納飛秒雙激光復合加工系統技術方案

本發明專利技術涉及一種納飛秒雙激光復合加工系統。包括飛秒激光器、納秒激光器、同步控制電路、照明光源、半透半反鏡、第一二向色鏡、第二二向色鏡、聚焦透鏡和ＣＣＤ圖像探測器。同步控制電路控制飛秒激光器和納秒激光器的激光脈沖輸出，在時間上精確調節納秒與飛秒脈沖的相對時間使二者脈沖的前沿同步；照明光源位于半透半反鏡的一側，另一側為第二二向色鏡、第一二向色鏡和聚焦透鏡依次同軸放置，并與照明光源位于一條直線上；ＣＣＤ圖像探測器位于半透半反鏡的反射光路末端。本發明專利技術同時集合了飛秒激光加工精度高和納秒激光加工效率高的優點，實現了高精度、高效率可兼顧的微納加工；可廣泛應用于航空、航天關鍵零件的高精度加工、激光核聚變點火靶的微結構加工、微型傳感器微結構加工等領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種納飛秒雙激光復合加工系統，屬于超快激光與微納加工技術領 域。
技術介紹
微小型化是制造、生物、環境、信息、醫療器件等領域的普遍發展趨勢。激光是理想 的微/納制造工具之一，具有三維可控制、精度高、靈活、無接觸、無污染、材料適應性強等 特點。激光微/納制造是一個前沿的交叉學科領域，涉及機械、光學、物理、化學、材料、信息 等，可用于制造微/納尺度的機電系統、光電器件、能源器件、傳感器、執行器、流體系統、光 纖通訊系統、生物醫療/診斷儀器、芯片實驗室等。在美歐日等國家和地區已受到廣泛關 注，并在應用及基礎理論方面取得了長足的發展。納秒、飛秒等超快激光相對于毫秒、微秒等長脈沖激光以及連續激光脈沖寬度更 窄，其熱效應更小、可控性更好、適應性更強，尤其適合微納尺度加工。在單光束直寫加工過 程中，納秒激光加工具有速度快，加工效率高等優點，但受限于衍射極限，加工精度為微米 級，更適于微米制造。飛秒激光加工非金屬材料具有多光子吸收和強閾值效應，可得到小于 衍射極限的加工精度，但加工效率很低。因此采用不同激光在微納加工的不同尺度下很難 同時兼顧加工精度和效率，這制約了激光微/納制造的應用發展。
技術實現思路
本專利技術的目的是克服現有微納加工技術不能同時兼顧加工精度和效率的不足，提 供一種納飛秒雙激光復合加工系統，可同時提高微納加工精度和效率。本專利技術的納飛秒雙激光復合加工系統包括飛秒激光器、納秒激光器、同步控制電 路、照明光源、半透半反鏡、第一二向色鏡、第二二向色鏡、聚焦透鏡和CXD圖像探測器。本專利技術各部分之間的連接關系為飛秒激光器和納秒激光器分別通過信號控制線 與同步控制電路相連；照明光源位于半透半反鏡的一側，另一側為第二二向色鏡、第一二向 色鏡和聚焦透鏡依次同軸放置，并與照明光源位于一條直線上；CXD圖像探測器位于半透 半反鏡的反射光路末端，該反射光路軸線與第一二向色鏡、第二二向色鏡、聚焦透鏡的軸線 垂直。同步控制電路的作用為控制飛秒激光器和納秒激光器的激光脈沖輸出，在時間上 精確調節納秒與飛秒脈沖的相對時間使二者脈沖的前沿同步。飛秒激光器采用通用的飛秒激光器，其作用為提供超快加工熱源，提高加工精度， 并通過產生種子自由電子瞬時局部改變加工材料的特性。納秒激光器采用通用的納秒激光器，其作用為提供加工所需的大部分能量。照明光源采用普通的白光光源，其作用是照亮非金屬樣品表面，為CXD圖像探測 器獲得非金屬樣品表面的顯微圖像提供照明光。半透半反鏡可使照射的照明光分成能量相同的兩部分，一部分被半透半反鏡反射至CCD圖像探測器接收，另一部分透過半透半反鏡照亮非金屬樣品表面，而從非金屬樣品 表面反射的照明光又返回被半透半反鏡反射至CXD圖像探測器接收。第一二向色鏡和第二二向色鏡的作用是使某一波長范圍內的激光不能透射，而其 他波長的激光能夠透射。其中第一二向色鏡不能透射、只能反射飛秒激光器出射的該波長 的飛秒激光，同時其他波長的光能夠透射，其能量閾值要求大于飛秒激光的能量；第二二向 色鏡不能透射、只能反射納秒激光器出射的該波長的納秒激光，同時其他波長的光能夠透 射，其能量閾值要求大于納秒激光的能量。聚焦透鏡可采用單個的透鏡，也可采用商用的聚焦物鏡，其作用是使飛秒激光束、 納秒激光束和照明光光束聚焦到非金屬樣品表面，其能量閾值要求大于飛秒激光和納秒激 光的能量。CCD圖像探測器可采用商用的高分辨率CCD產品，其作用是接收從非金屬樣品表 面反射的照明光并進行成像，從而獲得非金屬樣品表面被加工處的顯微結構圖。本專利技術的納飛秒雙激光復合加工系統的工作過程為首先，進行加工前的共軸校準。照明光源出射的照明光依次通過半透半反鏡、第 二二向色鏡、第一二向色鏡和聚焦透鏡照射到待加工非金屬樣品表面，反射光按原路返回 直至半透半反鏡，被其反射后被CCD圖像探測器接收，根據接收圖像判斷樣品表面是否處 于聚焦焦點處。然后，進行加工過程。采用同步控制電路在時間上精確調節納秒激光器和飛秒激 光器出射脈沖的相對時間使二者脈沖的前沿同步，從飛秒激光器出射并經第一二向色鏡反 射的飛秒激光與從納秒激光器出射并經第二二向色鏡反射的納秒激光共光軸，共光路的納 秒和飛秒激光再經聚焦透鏡聚焦后照射到待加工非金屬樣品上；當飛秒激光和納秒激光的 脈沖前沿同時到達非金屬樣品表面時，飛秒激光將首先在材料中將電子激發，產生自由電 子，非金屬在瞬間內轉變為具有金屬特性的等離子體。由于納秒激光的脈沖寬度遠遠大于 飛秒激光的脈沖寬度(IO6倍)，在一個周期內，飛秒脈沖結束后，納秒激光繼續照射材料，之 前由飛秒激光產生的已形成金屬性質的該部分材料吸收納秒激光脈沖的能量，進而形成永 久的材料去除，最終完成材料的加工。有益效果本專利技術采用納飛秒雙激光復合加工技術，同時集合了飛秒激光加工精度高和納秒 激光加工效率高的優點，從而實現了高精度、高效率可兼顧的微納加工?？蓮V泛應用于航 空、航天關鍵零件的高精度加工、激光核聚變點火靶的微結構加工、微型傳感器微結構加工 等領域。附圖說明圖1為本專利技術納飛秒雙激光復合加工系統的光路原理圖；圖2為本專利技術中飛秒激光脈沖和納秒激光脈沖的時序同步示意圖；圖3為具體實施方式中用納飛秒雙激光復合加工系統熔融石英微孔的實驗效果 比較圖；其中(a)為只采用飛秒激光加工的效果圖，(b)為只采用納秒激光加工的效果圖， (c)為同時采用飛秒激光和納秒激光(時間間隔為飛秒脈沖落后納秒脈沖60ns)加工的效 果圖，(d)為同時采用飛秒激光和納秒激光(時間間隔為飛秒脈沖落后納秒脈沖30ns)加工的效果圖，(e)為同時采用飛秒激光和納秒激光(脈沖時間重合)加工的效果圖，(f)為 同時采用飛秒激光和納秒激光(時間間隔為飛秒脈沖領先納秒脈沖30ns)加工的效果圖， (g)為同時采用飛秒激光和納秒激光(時間間隔為飛秒脈沖領先納秒脈沖60ns)加工的效 果圖，(h)為四種加工方式的效果圖表(單位微米)。標號說明1-同步控制電路、2-飛秒激光器、3-納秒激光器、4-照明光源、5-CXD圖像探測器、 6-半透半反鏡、7-第二二向色鏡、8-第一二向色鏡、9-聚焦透鏡、10-非金屬待加工樣品。具體實施例方式為了更好地說明本專利技術的目的和優點，下面結合附圖和實施例對本專利技術作進一步 說明。本專利技術的納飛秒雙激光復合加工系統如圖1所示，飛秒激光器2和納秒激光器3 分別通過信號控制線與同步控制電路1相連；照明光源4位于半透半反鏡6的一側，另一側 為第二二向色鏡7、第一二向色鏡8和聚焦透鏡9依次同軸放置，并與照明光源4位于一條 直線上；CCD圖像探測器5位于半透半反鏡6的反射光路上，該反射光路軸線與第一二向色 鏡8、第二二向色鏡7、聚焦透鏡9的軸線垂直。本實施例選用鈦-藍寶石飛秒激光器，中心波長為800nm，脈沖寬度120fs，出射的 飛秒激光脈沖被第一二向色鏡8反射，第一二向色鏡不能透射而只能反射SOOnm波長附近 的激光，同時其他波長范圍的激光能夠透射。被反射的飛秒激光脈沖被聚焦透鏡9聚焦后 照射到非金屬待加工樣品10表面。納秒激光器選用Nd:YAG激光器，中心波長為355nm，脈 沖寬度為30ns，出射的納秒激光脈沖被第二二向色鏡7反射，第二二向色鏡7不能透射而只 能反射355nm波長附近的激光，同時本文檔來自技高網...

【技術保護點】
納飛秒雙激光復合加工系統，其特征在于：包括飛秒激光器、納秒激光器、同步控制電路、照明光源、半透半反鏡、第一二向色鏡、第二二向色鏡、聚焦透鏡和ＣＣＤ圖像探測器；上述各部分之間的連接關系為：飛秒激光器和納秒激光器分別通過信號控制線與同步控制電路相連；照明光源位于半透半反鏡的一側，另一側為第二二向色鏡、第一二向色鏡和聚焦透鏡依次同軸放置，并與照明光源位于一條直線上；ＣＣＤ圖像探測器位于半透半反鏡的反射光路末端，該反射光路軸線與第一二向色鏡、第二二向色鏡、聚焦透鏡的軸線垂直。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：姜瀾，蔡海龍，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]