一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置及方法，属于硬脆材料激光加工领域。该装置及方法在超快激光热裂加工的基础上增加纵向电场，扩展热裂加工深度，通过设置合理的超快激光热裂加工工艺参数、正确设置电极正负极、控制激光头和电极同步运动加工、设置最佳电极间距和电压，实现厚板硬脆材料超快激光热裂加工，提高硬脆材料加工能力、质量和效率。

A Ultra-fast Laser Hot Cracking Processing Device and Method for Hard and Brittle Materials Drawn by Electric Field

The invention discloses an electric field traction ultra-fast laser hot cracking processing device and method for hard and brittle materials, which belongs to the field of hard and brittle materials laser processing. The device and method increase the longitudinal electric field and expand the depth of hot cracking processing on the basis of ultra-fast laser hot cracking. By setting reasonable ultra-fast laser hot cracking processing parameters, correctly setting the positive and negative electrodes, controlling the synchronous movement of the laser head and electrodes, setting the optimum electrode spacing and voltage, the ultra-fast laser hot cracking processing of thick plate hard and brittle materials can be realized, and the addition of hard and brittle materials can be improved. Ability, quality and efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置及方法
本专利技术属于硬脆材料激光加工领域，更具体地，涉及一种针对硬脆材料，特别是激光热裂加工方法，采用超快脉冲激光加工、外加电场牵引扩展裂纹深度的方法。
技术介绍
针对硬脆材料，传统的接触加工方法稳定性差、污染重、效率低，亟待开发先进的非接触式加工方法。激光加工因其灵活、结构简单、效率高，在非接触式加工中颇受青睐。现有的激光光源中，连续光和长脉冲激光热影响区大、温度梯度高，产生的热裂纹数量多、方向随机、不可控，因此一般采用材料“微爆”的方式进行硬脆材料的加工。“微爆”又分两种，第一种表面“微爆”，其加工边缘质量不高、残余应力严重，在硬脆材料加工中应用受限很大；第二种内部“微爆”的加工方式，即“隐式切割”，这种技术避免了表面破坏性的物质爆炸去除，在半导体行业应用广泛，但存在材料选择受限，加工深度有限和仍然存在残余应力的问题。超快激光脉冲宽度在皮秒、飞秒量级，其脉冲短、峰值功率高，可以实现硬脆材料多光子吸收激发自由电子，材料后续经历高温自由电子向声子热传递的双温过程实现相变，完成光能-电子动能-材料热能的能量转换过程。此过程避免了光能持续作用，由此减少了热影响在时间上的持续作用；且超快激光聚焦后高峰值功率的有效区域小，也减少了热影响在空间上的扩展。由此产生的热应力局部强度高、方向集中，这使得直接利用热裂纹完成硬脆材料的加工成为了可能。理论上来说，这是一种真正的无损、无污染、适用硬脆材料广泛的加工技术。但是，超快激光热裂加工仍然存在加工深度不足的问题。对大多数材料，通常无法保证激光波长的选择性透射和吸收，这造成无法采用材料内部聚焦的方式进行加工，因此一般采用表面吸收。对大多数材料来说，表面吸收仅发生在表面以下几十到几百个纳米左右，由此带来加工厚度的极大局限性。亟待开发一种简易有效的扩展超快激光热裂加工深度的方法。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种电场牵引的超快激光热裂加工装置及方法，其目的在于，先由超快激光提供的能量激发出自由电子，然后通过外加电场牵引自由电子向更深的方向运动，从而实现材料深处的热应力激发，扩展裂纹深度，由此解决现有技术中超快激光热裂加工深度不足的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置，包括：超快激光器、电压源以及绝缘支撑板；其中，超快激光器包括激光头，电压源包括阴极板和阳极板；绝缘支撑板正面用于承载待加工工件；超快激光器通过激光头向待加工工件发射超快激光，在待加工工件表面激发出自由电子并形成裂纹；超快激光是指脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的激光；阴极板与激光头位于绝缘支撑板正面待加工工件上方，阳极板位于绝缘支撑板背面且正对阴极板；激光头、阴极板和阳极板在加工路径上同步运动，且激光头在加工路径上始终紧挨阴极板正前方边缘；阴极板和阳极板之间产生的电场力用于牵引激光激发的自由电子向更深处运动，从而迫使裂纹向更深处扩展，直至待加工工件底面。进一步地，超快激光器的参数设定如下：功率50W～200W，激光波长355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于待加工工件材料的电声耦合特征时间，重复频率50kHz～500kHz，焦点位于待加工工件表面附近。进一步地，超快激光器的激光波长为355nm、532nm或1064nm。进一步地，阴极板和阳极板之间的距离为0.5cm～5cm，电压为300V～800V。为了实现上述目的，本专利技术还提供了一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工方法，按照预先规划好的裂纹路径，先采用脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的超快激光在待加工工件表面激发出自由电子同时产生裂纹，然后在自由电子发生电声耦合之前，利用电压源的阴极板和阳极板沿裂纹深度方向的反向电场，加深裂纹直至待加工工件底面。进一步地，超快激光的参数如下：功率50W～200W，激光波长355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于待加工工件材料的电声耦合特征时间，重复频率50kHz～500kHz，焦点位于待加工工件表面附近。进一步地，超快激光的激光波长为355nm、532nm或1064nm。进一步地，阴极板和阳极板之间的距离为0.5cm～5cm，电压为300V～800V。总体而言，本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、使用脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的超快激光，利用其高峰值功率，通过多光子吸收，在硬脆材料工件表面光作用区电离激发，产生高温自由电子，迅速形成局部热应力促使工件表面裂开；通过施加裂纹反向的纵向电场，加速牵引自由电子，在发生电声耦合之前(即电子重回稳定状态之前)，向材料内部弹道运动，通过电子碰撞传热向深处激发热应力，从而将能量传递给更深处的材料晶格，实现材料深处的热应力激发，扩展热裂法加工深度，达到厚板热裂法加工的目的，能够将加工深度扩展2mm～5mm。2、将超快激光设置为功率50W～200W，波长355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于材料电声耦合特征时间，重复频率50kHz～500kHz，焦点位于材料表面附近，能够达到硬脆材料最佳的热裂法加工效果，使得裂纹表面整齐、碎片少、裂纹长度方向和深度方向更接近直线。3、将阴极板和阳极板之间的距离设为0.5cm～5cm，电压设为300V～800V，能够在确保达到工件厚度的加工深度前提下，使总体质量保持断面光滑平直、无碎屑熔渣毛刺、微裂纹少、粗糙度小、切割线无偏折。附图说明图1为本专利技术的加工装置结构示意图；图2为本专利技术的电场牵引超快激光热裂加工原理模拟示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-超快激光器；2-激光头；3-阴极板；4-超快激光；5-工件；6-绝缘支撑板；7-电压源；8-阳极。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，为本专利技术的电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置的一个优选实施例，该装置包括：超快激光器1、电压源7以及绝缘支撑板6；其中，超快激光器1包括激光头2，电压源7包括阴极板3和阳极板8；绝缘支撑板6正面用于承载待加工工件5；超快激光器1通过激光头2向待加工工件5发射超快激光，在待加工工件5表面激发出自由电子并形成裂纹；超快激光是指脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的激光；阴极板3与激光头2位于绝缘支撑板6正面待加工工件5上方，阳极板8位于绝缘支撑板6背面且正对阴极板3；激光头2、阴极板3和阳极板8在加工路径上同步运动，且激光头2在加工路径上始终紧挨阴极板3正前方边缘；阴极板3和阳极板8之间产生的电场力用于牵引激光激发的自由电子向更深处运动，从而迫使裂纹向更深处扩展，直至待加工工件5底面。其中，绝缘支撑板6采用绝缘材料，可以确保电场强度和稳定性，如果使用导电材料，则会导致电场被抵消；阳极板和阴极板不可接反，以确保高温自由电子能够向促使裂纹加深的方向运动，且须带击穿保护功能，并可以承受较高范围的电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置，其特征在于，包括：超快激光器(1)、电压源(7)以及绝缘支撑板(6)；其中，超快激光器(1)包括激光头(2)，电压源(7)包括阴极板(3)和阳极板(8)；绝缘支撑板(6)正面用于承载待加工工件(5)；超快激光器(1)通过激光头(2)向待加工工件(5)发射超快激光，在待加工工件(5)表面激发出自由电子并形成裂纹；超快激光是指脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的激光；阴极板(3)与激光头(2)位于绝缘支撑板(6)正面待加工工件(5)上方，阳极板(8)位于绝缘支撑板(6)背面且正对阴极板(3)；激光头(2)、阴极板(3)和阳极板(8)在加工路径上同步运动，且激光头(2)在加工路径上紧挨阴极板(3)正前方边缘；阴极板(3)和阳极板(8)之间产生的电场力用于牵引激光激发的自由电子向更深处运动，从而迫使裂纹向更深处扩展，直至待加工工件(5)底面。

【技术特征摘要】
1.一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置，其特征在于，包括：超快激光器(1)、电压源(7)以及绝缘支撑板(6)；其中，超快激光器(1)包括激光头(2)，电压源(7)包括阴极板(3)和阳极板(8)；绝缘支撑板(6)正面用于承载待加工工件(5)；超快激光器(1)通过激光头(2)向待加工工件(5)发射超快激光，在待加工工件(5)表面激发出自由电子并形成裂纹；超快激光是指脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的激光；阴极板(3)与激光头(2)位于绝缘支撑板(6)正面待加工工件(5)上方，阳极板(8)位于绝缘支撑板(6)背面且正对阴极板(3)；激光头(2)、阴极板(3)和阳极板(8)在加工路径上同步运动，且激光头(2)在加工路径上紧挨阴极板(3)正前方边缘；阴极板(3)和阳极板(8)之间产生的电场力用于牵引激光激发的自由电子向更深处运动，从而迫使裂纹向更深处扩展，直至待加工工件(5)底面。2.如权利要求1所述的一种电场牵引的硬脆材料超快激光热裂加工装置，其特征在于，超快激光器(1)的参数设定如下：功率50W～200W，激光波长355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于待加工工件材料的电声耦合特征时间，重复频率50kHz～500kHz，焦点位于待加工工件表面附近。3.如权利要求2所述的一种电场牵引的硬脆材料超快激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴寒，马修泉，张聪，李扬威，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42