多组激光组合镜头和高倍长焦显微镜的汇聚，已得到足够小的光斑。并且，在对材料进行加工处理的过程中需要数控机械移动系统的配合，所以本专利技术设计把组合镜头以及样品台安装在可三维平移、旋转和倾转等手动、电动组合样品台上，配合相应的驱动器、控制器和计算机，以实现激光光斑、样品的全方位移动。再次，由于加工尺寸十分小，需要配合显微镜进行观察和定位测量，所以本专利技术设计了同一组显微镜头同时连接激光和普通光两种同轴光缆，并且可以实现二者间的切换，同时利用专门选配的激光成像CCD摄像头成像在计算机的软件操作窗口上，方便进行实时观察、定位和测量等操作。正是基于以上三点主要的设计指导思想，本专利技术成功的实现了对各种材料微纳米级精度的数控激光加工，同时也实现了对某些材料进行特定波长激光精确定位、高度汇聚的可控光照处理，利用某一材料在特定激光照射下的光化学反应，进行精确定位的微区材料改性等。本专利技术的优点及有益效果如下：1、本专利技术所使用的装置和激光方法适用于各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，其特征在于，该装置包括：激光汇聚及显微观察系统、激光光源、普通光光源、气泵、气浮减震平台、样品台机械数控移动系统、CCD摄像头、激光汇聚模块机械移动系统、运动控制器、计算机，具体结构如下：激光光源和普通光光源分别通过接口以同轴光的形式，通过光缆接入激光汇聚及显微观察系统，并且激光光源和普通光光源手动选择切换光源；激光汇聚及显微观察系统与CCD摄像头的输入端连接，CCD摄像头的输出端与运动控制器的输入端通过USB线与计算机连接，进行显微观察定位和数控编程；激光汇聚及显微观察系统设置于激光汇聚模块机械移动系统上，运动控制器的输出端与样品台机械数控移动系统连接，样品台机械数控移动系统设置于气浮减震平台上，气浮减震平台的进气端与气泵连接。

【技术特征摘要】
1.一种利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，其特征在于，该装置包括：激光汇聚及显微观察系统、激光光源、普通光光源、气泵、气浮减震平台、样品台机械数控移动系统、CCD摄像头、激光汇聚模块机械移动系统、运动控制器、计算机，具体结构如下：激光光源和普通光光源分别通过接口以同轴光的形式，通过光缆接入激光汇聚及显微观察系统，并且激光光源和普通光光源手动选择切换光源；激光汇聚及显微观察系统与CCD摄像头的输入端连接，CCD摄像头的输出端与运动控制器的输入端通过USB线与计算机连接，进行显微观察定位和数控编程；激光汇聚及显微观察系统设置于激光汇聚模块机械移动系统上，运动控制器的输出端与样品台机械数控移动系统连接，样品台机械数控移动系统设置于气浮减震平台上，气浮减震平台的进气端与气泵连接。2.根据权利要求1所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，其特征在于，该装置的激光汇聚及显微观察系统设置共轴光路系统，共轴光路系统包括一个激光光缆接口、一个普通光光缆接口、一个激光CCD摄像头、一组激光汇聚镜头、普通显微镜目镜、物镜和一组不同倍率的超长焦距物镜，对激光进行汇聚，以便满足加工和处理精度的要求。3.根据权利要求1所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，其特征在于，激光汇聚模块机械移动系统带动激光汇聚及显微观察系统在x、y、z三维空间内任意移动，用于显微镜的聚焦和光斑的移动；样品台机械数控移动系统带动样品台在x、y、z三维空间内任意移动，其重复定位精度达0.1μm，样品台机械数控移动系统实现面内样品的旋转和倾转，且实现数控和实时状态监测；激光汇聚及显微观察系统配备放大倍率可调的显微成像系统及同轴光源，用于对激光光斑定位和样品的观察、加工和处理，观察分辨率达0.5μm，切割分辨率达4μm，激光光斑达4μm。4.根据权利要求1所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，其特征在于，通过计算机控制软件实现对机械位移进行数控和实时监控，重复定位精度为0.5μm，移动速度1mm/min～1000mm/min连续可调；通过计算机的显微镜成像软件窗口将显微图像在计算机上成像，方便进行实施观察、测量和精确定位；通过计算机的位移控制软件窗口...

【专利技术属性】
技术研发人员：邰凯平，赵洋，靳群，毛鹏燕，乔吉祥，姜辛，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21