一种分段式回转扫描微孔阵列加工装置及其加工方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种分段式回转扫描微孔阵列加工装置及其加工方法，装置包括高重频超快激光器、反射镜、光阑、物镜、激光振镜、复合运动平台和旋转台。本发明专利技术的方法是利用高重频超快激光器产生飞秒量级超快脉冲，通过设定的激光路径穿过显微物镜到达工件，同时工件被夹具固定在高精度电控旋转台上，通过复合运动平台带动旋转台的径向平移以及周向旋转的配合，结合分段式加工算法，最终稳定、均匀、高效且大面积地加工出微孔阵列。本发明专利技术创新性地提出分段式算法，能够在保证每段回转加工时稳定性和微孔阵列均匀性的同时又高效地完成了大面积部分的加工；加工激光功率恒定，只需利用计算机程序简单控制平台运动即可一次性完成加工，操作简单。简单。简单。

【技术实现步骤摘要】
一种分段式回转扫描微孔阵列加工装置及其加工方法


[0001]本专利技术涉及微纳加工
，特别涉及一种分段式回转扫描微孔阵列加工装置及其加工方法。

技术介绍

[0002]激光微孔加工技术是利用激光脉冲与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行微孔扫描加工，涉及到光、机、电、计算机控制、材料特性及检测等多学科综合技术。激光微孔加工在汽车、微电子、光通讯、航天航空、生物医学、太阳能及燃料电池新能源等高新技术产业领域有广泛应用，改进以及取代了某些传统加工方式。利用超快激光直写加工微孔阵列结构具有很好的优势：超短的脉冲具有极低“热效应”，同时高功率和高精度以及和物质非线性作用的特性也使得加工出来的微孔具有亚波长的尺度、微纳米级的精度对和大多数难加工材料的加工适应性，再结合现代计算机技术和扫描算法，可以实现复杂的平面甚至曲面的三维结构加工。
[0003]目前提出的对微孔阵列的激光加工方案有：二维平面激光线性扫描加工，三维振镜激光加工。其中平面激光线性扫描使用压电位移台或者直线电机控制气浮导轨XY线性扫描，前者压电位移台具备纳米精度但加工范围和扫描速度受限，影响效率；后者范围足够，精度可达亚微米级，但线性扫描的方式在小范围内很难保持较高的加工速度的同时克服加减速中的惯性，并且XY线性扫描很难保证垂直方向扫描一致性，导轨误差会直接影响微孔加工质量，尤其是深度方向上。而三维振镜加工依靠光束的运动实现加工，虽然可以得到较完美的微孔阵列，但受限于扫描范围的限制，大面积加工效率不高，加工一个毫米量级的阵列微结构，往往需要几十个小时的时间。
[0004]吉林大学团队曾提出使用旋转台进行飞秒激光直写加工的设想，提出了第一扫描半径和第二扫描半径的概念，在三个半径区间内分别使用了恒线速度、恒角速度变功率、二维振镜加工的加工方式。但是这种方法无法很好的应用到到微孔阵列加工上，微孔阵列加工需要始终保证功率恒定使加工的微孔质量均匀，保证扫描速度恒定使微孔间距均匀。首先他们提出的恒线速度回转加工理论上是需要角速度连续变化的，但在有高旋转精度要求的同时是很难做到角速度连续变化的，其次他们提出的恒角速度变功率加工也无法保证微孔加工质量一致性，并且微孔阵列加工的连续性非常重要，同一个地方不能有重复脉冲。
[0005]因此，有必要得到一种具有高精度、高均匀度以及高加工效率的微孔阵列加工装置及其加工方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种分段式回转扫描微孔阵列加工装置及其加工方法，其目的是为了得到一种具有高精度、高均匀度的同时加工效率也高的微孔阵列加工装置及其加工方法。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种分段式回转扫描微孔阵列加工装置，包括：
[0008]高重频超快激光器，所述高重频超快激光器产生超快脉冲激光；
[0009]光阑，所述光阑设于所述高重频超快激光器的射出端，所述光阑调整所述超快脉冲激光的光路；
[0010]凸透镜，所述凸透镜设有两个且平行设置，所述凸透镜设于所述光阑的射出端；
[0011]激光振镜，所述激光振镜设于所述凸透镜远离所述光阑的一端；
[0012]复合运动平台，所述复合运动平台设于所述激光振镜的射出端，所述复合运动平台和所述激光振镜之间还设有一物镜，所述超快脉冲激光水平射出所述激光振镜后通过所述物镜并聚焦在所述复合运动平台上。
[0013]进一步的，所述高重频超快激光器与所述光阑之间，所述光阑与所述凸透镜之间均设有一反射镜。
[0014]进一步的，所述光阑处电连接有电光调制曝光开关或者声光调制曝光开关，所述电光调制曝光开关或者声光调制曝光开关通过连接计算机实现程序控制。
[0015]进一步的，两个所述凸透镜之间的间距满足出射光为平行光。
[0016]进一步的，所述复合运动平台上设有交叉的X轴与Y轴，所述Y轴上固定有一旋转台；所述旋转台上设有加工工件，所述加工工件通过一夹具固定在所述旋转台上。
[0017]本专利技术还提供了一种应用于分段式回转扫描微孔阵列加工装置的加工方法，包括如下步骤：
[0018]步骤一、将旋转台的转轴与激光光轴对准，加工工件利用夹具固定在旋转台上，根据加工工件的形状与大小设定初始加工半径为R0；
[0019]步骤二、开启旋转台，初始角速度按照初始加工半径R0计算设定为ω0；等待转台转速稳定后，启动高重频超快激光器产生超快脉冲激光，垂直射入并聚焦在加工工件表面外围的起始加工位置，分段式算法程序运行开始；分段式算法程序预先设定微孔阵列的间隔为Δs，初始角速度ω0，Y轴步进速度设定为v0，为了使每次分段区域微孔阵列间隔均匀，分段的依据为每次加工前后的半径比值为定值，设为1：p，则每次分段步进终止条件为径向步进距离ΔR
k
＝p
·
R
k
，p<1，达到终止条件的同时关闭激光曝光，径向步进停止；
[0020]步骤三、加工完第一个近环形分段，可视为又从加工半径R1＝(1
‑
p)
·
R0开始扫描，此时角速度和步进速度重新调整，调整至ω0＝ω0/(1
‑
p)，v0＝v0/(1
‑
p)，等角速度稳定后，再次开启激光曝光和Y轴径向步进；经过k次加工，加工至半径R
k
＝(1
‑
p)
k
·
R0，角速度调整至ω0/(1
‑
p)
k
，v0＝v0/(1
‑
p)
k
，由于旋转台角速度有最大值，故R
k
有最小值；初始选用高重复频率加工，可选用更低重复频率使加工最小半径R
k
更小；
[0021]步骤四、当通过调整角速度、重复频率加工至最小半径R
min
(小于1mm)时，关闭旋转台，停止步进，使用激光振镜扫描加工完剩余面积；此时在
Rmin
已知的情况下，利用激光振镜逐点曝光的方式，控制激光振镜的两轴和复合运动平台的X轴即可完成扫描加工。
[0022]进一步的，当所述加工工件的形状非圆形时，在分段式算法程序中跟据加工工件的形状划分好空行程区域，然后在空行程中设置关闭曝光。
[0023]本专利技术中的分段式算法指，根据微孔均匀度要求，利用得到的分段条件确定个分段半径范围，计算机程序先在每一段半径范围初始设定恒定的角速度，在转动稳定后配合径向移动完成该分段内高精度的螺线扫描加工，至分段末即下段半径范围初会暂时关闭曝光并停止径向平动，等待再次调整角速度至稳定后再打开曝光同时重新配合径向平动，如
此反复。期间，为了充分的提高加工效率，重复频率也进行了分段式的调整，且单个脉冲的能量大小不变。
[0024]本专利技术的上述方案有如下的有益效果：本专利技术利用超快激光微纳制造技术，结合旋转台回转加工方法，有效克服线性扫描带来的高惯性，不同于已有的旋转台激光直写方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分段式回转扫描微孔阵列加工装置，其特征在于，包括：高重频超快激光器，所述高重频超快激光器产生超快脉冲激光；光阑，所述光阑设于所述高重频超快激光器的射出端，所述光阑调整所述超快脉冲激光的光路；凸透镜，所述凸透镜设有两个且平行设置，所述凸透镜设于所述光阑的射出端；激光振镜，所述激光振镜设于所述凸透镜远离所述光阑的一端；复合运动平台，所述复合运动平台设于所述激光振镜的射出端，所述复合运动平台和所述激光振镜之间还设有一物镜，所述超快脉冲激光水平射出所述激光振镜后通过所述物镜并聚焦在所述复合运动平台上。2.根据权利要求1所述的分段式回转扫描微孔阵列加工装置，其特征在于，所述高重频超快激光器与所述光阑之间，所述光阑与所述凸透镜之间均设有一反射镜。3.根据权利要求1所述的分段式回转扫描微孔阵列加工装置，其特征在于，所述光阑电连接有电光调制曝光开关或者声光调制曝光开关，所述电光调制曝光开关或者声光调制曝光开关通过连接计算机实现程序控制。4.根据权利要求1所述的分段式回转扫描微孔阵列加工装置，其特征在于，两个所述凸透镜之间的间距满足出射光为平行光。5.根据权利要求1所述的分段式回转扫描微孔阵列加工装置，其特征在于，所述复合运动平台上设有交叉的X轴与Y轴，所述Y轴上固定有一旋转台；所述旋转台上设有加工工件，所述加工工件通过一夹具固定在所述旋转台上。6.一种分段式回转扫描微孔阵列加工方法，应用于如权利要求1
‑
5中任意一项所述的分段式回转扫描微孔阵列加工装置，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将旋转台的转轴与激光光轴对准，加工工件利用夹具固定在旋转台上，根据加工工件的形状与大小设定初始加工半径为R0；步骤二、开启旋转台，初始角速度按照初始加工半径R0计算设定为ω0；等待转台转速稳定后，启动高重频超快激光器产生超快脉冲激光，垂直射入并聚焦在加工工件表面外围的起始加工位置，分段式算法程序运行开始；分段式算法程序预先设定微孔阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：王聪，康涛，段吉安，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：