陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统技术方案

一种陶瓷基复合材料的飞秒‑纳秒超脉冲激光平整加工系统，包括计算机控制系统，计算机控制系统分别与超脉冲光路系统、监控系统以及激光加工系统连接，计算机控制系统先控制超脉冲光路系统出光和参数调整，然后通过监控系统反馈光路状态，确认超脉冲光路系统正常后，最后通过激光加工系统进行样品制备；计算机控制系统包括计算机，计算机通过数字延时发生器分别连接飞秒激光器和纳秒激光器；超脉冲光路系统包括飞秒激光双脉冲序列光路、纳秒激光单脉冲序列光路以及飞秒‑纳秒激光合束光路；本发明专利技术利用飞秒激光双脉冲序列和纳秒激光单脉冲序列组合成具有脉冲时序调控及参数匹配耦合的超脉冲激光，实现陶瓷基复合材料的高效高质表面平整加工。

【技术实现步骤摘要】
陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统
本专利技术涉及陶瓷基复合材料激光加工
，具体涉及一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统。
技术介绍
连续纤维增强陶瓷基复合材料(CMC-SiC)，作为新一代陶瓷基复合材料，成为目前超高温结构复合材料研究的重点；该材料是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料，能够在高的工作温度、强气流的冲刷腐蚀和高应力的振动载荷等复杂恶劣环境下保持优异的性能，因此CMC-SiC被认为是航空航天热端部件重要的结构材料。CMC-SiC复合材料硬度为2840～3320HV，仅次于金刚石和立方氮化硼，材料各向异性，成分分布不均，多层材料热力学性能失配，使用机械加工的方法难度很大。针对材料难以平整加工的弊端与缺陷，有人提出使用激光进行加工的方法。激光作为一种新型的表面加工技术，因加工过程无刀具磨损和切削力作用于工件；可加工高硬度、高脆性以及高熔点材料；激光易于导向，容易与数控结合，适合复杂加工；而且激光束光斑直径到微米级，加工热影响区小，非常适用于超精密微细加工。因此，激光加工技术是加工陶瓷基复合材料的有效手段。研究发现，由于该材料制作工艺本身的因素，同时又具有光学/热力学各向异性的复杂属性，这给激光高效高质加工陶瓷基复合材料表面的工艺提出了很大挑战。若仅采用纳秒激光对CMC-SiC材料表面进行平整加工，加工效率高，但加工后表面质量较差，因激光的光热作用较强，从而导致加工表面产生球化效应，影响表面质量，又因为纳秒激光的脉宽较宽容易形成等离子体屏蔽现象；而具有“冷加工”效果的飞秒激光进行CMC-SiC表面平整加工后，其表面粗糙度效果相对较好，样品表面快速电离使得产生等离子体寿命较短，从而避免了等离子体屏蔽现象的产生，但仍存在加工表面轻微沉积、氧化，平整效率较低且不能大面积加工的问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统，利用飞秒激光双脉冲序列和纳秒激光单脉冲序列组合成具有脉冲时序调控及参数匹配耦合的超脉冲激光，通过超脉冲激光加工实现陶瓷基复合材料表面的高效高质表面加工。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统，包括计算机控制系统、超脉冲光路系统、监控系统以及激光加工系统，计算机控制系统分别与超脉冲光路系统、监控系统以及激光加工系统连接，计算机控制系统先控制超脉冲光路系统出光和参数调整，然后通过监控系统反馈光路状态，确认超脉冲光路系统正常后，最后通过激光加工系统进行样品制备；所述计算机控制系统包括计算机，计算机通过数字延时发生器分别连接飞秒激光器和纳秒激光器，计算机控制飞秒激光器的出光参数，出光参数为激光波长、激光功率、重复频率和脉冲个数；计算机控制纳秒激光器的出光参数，出光参数为激光波长、激光功率、重复频率、脉冲个数；计算机通过控制数字延时发生器，从而调控飞秒激光与纳秒激光的延时时间；所述超脉冲光路系统包括飞秒激光双脉冲序列光路、纳秒激光单脉冲序列光路以及飞秒-纳秒激光合束光路；飞秒激光双脉冲序列光路接收飞秒激光器出光，纳秒激光单脉冲序列光路接收纳秒激光器出光，飞秒-纳秒激光合束光路将飞秒激光双脉冲序列光路、纳秒激光单脉冲序列光路结合一起，输出端与激光加工系统连接。所述的飞秒激光双脉冲序列光路分为两条光路：固定光路和延时光路，能够调控子脉冲的延时时间、能量比例、偏振方向以及偏振态；纳秒激光单脉冲序列光路能够调控脉冲的偏振方向和偏振态；飞秒-纳秒激光合束光路将飞秒激光双脉冲序列光束与纳秒激光单脉冲光束在空间上进行合束，从而形成空间域重合、时间域可调节的超脉冲光路。所述的监控系统包括光路准直监控系统、飞秒-纳秒光路延时监控系统以及激光加工CCD监控系统，光路准直监控系统分别连接飞秒激光双脉冲序列光路以及飞秒-纳秒激光合束光路；飞秒-纳秒光路延时监控系统与飞秒-纳秒激光合束光路连接；激光加工CCD监控系统与激光加工系统连接，监控系统信号输出至所述计算机进行处理分析。所述的光路准直监控系统通过用于检测光束的空间位置，反馈其位置信号，进而对两束光束的空间位置重合度进行调整；飞秒-纳秒光路延时监控系统通过高速光电探测器监测飞秒脉冲和纳秒脉冲在时域上的延时状态，并通过示波器显示结果；激光加工CCD监控系统对加工样品进行定位以及实时查看样品加工的状态。所述的激光加工系统包括快门、激光扩束准直系统、可调光阑、聚焦物镜系统、XYZ三维运动平台，激光依次经过快门、激光扩束准直系统、可调光阑，然后通过聚焦物镜系统聚焦，最后到达XYZ三维运动平台上对加工样品进行加工。快门控制激光脉冲的脉冲个数和激光的开合，XYZ三维运动平台用于放置加工样品，且快门与XYZ三维运动平台接入计算机系统保持协同控制；激光扩束准直系统同时通过飞秒激光和纳秒激光，用于对光束进行扩束；可调光阑用于控制光束直径；聚焦物镜系统同时聚焦飞秒激光和纳秒激光，用于聚焦激光从而进行加工。利用一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统的加工方法，包括以下步骤：1)打开计算机控制系统、超脉冲光路系统、监控系统和激光加工系统的电源；2)打开计算机，对系统进行初始化设置，关闭快门；3)打开飞秒激光器，输出飞秒激光。校准飞秒激光双脉冲序列光路的空间位置；校准飞秒激光光束的能量和偏振态；校准飞秒激光双脉冲序列光路的时间位置，关闭飞秒激光器；4)打开纳秒激光器，输出纳秒激光，校准纳秒激光单脉冲序列光路，关闭纳秒激光；5)打开飞秒激光器，输出飞秒激光。打开纳秒激光器，输出纳秒激光，校准飞秒-纳秒超脉冲激光光路在空间上重合；校准飞秒-纳秒超脉冲激光光路在时间上重合；6)打开快门，校准激光扩束准直系统，关闭快门；7)进行加工：控制飞秒激光器与纳秒激光器输出的激光功率和重复重率，调整飞秒激光延时平台，获得所需要的飞秒激光双脉冲序列延迟时间Δt1，调整飞秒激光半波片和可调衰减器，获得所需子光束的偏振态以及能量比例；调整λ/4波片获取需要的偏振态；调整纳秒激光可调分光衰减器，获得所需子光束的偏振态以及能量大小；调整λ/4波片获取需要的偏振态；调整数字延迟发生器，获得所需要的飞秒-纳秒超脉冲延迟时间Δt2；调整可调光阑获得需要的光束直径大小，将待加工样品置于XYZ三维移动平台，移动XYZ三维移动平台，通过激光加工CCD监控系统观察待加工样品是否到达加工位置，并获取待加工样品聚焦平面，控制XYZ三维移动平台的参数以及扫描路径；最后，打开快门，对待加工样品进行飞秒-纳秒超脉冲激光时序耦合调控加工；如果计算机显示飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲的延迟与设定不相同，则断开数字延迟发生器与飞秒激光器和纳秒激光器的连接，控制飞秒激光器和纳秒激光器停止出光，通过实际脉冲延迟误差重置数字延迟发生器的脉冲延迟参数，并重复步骤5)至步骤7)的脉冲延迟调整，直至计算机上显示两个激光器输出激光脉冲的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统，其特征在于：包括计算机控制系统、超脉冲光路系统、监控系统以及激光加工系统，计算机控制系统分别与超脉冲光路系统、监控系统以及激光加工系统连接，计算机控制系统先控制超脉冲光路系统出光和参数调整，然后通过监控系统反馈光路状态，确认超脉冲光路系统正常后，最后通过激光加工系统进行样品制备；/n所述计算机控制系统包括计算机，计算机通过数字延时发生器分别连接飞秒激光器和纳秒激光器，计算机控制飞秒激光器的出光参数，出光参数为激光波长、激光功率、重复频率和脉冲个数；计算机控制纳秒激光器的出光参数，出光参数为激光波长、激光功率、重复频率、脉冲个数；计算机通过控制数字延时发生器，从而调控飞秒激光与纳秒激光的延时时间；/n所述超脉冲光路系统包括飞秒激光双脉冲序列光路、纳秒激光单脉冲序列光路以及飞秒-纳秒激光合束光路；飞秒激光双脉冲序列光路接收飞秒激光器出光，纳秒激光单脉冲序列光路接收纳秒激光器出光，飞秒-纳秒激光合束光路将飞秒激光双脉冲序列光路、纳秒激光单脉冲序列光路结合一起，输出端与激光加工系统连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统，其特征在于：包括计算机控制系统、超脉冲光路系统、监控系统以及激光加工系统，计算机控制系统分别与超脉冲光路系统、监控系统以及激光加工系统连接，计算机控制系统先控制超脉冲光路系统出光和参数调整，然后通过监控系统反馈光路状态，确认超脉冲光路系统正常后，最后通过激光加工系统进行样品制备；
所述计算机控制系统包括计算机，计算机通过数字延时发生器分别连接飞秒激光器和纳秒激光器，计算机控制飞秒激光器的出光参数，出光参数为激光波长、激光功率、重复频率和脉冲个数；计算机控制纳秒激光器的出光参数，出光参数为激光波长、激光功率、重复频率、脉冲个数；计算机通过控制数字延时发生器，从而调控飞秒激光与纳秒激光的延时时间；
所述超脉冲光路系统包括飞秒激光双脉冲序列光路、纳秒激光单脉冲序列光路以及飞秒-纳秒激光合束光路；飞秒激光双脉冲序列光路接收飞秒激光器出光，纳秒激光单脉冲序列光路接收纳秒激光器出光，飞秒-纳秒激光合束光路将飞秒激光双脉冲序列光路、纳秒激光单脉冲序列光路结合一起，输出端与激光加工系统连接。


2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统，其特征在于：所述的飞秒激光双脉冲序列光路分为两条光路：固定光路和延时光路，能够调控子脉冲的延时时间、能量比例、偏振方向以及偏振态；纳秒激光单脉冲序列光路能够调控脉冲的偏振方向和偏振态；飞秒-纳秒激光合束光路将飞秒激光双脉冲序列光束与纳秒激光单脉冲光束在空间上进行合束，从而形成空间域重合、时间域可调节的超脉冲光路。


3.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统，其特征在于：所述的监控系统包括光路准直监控系统、飞秒-纳秒光路延时监控系统以及激光加工CCD监控系统，光路准直监控系统分别连接飞秒激光双脉冲序列光路以及飞秒-纳秒激光合束光路；飞秒-纳秒光路延时监控系统与飞秒-纳秒激光合束光路连接；激光加工CCD监控系统与激光加工系统连接，监控系统信号输出至所述计算机进行处理分析。


4.根据权利要求3所述的一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲激光平整加工系统，其特征在于：所述的光路准直监控系统通过用于检测光束的空间位置，反馈其位置信号，进而对两束光束的空间位置重合度进行调整；飞秒-纳秒光路延时监控系统通过高速光电探测器监测飞秒脉冲和纳秒脉冲在时域上的延时状态，并通过示波器显示结果；激光加工CCD监控系统对加工样品进行定位以及实时查看样品加工的状态。


5.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料的飞秒-纳秒超脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅雪松，李国基，王文君，凡正杰，闫兆暄，张勇，刘斌，崔健磊，孙铮，运侠伦，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61