【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光微纳加工领域，具体说是一种超声水辅助激光刻槽系统及方法。
技术介绍
1、超快激光具有脉冲持续时间短，峰值功率高的特点，通过将激光能量在极短的时间内射入材料加工区域的方式使材料表面温度瞬间升高，表面材料转化为等离子态并喷发出材料的表面，实现材料去除的目的。由于超快脉冲激光在加工过程中的热影响区非常小，几乎可以达到冷加工效果，并且具有高效、精准、环保等优点，近年来被广泛应用于微纳器件和微纳结构的加工制造，实现了微细深槽结构等的加工。
2、但由于超快激光加工微槽过程中会产生等离子体，聚集在微槽的上方，能够屏蔽激光辐射，阻碍了微槽深度进一步增加。此外，在槽深增加的过程中，加工产生的熔融飞溅物难以从槽中排出，甚至发生重凝回落至槽壁，导致激光传播至槽底部的能量不断减小，使微槽深度不再增加，并最终影响微槽的加工质量。因此，亟需提供一种通用解决方案，以实现各种材料微细深槽的高质量高效率加工。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在不足，本专利技术目的是提供一种超声水辅助激光刻槽系统及方法，该方法利用声辐射力捕获超声场中的微纳颗粒来辅助激光刻槽，通过超声波使超快激光加工过程中产生的等离子体和加工产物聚集在驻波声场固定的波节处。同时利用强力负压吸尘器将聚集的等离子体和熔融飞溅物吸走，减少等离子体和熔融飞溅物的堆积。等离子体的快速排出可以消除聚集在微槽上方的等离子气团对激光的屏蔽作用，从而提高超快激光的刻槽效率。熔融飞溅物的快速排出可以避免熔融飞溅物再次沉积在槽壁，从而提高超
2、本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种超声水辅助激光刻槽系统，包括：激光器、光束整形机构、激光加工头、三轴运动工作台、超声发射器、超声反射盘以及负压吸尘器；
3、所述激光器水平设置，用于向光束整形机构发射激光束；
4、所述光束整形机构，设置于激光器和激光加工头之间，用于将激光器输出的激光束转换成能量集中，且均匀分布的平顶光束，并输出准直激光束至激光加工头；
5、所述激光加工头，设置于光束整形机构和三轴运动工作台之间，且激光加工头设于三轴运动工作台正上方，用于聚焦光束整形机构输出的准直激光束，以形成用于加工工件的激光能束，并作用于工件上以加工工件；
6、所述三轴运动工作平台，用于夹持工件，并通过x/y/z三轴联动在三维空间内完成预设的激光刻槽运动轨迹；
7、所述超声发射器设置于三轴运动工作台上，用于发射超声波至超声反射盘；
8、所述超声反射盘设置于三轴运动工作台上，用于反射超声发射器发射的超声波，反射回的超声波与入射超声波相互叠加，形成驻波声场，通过声辐射力捕捉置于驻波声场中的工件在加工过程中产生的等离子体和熔融飞溅物，使等离子体和熔融飞溅物聚集在驻波声场固定的波节处，并通过负压吸尘器吸取回收并排出聚集的等离子体和加工产物；
9、所述负压吸尘器，设置于三轴运动工作台与激光加工头之间，通过真空负压作用收集和排出聚集的等离子体和加工产物。
10、所述激光器为超快激光器；
11、所述激光器产生的激光包括：皮秒激光或飞秒激光；所述激光器产生的激光的脉宽范围为：300fs～5ps。
12、所述光束整形机构，包括：顺次设置的可变光阑和扩束镜；
13、所述可变光阑，用于滤除激光束的边缘杂光；
14、所述扩束镜，用于将准直输入光束的直径扩大，并扩大到要求输出直径的准直输出光束。
15、所述激光加工头包括：扫描振镜和聚焦透镜；
16、所述扫描振镜为：由一对xy方向的扫描振镜构成，用于实现入射激光束的偏转扫描；所述扫描振镜设于聚焦透镜正上方，且接收到光束整形机构入射的激光光束后，反射至聚焦透镜；
17、所述聚焦透镜用于使激光光束聚焦，并作用至工件上，以进行激光加工。
18、所述激光器、光束整形机构以及激光加工头中的扫描振镜同轴设置，且设于同一水平面上。
19、所述超声发射器，包括：超声波电源、压电换能器、变幅杆以及辐射端；
20、所述超声波电源与压电换能器连接，用于为压电换能器提供工作时所必需的超声电功率；
21、所述压电换能器，用于将超声波电源发出的超音频电振荡信号转换成机械振动的形式，并通过变幅杆将振幅放大后，通过辐射端将发射的超声波聚焦成设定的方向进行发射；
22、所述压电换能器，包括：从后至前依次相贴接的后盖板、压电陶瓷片、铜电极片和前盖板，并通过预紧螺栓紧固组合形成一个纵向振动单元。
23、所述超声发射器设置在三轴运动工作台的工作平面的一侧，超声反射盘设置在三轴运动工作台的工作平面的另一侧，所述超声发射器与超声反射盘相对设置，且二者之间的三轴运动工作台的工作平面上安装有工件。
24、一种超声水辅助激光刻槽系统的刻槽方法，包括以下步骤：
25、步骤1)设置加工方式及加工参数；启动激光器，向水平方向的光束整形机构(2)发射激光；
26、步骤2)将待加工的工件装夹在三轴运动工作台的工作平面上，向冷却水槽中注入定量的冷却水至浸泡待加工的工件只保留顶面在空气中；
27、步骤3)通过plc控制三轴运动工作台，带动工件在xyz三轴方向移动，并到达待加工位置；
28、步骤4)激光器发射的激光经过光束整形机构和激光加工头以形成用于加工工件的激光能束，并作用于工件上以进行加工工序；
29、步骤5)启动超声发射器，超声发射器发射的超声波与超声反射盘反射的超声波形成驻波声场，以聚集加工时产生的等离子体和熔融飞溅物在驻波声场固定的波节处；
30、步骤6)启动负压吸尘器，通过真空负压作用收集并排出驻波声场波节处的等离子体和熔融飞溅物，完成一件工件的加工流程。
31、所述加工参数为：加工槽宽度范围0.1mm～3mm，最大加工深宽比大于10:1。
32、步骤5)中，所述启动超声发射器，超声发射器发射的超声波与超声反射盘反射的超声波形成驻波声场，具体为：
33、启动超声发射器，超声电源产生的电压通过超声发射器传导到压电陶瓷上，使压电陶瓷发生振动，由压电陶瓷产生的振动引起周围介质的振动，进而产生超声波，所述超声波经超声反射盘反射，反射回来的超声波与入射超声波相互叠加，形成驻波声场，通过声辐射力捕捉置于驻波声场中的工件在加工过程中产生的等离子体和熔融飞溅物，使等离子体和熔融飞溅物聚集在驻波声场固定的波节处。
34、本专利技术具有以下有益效果及优点：
35、1.本专利技术利用声辐射力捕获超声场中的微纳颗粒来辅助激光刻槽，通过超声波使超快激光加工过程中产生的等离子体和加工产物聚集在驻波声场固定的波节处。
36、2.本专利技术利用冷却水辅助冷却加工，减小了工件背面产生的热影响区，从而提高了工件的加工质量；
37、3.本专利技术等离子体的快速排出可本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，包括：激光器(1)、光束整形机构(2)、激光加工头(3)、三轴运动工作台(4)、超声发射器(5)、超声反射盘(6)以及负压吸尘器(7)；
2.根据权利要求1所述的一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，所述激光器(1)为超快激光器；
3.根据权利要求1所述的一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，所述光束整形机构(2)，包括：顺次设置的可变光阑和扩束镜；
4.根据权利要求1所述的一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，所述激光加工头(3)包括：扫描振镜和聚焦透镜；
5.根据权利要求1所述的一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，所述激光器(1)、光束整形机构(2)以及激光加工头(3)中的扫描振镜同轴设置，且设于同一水平面上。
6.根据权利要求1所述的一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，所述超声发射器(5)，包括：超声波电源、压电换能器、变幅杆以及辐射端；
7.根据权利要求1所述的一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，所述超声发射器(5)设置在三轴运动工作台(4
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种超声水辅助激光刻槽系统的刻槽方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种超声水辅助激光刻槽系统的刻槽方法，所述加工参数为：加工槽宽度范围0.1mm～3mm，最大加工深宽比大于10:1。
10.根据权利要求8所述的一种超声水辅助激光刻槽系统的刻槽方法，步骤5)中，所述启动超声发射器(5)，超声发射器(5)发射的超声波与超声反射盘(6)反射的超声波形成驻波声场，具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，包括：激光器(1)、光束整形机构(2)、激光加工头(3)、三轴运动工作台(4)、超声发射器(5)、超声反射盘(6)以及负压吸尘器(7)；
2.根据权利要求1所述的一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，所述激光器(1)为超快激光器；
3.根据权利要求1所述的一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，所述光束整形机构(2)，包括：顺次设置的可变光阑和扩束镜；
4.根据权利要求1所述的一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，所述激光加工头(3)包括：扫描振镜和聚焦透镜；
5.根据权利要求1所述的一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，所述激光器(1)、光束整形机构(2)以及激光加工头(3)中的扫描振镜同轴设置，且设于同一水平面上。
6.根据权利要求1所述的一种超声水辅助激光刻槽系统，其特征在于，所述超声发射器(5)，...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩东宇，乔红超，赵吉宾，曹治赫，韩晓龙，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：
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