一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法技术

本发明专利技术提供一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法，主要解决现有激光加工方式加工的微孔深径比不能满足要求的问题。该方法将飞秒激光空间整形长焦深光束沿光轴方向步进移动，从而进行多脉冲激光拼接加工微孔，提高了微孔加工深径比。同时，本发明专利技术方法采用倒置加工，使激光可以在透明基板内连续聚焦。此外，本发明专利技术方法在透明基板下设置水膜层，采用毛细作用提高制造微孔的通透率。用提高制造微孔的通透率。用提高制造微孔的通透率。

【技术实现步骤摘要】
一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法


[0001]本专利技术属于激光加工领域，具体涉及一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法。

技术介绍

[0002]随着航空航天技术的不断更新，航空发动机叶片、喷油嘴、频率选择面等部件需要加工各类微小孔以满足越来越严苛的要求。超快激光加工技术由于具有无热效应、无应力、柔性度高等优点，已逐渐成为航空航天领域的关键制造技术。
[0003]飞秒激光制孔是一种无接触微孔制造方法，该方法具有加工尺度小、加工质量高等优势，并且该方法通过光束整形可以极大提升微孔制造的深径比，在透明材料上加工的微孔深径比可达几百比一，但是，其仍不能满足相关应用领域深径比的需求。
[0004]为了进一步提高微孔制造的深径比，中国专利CN108747059A公开了一种飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置，该装置中的激光经过两透镜聚焦后在待加工样品上形成的微孔直径相等，调节两聚焦透镜，使两个独立的光丝在空间上共线并且首尾叠加，形成一个延长的均匀光丝，从而提高微孔的深径比。但是，上述加工方法仍存在以下不足：1)通过两组不同光路分别形成的激光光丝的光能分布不一致，导致延长的光丝不均匀，降低了微孔一致性；2)分光后形成的光丝采用首尾叠加方式，使得光路复杂，且叠加长度有限。

技术实现思路

[0005]针对现有激光加工的微孔深径比不能满足要求的问题，本专利技术提供一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法，该方法是一种基于飞秒激光空间整形、倒置拼接加工等实现透明材料大深径比微孔加工的方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一、设置飞秒激光贝塞尔光束加工系统；
[0009]所述飞秒激光贝塞尔光束加工系统包括飞秒激光器、以及依次设置在飞秒激光器输出光路上的扩束镜、波片、光阑和光束整形模块；所述光束整形模块包括依次设置的锥透镜、第一平凸透镜、第二平凸透镜；
[0010]步骤二、将透明材料试片放置在XYZ三轴的运动平台上；
[0011]步骤三、移动运动平台，将飞秒激光器形成的贝塞尔光束对焦在透明材料试片内部，随后触发飞秒激光器输出一个激光脉冲，实现透明材料试片内单个微孔的加工；
[0012]步骤四、调整锥透镜和第一平凸透镜、第二平凸透镜的光学间距，并移动运动平台的X轴或Y轴，再次触发飞秒激光器输出一个激光脉冲，在透明材料试片内不同位置再次加工形成微孔；
[0013]步骤五、重复步骤四，得到不同光学间距下激光脉冲在透明材料试片内加工的多
个微孔；
[0014]步骤六、从透明材料试片的侧面测量微孔的直径和深度，得到不同光学间距与微孔加工直径、深度的关系；
[0015]步骤七、在运动平台上放置一块光学平晶，并在光学平晶上方滴加去离子水或蒸馏水，并将待加工的透明基板放置在光学平晶上，使光学平晶与透明基板之间形成一层水膜，要求水膜厚度在0.01mm～0.02mm；
[0016]步骤八、根据步骤六获取的光学间距与微孔加工直径、深度的关系，同时，根据需要加工的微孔直径，调整锥透镜和第一平凸透镜、第二平凸透镜的光学间距；
[0017]步骤九、将飞秒激光器贝塞尔光束的激光焦点聚焦在透明基板下表面，触发飞秒激光器输出一个激光脉冲，实现单个微孔加工；
[0018]步骤十、根据步骤六得到的光学间距与微孔加工直径、深度的关系，由加工的微孔直径得到微孔的加工深度，根据该加工深度，将激光焦点沿Z轴上移，再次触发飞秒激光器输出一个激光脉冲，此次加工的微孔与步骤九加工的微孔连接；
[0019]步骤十一、重复步骤十，直至微孔深度满足加工要求。
[0020]进一步地，步骤六中，将透明材料试片的侧面对准光学显微镜，从微孔侧面测量微孔的直径和深度，从而得到不同光学间距与微孔加工直径、深度的关系。
[0021]进一步地，步骤七中，在光束整形模块一侧固定千分表，移动运动平台的Z轴，采用千分表分别测量光学平晶和透明基板的厚度，计算得到水膜厚度。
[0022]与现有技术相比，本专利技术方法具有如下有益效果：
[0023]本专利技术提供了一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法，该方法将飞秒激光空间整形长焦深光束沿光轴方向步进移动，从而进行多脉冲激光拼接加工微孔，提高了微孔加工深径比。同时，本专利技术采用倒置(从基板底部向上开始加工)加工，使激光可以在透明基板内连续聚焦。此外，本专利技术在透明基板下设置水膜层，采用毛细作用提高制造微孔的通透率。
附图说明
[0024]图1为本专利技术透明材料超大深径比微孔激光加工方法的流程图；
[0025]图2为本专利技术飞秒激光贝塞尔光束加工系统的光路示意图；
[0026]图3为本专利技术飞秒激光贝塞尔光束加工系统的结构示意图；
[0027]图4为本专利技术方法中水膜设置示意图。
[0028]附图标记：1
‑
飞秒激光器，2
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扩束镜，3
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波片，4
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光阑，5
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光束整形模块，6
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反射镜，7
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光学平晶，8
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透明基板，9
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水膜，10
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运动平台，11
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贝塞尔光束，51
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锥透镜，52
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第一平凸透镜，53
‑
第二平凸透镜。
具体实施方式
[0029]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本专利技术的技术原理，目的并不是用来限制本专利技术的保护范围。
[0030]本专利技术提供了一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法，该方法将飞秒激光空
间整形长焦深光束沿光轴方向步进移动，从而实现多脉冲激光拼接加工微孔，相比现有方法，该方法加工难度下降且深径比大幅提升；同时，本专利技术在透明基板下设置水膜层，采用毛细作用疏通微孔，微孔通透率提高。
[0031]如图1所示，本专利技术透明材料超大深径比微孔激光加工方法具体包括以下步骤：
[0032]步骤一、设置飞秒激光贝塞尔光束加工系统；
[0033]如图2和图3所示，飞秒激光贝塞尔光束加工系统包括飞秒激光器1、以及依次设置在飞秒激光器1输出光路上的扩束镜2、波片3、光阑4和光束整形模块5；同时，也可在光阑4和光束整形模块5之间设置单个或多个反射镜6，使得加工系统中各部件的位置设置更加合理；
[0034]飞秒激光器1输出光束经过扩束镜2、波片3、光阑4后进入光束整形模块5，使飞秒激光器1的高斯光束变为长焦深的贝塞尔光束11；上述光束整形模块5包括依次设置的锥透镜51、第一平凸透镜52、第二平凸透镜53，可采用调节结构改变三个锥透镜51、第一平凸透镜52、第二平凸透镜53之间的光学间距，光学间距调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、设置飞秒激光贝塞尔光束加工系统；所述飞秒激光贝塞尔光束加工系统包括飞秒激光器、以及依次设置在飞秒激光器输出光路上的扩束镜、波片、光阑和光束整形模块；所述光束整形模块包括依次设置的锥透镜、第一平凸透镜、第二平凸透镜；步骤二、将透明材料试片放置在XYZ三轴的运动平台上；步骤三、移动运动平台，将飞秒激光器形成的贝塞尔光束对焦在透明材料试片内部，随后触发飞秒激光器输出一个激光脉冲，实现透明材料试片内单个微孔的加工；步骤四、调整锥透镜和第一平凸透镜、第二平凸透镜的光学间距，并移动运动平台的X轴或Y轴，再次触发飞秒激光器输出一个激光脉冲，在透明材料试片内不同位置再次加工形成微孔；步骤五、重复步骤四，得到不同光学间距下激光脉冲在透明材料试片内加工的多个微孔；步骤六、从透明材料试片的侧面测量微孔的直径和深度，得到不同光学间距与微孔加工直径、深度的关系；步骤七、在运动平台上放置一块光学平晶，并在光学平晶上方滴加去离子水或蒸馏水，并将待加工的透明基板放置在光学平晶上，使光学平晶与透明基板之间形成一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，谭羽，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：