飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置及方法，该装置包括激光光源装置，扫描控制部，光束聚焦部，材料加工部，方案控制部，扫描控制部输入端与激光光源装置的输出端相连接，并接收方案控制部的反馈信号进行实时的监控与调节；方案控制部通过计算机分别与激光光源装置的驱动电路、扫描控制部的空间反射光学元件组合、光束聚焦部的一维电动位移平台连接。本方法可以加工损伤阈值较高的透明材料，通过对激光参数、焦斑半径以及扫描路径的精密控制，可以对材料进行各种表面微结构的处理与加工，在不需要其他精密器件的前提下，可获得几微米的加工精度。同时可以减少对激光功率的要求，节省了激光器的购置与使用成本。

Femtosecond Fiber Backward Shock Wave Applied to Surface Ultrafine Machining Device and Method

The invention relates to a femtosecond filament backward shock wave for surface superfine processing device and method. The device comprises a laser light source device, a scanning control unit, a beam focusing unit, a material processing unit, a scheme control unit, a scanning control unit input terminal connected with the output terminal of the laser light source device, and a real-time monitoring and adjustment scheme by receiving the feedback signal of the scheme control unit. The control unit is connected with the driving circuit of the laser light source device, the combination of space reflection optical elements of the scanning control unit and the one-dimensional electric displacement platform of the beam focusing unit by the computer. This method can process transparent materials with high damage threshold. By precisely controlling laser parameters, focal radius and scanning path, various surface microstructures can be processed and processed. Without other precise devices, the processing accuracy of several microns can be obtained. At the same time, the requirement of laser power can be reduced, and the purchase and use cost of laser can be saved.

【技术实现步骤摘要】
飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置及方法
本专利技术涉及一种激光加工装置，尤其是一种用于表面超精细加工装置及方法。
技术介绍
激光加工是最广泛和常用的一种利用激光与物质相互作用的效应进行加工的一类应用。激光可以达到很高的瞬时功率密度，通过聚聚焦将激光能量集中在微米级尺寸内，便实现多种材料的切割、沉积、蚀刻等等。近年来，在液体当中用激光加工的方法对材料表面微结构进行处理已经成为了一种新兴的方法。聚焦后的激光在液体中与物质作用，可以将与其作用的物质电离，产生蒸汽和等离子体，因此液体当中形成微小气泡、冲击波以及光丝等现象，微小气泡当中聚集了高温高压的蒸汽环境，从而实现对材料表面结构的修饰和处理。然而，在液体当中虽然有能形成局部高温高压环境的优势，但是也存在其他弊端。由于激光束要先从液体当中传输一段距离，才能到达与液体接触的材料表面，液体会对激光的传输造成很大影响，即使是纯水溶液，也会造成激光功率的衰减，若采用非线性介质溶液，则由于溶液的非线性吸收将造成激光的进一步衰减，影响表面加工效率与加工精度。更严重的是激光在材料表面附近液体中聚焦，将在微米尺度内产生上千度的热区，该热区内的水将迅速汽化，产生微米量级的气泡。这些气泡对激光光束的散射，导致激光到达材料表面的能量只有原有的10％，该问题也是目前溶液中加工最难解决的问题。微米气泡的产生大大影响加工的质量和精度，增加了产品的次品率和废品率。因此，材料加工领域急需一种能够提高加工效率和加工精度，且大幅降低激光传输过程的能量衰减的加工手段。这也是当前世界范围激光加工领域的热点与难点。
技术实现思路
本专利技术提出一种飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置及方法，该装置及方法使激光透过材料，随后高峰值功率的激光脉冲前沿通过多光子效应将溶液分子电离，而电离后的电子受到脉冲的后沿加速，在溶液当中形成等离子通道。由光丝形成的芯径50微米左右的等离子通道中，温度达上千度>3000K。因此光丝与周围溶液存在一个较大的温度梯度，导致光丝附近的溶液受热膨胀，对周围的晶格形成冲击，最终形成光丝冲击波，利用该超声波可以实现材料表面的微结构加工。相比原有方法可以显著减少激光在溶液当中传输时造成的功率衰减与散射、折射等问题，达到更高的加工精度和更好的加工效果。本方法可以加工损伤阈值较高的透明材料，通过对激光参数、焦斑半径以及扫描路径的精密控制，可以对材料进行各种表面微结构的处理与加工，在不需要其他精密器件的前提下，可获得几微米的加工精度。同时可以减少对激光功率的要求，节省了激光器的购置与使用成本。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置，用于在高损伤阈值透明材料表面实现微纳结构加工，包括：激光光源装置、扫描控制部、光束聚焦部、材料加工部、方案控制部，所述的扫描控制部输入端与激光光源装置的输出端相连接，并接收方案控制部的反馈信号进行实时的监控与调节；所述的光束聚焦部输入端与扫描振镜部的输出端相连接；所述的材料加工部连接扫描振镜部的输出端；所述激光光源装置：包含用于产生激光光束的激光装置；由驱动电路、激光器组成；激光器的电源输入端连接驱动电路，输出端作为激光光源装置的输出端；输出的激光功率由驱动电路输入激光器的电流控制；所述扫描控制部：包括光纤隔离器、光纤与空间光路转换器、空间聚焦光学元件组合、空间反射光学元件组合，用于实现激光光束对材料表面的移动扫描：所述的光纤隔离器的输入端与激光光源装置通过光纤连接；所述的光纤隔离器的输出端与光纤与空间光路转换器通过光纤连接；所述的光纤与空间光路转换器的输出端与空间聚焦光学元件组合通过空间连接；所述的空间发射光学元件组合的输入端与空间聚焦光学元件组合通过空间连接，输出端作为扫描控制部的输出端口；所述光束聚焦部：包括空间聚焦透镜组合、一维电动位移平台，用于将激光光束聚焦到材料表面；空间聚焦透镜组合的输入端与扫描控制部的输出端口通过空间连接，输出端作为光束聚焦部的输出端口，一维电动位移平台用于固定和位移空间聚焦透镜组合；所述材料加工部：包括材料固定装置、CCD相机、显微镜装置、溶液、材料和溶液中的光丝，所述材料固定在材料固定装置的簸箕形的出口处，以及光束聚焦部的输出端口，溶液放入材料固定装置的容器中；材料固定装置的上方设置一台与CCD相机连接的显微镜装置，用于监控材料表面微结构的变化，实现材料的加工和实时监控；所述方案控制部通过计算机分别与激光光源装置的驱动电路、扫描控制部的空间反射光学元件组合、光束聚焦部的一维电动位移平台连接，并控制激光光源装置，扫描控制部，光束聚焦部，材料加工部的相互通信和协调工作。进一步，所述的激光光源装置所使用的激光器的类型为光纤激光器、固体激光器、气体激光器、以及半导体激光器中的一种；所使用的激光器的输出波长为紫外200-400nm、可见400-700nm、红外700-10000nm。进一步，所加工的材料为光学透明材料，，材料在材料固定装置的簸箕形的出口处采用防漏结构，防止溶液泄露；材料加工部的四周设有阻挡散射激光的隔板，以保护操作人员的人身安全。进一步，所述激光器输出的峰值功率P激光大于材料中形成光丝的功率阈值PC，Pc＝3.77λ2/8πn0n2，其中λ为激光输出波长，n0为溶液线性折射率，n2为溶液二阶非线性折射率，所述的激光器输出脉宽为0-500皮秒。进一步，所述的方案控制部为控制激光光源装置和扫描振镜部的控制装置；所述的方案控制部通过在观察到表面微结构的深度信息和位置信息后，分别反馈给激光光源装置和扫描振镜部，以便于及时纠错和调整光束的功率和位置。进一步，所述的溶液为透光的纯净水呀金属及金属氧化物的纳米溶液。一种采用飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置的加工方法，首先，材料加工部固定所需加工的材料，并且使材料的后表面和光束的焦平面处在同一平面上；由激光光源装置产生所需的激光光束；扫描控制部控制激光光束的焦斑半径大小，调整光束的方向，并接受来自方案控制部的反馈，以便于按照既定方案进行扫描加工；光束聚焦部将飞秒激光光束聚焦在材料表面进行加工；方案控制部输入表面微结构的具体加工扫描方案，然后按照输入的方案分别控制激光光源装置和扫描控制部进行加工；同时监控材料表面微结构的变化，将信号反馈给激光光源装置和扫描控制部，使其根据情况调整相应的光束功率和光束位置。进一步，所述激光光源装置输出的高功率激光在溶液中聚焦，当激光器输出的峰值功率P激光大于溶液中形成光丝的功率阈值PC时，所述激光在溶液中引发光丝现象，高峰值功率的激光脉冲前沿通过多光子效应将溶液分子电离，而电离后的电子受到脉冲的后沿加速在溶液中形成一条等离子体通道，由光丝形成的芯径50微米的等离子通道中，温度达>3000K，光丝与周围溶液存在温度梯度，导致光丝附近的溶液受热膨胀，对周围的晶格形成超声冲击，该超声冲击最终推动水流形成冲击波，利用该冲击波实现材料表面的微结构加工，同时，由于最终等离子体的自散焦作用与激光的自聚焦效应在光丝中将实现动态平衡，光丝中的光强被钳制在一个恒定强度，该恒定强度可提升光丝背向冲击波，用于加工的稳定性。本专利技术的有益效果在于：1、激光光束能够直接透过材料到达与液体接触的材料表面，不会使激光光束接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置，用于在高损伤阈值透明材料表面实现微纳结构加工，包括：激光光源装置(100)、扫描控制部(200)、光束聚焦部(300)、材料加工部(400)、方案控制部(500)，其特征在于：所述的扫描控制部(200)输入端与激光光源装置(100)的输出端相连接，并接收方案控制部(500)的反馈信号进行实时的监控与调节；所述的光束聚焦部(300)输入端与扫描振镜部(200)的输出端相连接；所述的材料加工部(400)连接扫描振镜部(200)的输出端；所述激光光源装置(100)：包含用于产生激光光束的激光装置；由驱动电路(101)、激光器(102)组成；激光器(102)的电源输入端连接驱动电路(101)，输出端作为激光光源装置(100)的输出端；输出的激光功率由驱动电路(101)输入激光器(102)的电流控制；所述扫描控制部(200)：包括光纤隔离器(201)、光纤与空间光路转换器(202)、空间聚焦光学元件组合(203)、空间反射光学元件组合(204)，用于实现激光光束对材料表面的移动扫描：所述的光纤隔离器(201)的输入端与激光光源装置(100)通过光纤连接；所述的光纤隔离器(201)的输出端与光纤与空间光路转换器(202)通过光纤连接；所述的光纤与空间光路转换器的输出端与空间聚焦光学元件组合(203)通过空间连接；所述的空间发射光学元件组合(204)的输入端与空间聚焦光学元件组合(203)通过空间连接，输出端作为扫描控制部(200)的输出端口；所述光束聚焦部(300)：包括空间聚焦透镜组合(301)、一维电动位移平台(302)，用于将激光光束聚焦到材料表面；空间聚焦透镜组合(301)的输入端与扫描控制部(200)的输出端口通过空间连接，输出端作为光束聚焦部(300)的输出端口，一维电动位移平台(302)用于固定和位移空间聚焦透镜组合(301)；所述材料加工部(400)：包括材料固定装置(401)、CCD相机(402)、显微镜装置(403)、溶液(404)、材料(405)和溶液中的光丝(406)，所述材料(405)固定在材料固定装置(401)的簸箕形的出口处，以及光束聚焦部(300)的输出端口，溶液(403)放入材料固定装置(401)的容器中；材料固定装置(401)的上方设置一台与CCD相机(402)连接的显微镜装置(403)，用于监控材料表面微结构的变化，实现材料(405)的加工和实时监控；所述方案控制部(500)通过计算机分别与激光光源装置(100)的驱动电路(101)、扫描控制部(200)的空间反射光学元件组合(204)、光束聚焦部(300)的一维电动位移平台(302)连接，并控制激光光源装置(100)，扫描控制部(200)，光束聚焦部(300)，材料加工部(400)的相互通信和协调工作。...

【技术特征摘要】
1.一种飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置，用于在高损伤阈值透明材料表面实现微纳结构加工，包括：激光光源装置(100)、扫描控制部(200)、光束聚焦部(300)、材料加工部(400)、方案控制部(500)，其特征在于：所述的扫描控制部(200)输入端与激光光源装置(100)的输出端相连接，并接收方案控制部(500)的反馈信号进行实时的监控与调节；所述的光束聚焦部(300)输入端与扫描振镜部(200)的输出端相连接；所述的材料加工部(400)连接扫描振镜部(200)的输出端；所述激光光源装置(100)：包含用于产生激光光束的激光装置；由驱动电路(101)、激光器(102)组成；激光器(102)的电源输入端连接驱动电路(101)，输出端作为激光光源装置(100)的输出端；输出的激光功率由驱动电路(101)输入激光器(102)的电流控制；所述扫描控制部(200)：包括光纤隔离器(201)、光纤与空间光路转换器(202)、空间聚焦光学元件组合(203)、空间反射光学元件组合(204)，用于实现激光光束对材料表面的移动扫描：所述的光纤隔离器(201)的输入端与激光光源装置(100)通过光纤连接；所述的光纤隔离器(201)的输出端与光纤与空间光路转换器(202)通过光纤连接；所述的光纤与空间光路转换器的输出端与空间聚焦光学元件组合(203)通过空间连接；所述的空间发射光学元件组合(204)的输入端与空间聚焦光学元件组合(203)通过空间连接，输出端作为扫描控制部(200)的输出端口；所述光束聚焦部(300)：包括空间聚焦透镜组合(301)、一维电动位移平台(302)，用于将激光光束聚焦到材料表面；空间聚焦透镜组合(301)的输入端与扫描控制部(200)的输出端口通过空间连接，输出端作为光束聚焦部(300)的输出端口，一维电动位移平台(302)用于固定和位移空间聚焦透镜组合(301)；所述材料加工部(400)：包括材料固定装置(401)、CCD相机(402)、显微镜装置(403)、溶液(404)、材料(405)和溶液中的光丝(406)，所述材料(405)固定在材料固定装置(401)的簸箕形的出口处，以及光束聚焦部(300)的输出端口，溶液(403)放入材料固定装置(401)的容器中；材料固定装置(401)的上方设置一台与CCD相机(402)连接的显微镜装置(403)，用于监控材料表面微结构的变化，实现材料(405)的加工和实时监控；所述方案控制部(500)通过计算机分别与激光光源装置(100)的驱动电路(101)、扫描控制部(200)的空间反射光学元件组合(204)、光束聚焦部(300)的一维电动位移平台(302)连接，并控制激光光源装置(100)，扫描控制部(200)，光束聚焦部(300)，材料加工部(400)的相互通信和协调工作。2.根据权利要求1所述的飞秒光丝背向冲击波用于表面超精细加工装置，其特征在于：所述的激光光源装置(100)所使用的激光器的类型为光纤激光器、固体激光器、气体激光器、以及半导体激光器中的一种；所使用的激光器的输出波长为紫外200-400nm、可见400-700nm、红外700-10000nm。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁帅，聂源，徐晖，杜迎生，曾和平，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31