一種動態調節脈沖能量與時間間隔的激光加工方法及裝置與流程

本發明屬于激光加工領域，具體涉及一種動態調節脈沖能量與時間間隔的激光加工方法及裝置。

背景技術：

激光與材料作用的基本過程可以分為兩個過程：熱力學過程和非熱力學過程。當熱能傳播時間短于激光脈沖寬度時，在材料吸收激光能量的時間段內，就會發生電子受激過程、電子-聲子弛豫過程、聲子-聲子弛豫過程等多種熱傳遞和擴散過程。這樣在灼燒時激光對材料熔化、氣化、去除都是通過熱效應實現的，這就使激光灼燒區域邊緣受到嚴重的熱影響和損傷。這就是長脈沖激光與材料相互作用的本質，當入射長脈沖能量足夠強，材料也會直接電離成等離子體，造成材料的去除。而當激光脈沖寬度遠小于電子-聲子的弛豫時間時，在激光脈沖與材料相互作用時間段內不會發生能量以熱能的形式存在和擴散，從而避免了熱擴散造成的熱影響和損傷，這就是超短脈沖激光與材料相互作用本質。飛秒脈沖激光輻射材料時，能量并不會以熱能形式轉移，而是在材料表面形成等離子體，這些等離子體由材料中的原子直接吸收高密度的激光脈沖能量形成的，等離子體的形成在加工過程中對材料的去除起到了很大的作用。因此相比于長脈沖激光加工，短脈沖激光加工的工件形貌更好，但是等離子體的產生會吸收一部分激光能量，并且由于光壓材料汽化等過程的存在，在加工區域的材料與外界界面附近也會形成壓力波，影響加工后材料的表面形貌。

激光與材料相互作用的過程跟多種因素有關，既與激光光源有關，又與作用材料及外部環境有關。材料本身的熱耦合系數、熱常數、吸收系數、反射系數等都會對作用過程產生影響；激光光源的因素主要有脈寬、能量、功率密度、激光波長、重復率、光強分布等，其中任何一種因素都會對作用過程產生重要影響。也正是激光參數的這種多樣性給激光與物質相互作用這一研究領域增添了活力，進一步開拓激光的應用范圍。

目前，脈沖激光加工的主要工藝參數包括激光功率(重復頻率×脈沖能量)、重復頻率(固定的脈沖時間間隔)、掃描速度等，現有的脈沖激光加工設備，對工藝參數調節一般是調重復頻率、占空比來調激光功率，不能任意動態調節脈沖能量與時間間隔。

技術實現要素：

本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種動態調節脈沖能量與時間間隔的激光加工方法；本發明還同時提供了一種動態調節脈沖能量與時間間隔的激光加工裝置。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種動態調節脈沖能量與時間間隔的激光加工裝置，包括激光器、擴束準直鏡、電動衰減片轉輪、電動相位延遲片轉輪、一個或多個反射鏡和聚焦物鏡；

所述電動衰減片轉輪的結構與電動相位延遲片轉輪的結構相同，兩者均帶有循環水冷機構和氣簾風冷機構，同時還均與一電動旋轉機構相連，所述電動旋轉機構編程可控，用于分別驅動電動衰減片轉輪以及電動相位延遲片轉輪繞其中心軸線旋轉；

所述電動衰減片轉輪和電動相位延遲片轉輪兩者均呈圓盤形，圓盤的邊沿內側沿圓周方向均勻設置有多個尺寸相同的圓形安裝孔，多個圓形安裝孔的圓心位于同一圓周上；多個圓形安裝孔的中心軸線與電動衰減片轉輪以及電動相位延遲片轉輪的中心軸線平行；

所述電動衰減片轉輪的多個圓形安裝孔上分別安裝有多個激光衰減片，多個激光衰減片的安裝方位使得所述多個激光衰減片的中心軸線，以及電動衰減片轉輪的中心軸線均相互平行；所述多個激光衰減片的衰減值互不相同；

所述多個激光衰減片在多個圓形安裝孔的安裝順序是：將多個激光衰減片按衰減值大小排序，即以順時針方向按照衰減值從大到小或從小到大的次序依次安裝在多個圓形安裝孔上；

所述電動相位延遲片轉輪的多個圓形安裝孔上分別安裝有多個相位延遲片，多個相位延遲片的安裝方位使得所述多個相位延遲片的中心軸線，以及電動相位延遲片轉輪的中心軸線均相互平行；所述多個相位延遲片的相位延遲值互不相同；

所述多個相位延遲片在多個圓形安裝孔的安裝順序是：將多個相位延遲片按相位延遲值大小排序，即以順時針方向按照相位延遲值從大到小或從小到大的次序依次安裝在多個圓形安裝孔上；

激光器發出的加工激光束入射至擴束準直鏡，經擴束準直鏡的擴束準直后，垂直入射至電動衰減片轉輪上的一個衰減片，經衰減片的衰減后，垂直入射至電動相位延遲片轉輪上的一個相位延遲片，經相位延遲片的延遲后，經反射鏡反射后進入聚焦物鏡，由聚焦物鏡輸出后聚焦在工件表面。

本發明還提供了一種動態調節脈沖能量與時間間隔的激光加工方法，包括如下步驟：

(1)根據激光加工要求，確定激光加工的多組參數，所述每組參數均包括脈沖能量與時間間隔；

(2)將多個衰減值互不相同的激光衰減片安裝在電動衰減片轉輪上，其安裝方位是：多個激光衰減片在與電動衰減片轉輪中心軸線距離為r1的圓周方向上均勻排布，多個激光衰減片按衰減值大小排序，以順時針方向按照衰減值從大到小或從小到大的次序依次安裝，所有激光衰減片的中心軸線均與電動衰減片轉輪的中心軸線平行；其中，r1小于電動衰減片轉輪的半徑；

(3)將多個相位延遲值互不相同的相位延遲片安裝在電動相位延遲片轉輪上，其安裝方位是：多個相位延遲片在與電動相位延遲片轉輪中心軸線距離為r2的圓周方向上均勻排布，多個相位延遲片按相位延遲量大小排序，以順時針方向按照衰減值從大到小或從小到大的次序依次安裝，所有相位延遲片的中心軸線均與電動相位延遲片轉輪的中心軸線平行；其中，r2小于電動相位延遲片轉輪的半徑；

(4)配置好激光器、加工激光束、擴束準直鏡、電動衰減片轉輪、電動相位延遲片轉輪、一個或多個反射鏡和聚焦物鏡的空間方位，使得加工激光束的光軸、擴束準直鏡的光軸、電動衰減片轉輪上的某個衰減片的中心法線、電動相位延遲片轉輪上的某個相位延遲片的中心法線均重合；

(5)將工件安裝在工作臺上，所述工件可由工作臺帶動做x-y兩個方向的平移運動；

(6)開啟激光器，激光器輸出脈沖能量為e0、脈沖時間間隔為t0的加工激光束，所述加工激光束入射至擴束準直鏡，經擴束準直鏡的擴束準直后，垂直入射至電動衰減片轉輪上的一個衰減片，經衰減片的衰減后，加工激光束的脈沖能量衰減為e1，之后垂直入射至電動相位延遲片轉輪上的一個相位延遲片，經相位延遲片的延遲后，脈沖時間間隔變為t1，最后經反射鏡反射后進入聚焦物鏡，由聚焦物鏡輸出后聚焦在工件表面；

(7)關閉激光器，判斷是否已滿足加工要求，若滿足，轉入步驟(11)；否則，進入步驟(8)；

(8)通過電動旋轉機構控制電動衰減片轉輪旋轉一個角度，使得當前衰減片移開，下一個衰減片移動到當前衰減片的位置，加入加工過程；

(9)通過電動旋轉機構控制電動相位延遲片轉輪旋轉一個角度，使得當前相位延遲片移開，下一個相位延遲片移動到當前相位延遲片的位置，加入加工過程；

(10)返回步驟(6)；

(11)結束。

本發明具有如下有益效果：

1、本發明可以實現脈沖能量的動態調節、脈沖時間間隔的任意動態調節以及二者的組合調節，解決了現有技術中二者不可任意調節的技術難題。

2、本發明可以將一系列均勻時間間隔、相同脈沖能量的激光脈沖，動態調制得到一系列不同時間間隔和脈沖能量的激光脈沖，從而可以實現對激光材料加工過程中能量輸出的精密動態控制，用于實現多種特殊的加工效果，例如盲孔加工時獲得孔深的精密控制和孔壁、孔底質量的精確控制，多層異種材料的精密刻蝕時在不同材料界面處的熱輸入精密控制等等。相比現有技術常用的占空比調節、低功率多次銑削的方式，具有控制精度高、響應快、加工效率高的優點。

附圖說明

圖1為本發明所述動態調節脈沖能量與時間間隔的激光加工裝置的結構圖；

圖2為本發明所述電動衰減片轉輪的結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細的說明。

如圖1所示，本發明提供了一種動態調節脈沖能量與時間間隔的激光加工裝置，包括激光器、擴束準直鏡m1、電動衰減片轉輪z1、電動相位延遲片轉輪z2、一個或多個反射鏡m2和聚焦物鏡m3。

所述激光器用于輸出脈沖能量為e0、脈沖時間間隔為t0的加工激光束l1。

所述電動衰減片轉輪z1的結構與電動相位延遲片轉輪z2的結構相同，兩者均帶有循環水冷機構和氣簾風冷機構，同時還均與一電動旋轉機構相連，所述電動旋轉機構編程可控，用于分別驅動電動衰減片轉輪z1以及電動相位延遲片轉輪z2繞其中心軸線旋轉一定角度。

如圖2所示，所述電動衰減片轉輪z1和電動相位延遲片轉輪z2兩者均呈圓盤形，圓盤的邊沿內側沿圓周方向均勻設置有多個尺寸相同的圓形安裝孔11，多個圓形安裝孔11的圓心位于同一圓周上；多個圓形安裝孔11的中心軸線與電動衰減片轉輪z1以及電動相位延遲片轉輪z2的中心軸線平行。

所述電動衰減片轉輪z1的多個圓形安裝孔11上分別安裝有多個激光衰減片，多個激光衰減片的安裝方位使得所述多個激光衰減片的中心軸線，以及電動衰減片轉輪z1的中心軸線均相互平行；所述多個激光衰減片的衰減值互不相同。

所述多個激光衰減片在多個圓形安裝孔11的安裝順序是：將多個激光衰減片按衰減值大小排序，即以順時針方向按照衰減值從大到小或從小到大的次序依次安裝在多個圓形安裝孔11上。

所述電動相位延遲片轉輪z2的多個圓形安裝孔11上分別安裝有多個相位延遲片，多個相位延遲片的安裝方位使得所述多個相位延遲片的中心軸線，以及電動相位延遲片轉輪z2的中心軸線均相互平行；所述多個相位延遲片的相位延遲值互不相同。

所述多個相位延遲片在多個圓形安裝孔11的安裝順序是：將多個相位延遲片按相位延遲值大小排序，即以順時針方向按照相位延遲值從大到小或從小到大的次序依次安裝在多個圓形安裝孔11上。

所述加工激光束l1入射至擴束準直鏡m1，經擴束準直鏡m1的擴束準直后，垂直入射至電動衰減片轉輪z1上的一個衰減片(即激光束光軸與衰減片的中心法線重合)，經衰減片的衰減后，加工激光束l1的脈沖能量衰減為e1，之后垂直入射至電動相位延遲片轉輪z2上的一個相位延遲片(即激光束光軸與相位延遲片的中心法線重合)，經相位延遲片的延遲后，脈沖時間間隔變為t1，最后經反射鏡m2反射后進入聚焦物鏡m3，由聚焦物鏡m3輸出后聚焦在工件表面。

由于光速遠遠大于轉輪轉動速度，二者相比，可以視作激光束透射經過相對處于“準靜止”狀態的衰減片和相位延遲片。

可以通過程序控制電動衰減片轉輪z1和電動相位延遲片轉輪z2的轉動，使得選定的某一個衰減片和某一個相位延遲片在下一個激光脈沖發出時，其中心法線轉動到與激光束的光軸重合。

設激光脈沖重復頻率為freq，脈沖時間間隔為t0，則freq＝1/t0。

設電動衰減片轉輪z1上安裝有n個均勻分布的激光衰減片，電動相位延遲片轉輪z2上安裝有n個均勻分布的相位延遲片，則片間夾角α＝360°/n或者α＝2π/n。

設當前剛剛有脈沖p1通過n1片，即n1片在光軸位置(n1法線與光軸重合)，由于光速遠遠超過轉輪的線速度，二者相比，可視作當p1穿過時，n1處于“準靜止”。

若讓下一個脈沖p2通過nk片，則需求t0時長后，nk片轉至其法線與光軸重合，為此，轉速要求：(k-1)α＝ωt0，ω為平均轉速(角速度)。

因此，對兩個轉輪的運動控制為“點位控制”，即如上所示。但其運動速度控制可以用過多種加減速+勻速段控制來實現。

本發明還提供了一種基于上述裝置的動態調節脈沖能量與時間間隔的激光加工方法，具體包括如下步驟：

(1)根據激光加工要求，確定激光加工的多組參數，所述每組參數均包括脈沖能量與時間間隔；

(2)將多個衰減值互不相同的激光衰減片安裝在電動衰減片轉輪z1上，其安裝方位是：多個激光衰減片在與電動衰減片轉輪z1中心軸線距離為r1的圓周方向上均勻排布，多個激光衰減片按衰減值大小排序，以順時針方向按照衰減值從大到小或從小到大的次序依次安裝，所有激光衰減片的中心軸線均與電動衰減片轉輪z1的中心軸線平行；其中，r1小于電動衰減片轉輪z1的半徑；

(3)將多個相位延遲值互不相同的相位延遲片安裝在電動相位延遲片轉輪z2上，其安裝方位是：多個相位延遲片在與電動相位延遲片轉輪z2中心軸線距離為r2的圓周方向上均勻排布，多個相位延遲片按相位延遲量大小排序，以順時針方向按照衰減值從大到小或從小到大的次序依次安裝，所有相位延遲片的中心軸線均與電動相位延遲片轉輪z2的中心軸線平行；其中，r2小于電動相位延遲片轉輪z2的半徑；

(4)按照圖1配置好激光器、加工激光束l1、擴束準直鏡m1、電動衰減片轉輪z1、電動相位延遲片轉輪z2、一個或多個反射鏡m2和聚焦物鏡m3的空間方位，使得加工激光束l1的光軸、擴束準直鏡m1的光軸、電動衰減片轉輪z1上的某個衰減片的中心法線、電動相位延遲片轉輪z2上的某個相位延遲片的中心法線均重合；

(5)將工件安裝在工作臺上，所述工件可由工作臺帶動做x-y兩個方向的平移運動；

(6)開啟激光器，激光器輸出脈沖能量為e0、脈沖時間間隔為t0的加工激光束l1，所述加工激光束l1入射至擴束準直鏡m1，經擴束準直鏡m1的擴束準直后，垂直入射至電動衰減片轉輪z1上的一個衰減片(即激光束光軸與衰減片的中心法線重合)，經衰減片的衰減后，加工激光束l1的脈沖能量衰減為e1，之后垂直入射至電動相位延遲片轉輪z2上的一個相位延遲片(即激光束光軸與相位延遲片的中心法線重合)，經相位延遲片的延遲后，脈沖時間間隔變為t1，最后經反射鏡m2反射后進入聚焦物鏡m3，由聚焦物鏡m3輸出后聚焦在工件表面。

(7)關閉激光器，判斷是否已滿足加工要求，若滿足，轉入步驟(11)；否則，進入步驟(8)；

(8)通過電動旋轉機構控制電動衰減片轉輪z1旋轉一個角度，使得當前衰減片移開，下一個衰減片移動到當前衰減片的位置，加入加工過程；

(9)通過電動旋轉機構控制電動相位延遲片轉輪z2旋轉一個角度，使得當前相位延遲片移開，下一個相位延遲片移動到當前相位延遲片的位置，加入加工過程；

(10)返回步驟(6)；

(11)結束。

本發明可改變為多種方式對本領域的技術人員是顯而易見的，這樣的改變不認為脫離本發明的范圍。所有這樣的對所述領域的技術人員顯而易見的修改，將包括在本權利要求的范圍之內。