【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及精密特种加工，尤其涉及自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置及方法。
技术介绍
1、随着航空航天、医疗器械、兵器工业、微电子工业等高精密领域的快速发展，对多级复杂微纳结构的需求日益增加，尤其以大面积复杂微纳结构为典型代表，而这正是传统机械加工方法难以实现的。
2、目前大面积微结构的加工存在尺寸单一、覆盖面积小等缺点，而如何在自由复杂曲面上实现高效、高质量大面积复杂多级微纳结构的加工，更是亟待解决的难题。
3、激光加工作为一种特种加工手段，具有无接触、无切削力、热影响小等优势，在复杂微纳结构加工领域具有显著优势。激光根据激光脉冲宽度可分为连续激光、长脉冲激光、短脉冲激光和超短脉冲激光，在连续激光和长脉冲激光加工下，材料表面的温度较高，具有明显的热影响层，但其加工效率高；在短脉冲激光加工下，材料表面的热影响层较小，其加工效率也较高；而在超短脉冲激光作用下，加工时材料表面温度低，因此表面几乎没有热影响区，但是其加工效率低。目前，已有一种纳飞秒双波段激光加工微孔方法及装置(cn117001184a)，但是其所加工结构单一，未能实现多级结构加工；一种双光束超快激光高效微纳加工方法及装置(cn 116604191 a)其仅能在平面上加工，未能实现自由曲面的加工，而且其仅用超快激光进行加工，存在加工效率低的问题。
4、综上，目前的常规激光加工实现微结构加工时，也存在复杂微纳结构加工结构单一、效率低、缺陷多、成品质量差等问题。因此，亟需一种可实现平面以及自由曲面的复杂微纳结构高效制备方法。p>
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置及方法，以解决目前常规激光加工微结构时，存在的加工结构单一、效率低、缺陷多、成品质量差的问题。
2、为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，该装置包括：控制模块、激光模块、ccd监测模块、多轴数控模块以及支撑模块；所述支撑模块分别支撑控制模块、激光模块、ccd监测模块和多轴数控模块；所述控制模块分别控制所述激光模块和所述多轴数控模块，通过所述ccd监测模块监测待加工工件的表面信息。
4、优选的，所述激光模块包括：纳秒激光器、飞秒激光器、衰减器、二向色镜、轴棱锥镜、聚焦透镜和二维振镜；所述纳秒激光器和/或飞秒激光器发射出的激光分别经过所述二向色镜、衰减器、聚焦透镜和/或二维振镜、轴棱锥镜、和聚焦透镜作用在工件表面实现自由曲面多级复杂微纳结构的加工；所述控制模块能同时控制激光模块各部件的加工参数、位置和角度，来实现激光的聚焦加工。
5、优选的，所述衰减器、二向色镜、轴棱锥镜、聚焦透镜和二维振镜耦合于一个光束耦合腔中。
6、优选的，还包括：快门、扩束器和反射镜；所述纳秒激光器和/或飞秒激光器发射出的激光分别经过所述快门和扩束器，经过所述反射镜改变光路进入到所述光束耦合腔中。
7、优选的，所述ccd监测模块包括二向色镜、聚焦透镜和ccd相机；所述激光模块加工过程中产生反射信号，透过所述二向色镜，再通过所述聚焦透镜，在所述ccd相机上成像，实现加工过程原位监测。
8、优选的，所述支撑模块包括：光学平台、光学面包板和龙门；所述龙门安装在所述光学平台上，所述光学面包板固定于龙门上表面。
9、优选的，所述多轴数控模块包括：x轴方向滑台、y轴方向滑台、z轴方向滑台、绕x轴转台以及绕z轴转台；所述x轴方向滑台固定于光学平台上，所述z轴方向滑台固定于所述x轴方向滑台上，所述y轴方向滑台固定于所述z轴方向滑台上，所述y轴方向滑台上安装所述绕x轴转台，所述绕x轴转台上安装所述绕z轴转台。
10、优选的，还包括：外壳和除尘模块；所述外壳设置在装置外部；所述除尘模块有一进气口和一吸尘口分别安装在所述外壳上。
11、自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备方法，该方法包括如下步骤：
12、打开所述控制模块，将工件装夹于所述绕z轴转台上，再利用所述ccd相机和所述x轴方向滑台、y轴方向滑台、z轴方向滑台、绕x轴转台以及绕z轴转台调节工件的位置，并完成聚焦；
13、通过所述控制模块调节所述纳秒激光器的激光参数，确定工件微结构的加工路径，控制模块同时控制所述纳秒激光器的开关和所述x轴方向滑台、y轴方向滑台、z轴方向滑台、绕x轴转台以及绕z轴转台的移动，利用纳秒激光对工件自由曲面进行快速制备微结构，制备完毕后关闭纳秒激光器；
14、通过所述控制模块调节所述飞秒激光器的激光参数，完成飞秒激光的聚焦，规划加工路径，控制模块同时控制飞秒激光器、二维振镜和聚焦透镜组，通过所述ccd监测模块的反馈，实现飞秒激光自动聚焦，完成在所述微结构上加工阵列纳米尺度多级结构，然后关闭飞秒激光器；
15、关闭各光学器件和除尘装置，取下工件，将多轴移动平台恢复初始位置，关闭控制系统，实现了自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备方法。
16、优选的，所述纳秒激光器与所述飞秒激光器能实现错位同时加工阵列多级微纳结构。
17、本专利技术的有益效果：
18、1、提出一种自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备方法，实现在自由曲面上完成复杂多级微纳结构的高效高质量加工。先利用高功率纳秒激光快速制备第一级微结构，之后再利用飞秒激光的“冷加工”效应制备次级纳米尺度结构，从而实现复杂微纳结构的高效高质量加工。其中飞秒激光中还增加了轴棱锥镜对光束进行整形，使其由高斯光速整形成贝塞尔光束，实现大深径比孔的加工，从而实现复杂多级微纳结构高效高质量原位加工。
19、2、通过耦合光束实现自由曲面多级结构的原位制备。将纳秒激光与飞秒激光通过光学元件耦合在一起，形成光束耦合腔，实现多级微结构的原位加工；并将两束激光与多轴数控模块相结合，通过多轴数控模块与激光模块中各个透镜的联动，实现自由曲面的加工，避免工件多次装夹，提高了加工效率。
20、3、本专利技术既可以进行纳秒激光和飞秒激光的单独加工，也能实现两者错位同时加工。加工阵列多级微纳结构时，纳秒激光和飞秒激光可以同时工作，飞秒激光在纳秒激光已成型的微结构上加工多级结构的同时，纳秒激光错位加工另一新微结构。
21、4、具有广泛适应性。该装置能适用于各种不同材料以及各种不同结构工件加工；同时该装置还能实现在平面或者自由曲面上实现微槽、微孔以及多级结构的加工。
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1.自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，该装置包括：控制模块、激光模块、CCD监测模块、多轴数控模块以及支撑模块；所述支撑模块分别支撑控制模块、激光模块、CCD监测模块和多轴数控模块；所述控制模块分别控制所述激光模块和所述多轴数控模块，通过所述CCD监测模块监测待加工工件表面信息。
2.根据权利要求1所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，所述激光模块包括：纳秒激光器、飞秒激光器、衰减器、二向色镜、轴棱锥镜、聚焦透镜和二维振镜；所述纳秒激光器和/或飞秒激光器发射出的激光分别经过所述二向色镜、衰减器、聚焦透镜和/或二维振镜、轴棱锥镜、和聚焦透镜作用在工件表面实现自由曲面多级复杂微纳结构的加工；所述控制模块能同时控制激光模块各部件的加工参数、位置和角度，来实现激光的聚焦加工。
3.根据权利要求2所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，所述衰减器、二向色镜、轴棱锥镜、聚焦透镜和二维振镜耦合于一个光束耦合腔中，实现多级微纳结构的原位加工。
4.根据权利要求2所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位
5.根据权利要求1所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，所述CCD监测模块包括二向色镜、聚焦透镜和CCD相机；所述激光模块加工过程中产生反射信号，透过所述二向色镜，再通过所述聚焦透镜，在所述CCD相机上成像，实现加工过程原位监测。
6.根据权利要求1所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，所述支撑模块包括：光学平台、光学面包板和龙门；所述龙门安装在所述光学平台上，所述光学面包板固定于龙门上表面。
7.根据权利要求1所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，所述多轴数控模块包括：X轴方向滑台、Y轴方向滑台、Z轴方向滑台、绕X轴转台以及绕Z轴转台；所述X轴方向滑台固定于光学平台上，所述Z轴方向滑台固定于所述X轴方向滑台上，所述Y轴方向滑台固定于所述Z轴方向滑台上，所述Y轴方向滑台上安装所述绕X轴转台，所述绕X轴转台上安装所述绕Z轴转台。
8.根据权利要求1所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，还包括：外壳和除尘模块；所述外壳设置在装置外部；所述除尘模块有一进气口与一吸尘口分别安装在所述外壳上。
9.自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备方法，根据权利要求1-8任意一项所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，该方法包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备方法，其特征在于，所述纳秒激光器与所述飞秒激光器能实现错位同时加工阵列多级微纳结构。
...【技术特征摘要】
1.自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，该装置包括：控制模块、激光模块、ccd监测模块、多轴数控模块以及支撑模块；所述支撑模块分别支撑控制模块、激光模块、ccd监测模块和多轴数控模块；所述控制模块分别控制所述激光模块和所述多轴数控模块，通过所述ccd监测模块监测待加工工件表面信息。
2.根据权利要求1所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，所述激光模块包括：纳秒激光器、飞秒激光器、衰减器、二向色镜、轴棱锥镜、聚焦透镜和二维振镜；所述纳秒激光器和/或飞秒激光器发射出的激光分别经过所述二向色镜、衰减器、聚焦透镜和/或二维振镜、轴棱锥镜、和聚焦透镜作用在工件表面实现自由曲面多级复杂微纳结构的加工；所述控制模块能同时控制激光模块各部件的加工参数、位置和角度，来实现激光的聚焦加工。
3.根据权利要求2所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，所述衰减器、二向色镜、轴棱锥镜、聚焦透镜和二维振镜耦合于一个光束耦合腔中，实现多级微纳结构的原位加工。
4.根据权利要求2所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，还包括：快门、扩束器和反射镜；所述纳秒激光器和/或飞秒激光器发射出的激光分别经过所述快门和扩束器，经过所述反射镜改变光路进入到所述光束耦合腔中。
5.根据权利要求1所述的自由曲面复杂微纳结构耦合光束原位制备装置，其特征在于，所述cc...
【专利技术属性】
技术研发人员：王佳琦，黄筠瀚，许金凯，于占江，李继成，徐浩然，孙浩，张文通，陈先庆，李玉卓，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：
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