[发明专利]基于激光的材料加工装置和方法

权利要求书

1.一种划片、切割、切片或加工以便从具有复合材料的工件的区域去除材料的方法，其中所述复合材料包括具有不同光学特性的至少两种非金属材料，所述方法包括：

将激光脉冲导向所述工件的所述复合材料，所述激光脉冲具有至少一个脉冲宽度在从大于十飞秒到约500皮秒的范围内并且脉冲重复率在从大于十kHz到约10MHz的范围内；

将所述激光脉冲聚焦成激光光斑，所述激光光斑的光斑尺寸（1/e²）在从大于1微米到约100μm的范围内，其中至少一个所述激光脉冲提供的功率密度高于用于以所述至少一个激光脉冲的波长在复合材料非线性吸收的阈值；和

相对于所述工件定位所述激光光斑，使得用于去除所述复合材料的相邻聚焦光斑（1/e²）之间的空间重叠足以用于在所述波长、脉冲宽度、重复率和功率密度划片、切割、切片或加工所述工件，

其中所述方法控制所述工件区域的一种或多种材料内的热积聚，同时限制所述区域周围不需要的材料的积聚。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件的所述复合材料包括材料结构及其基质材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件还包括非复合材料，所述非复合材料被设置成与所述复合材料接触，并且所述方法还包括去除所述非复合材料中的至少一部分。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述非复合材料包括金属。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述非复合材料包括聚合物。

6.根据权利要求1所述的方法，其中冲击所述非复合材料的脉冲的能量密度高于对应于在所述波长线性吸收的单脉冲烧蚀阈值。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述波长在从约0.5μm到约2μm的范围内。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述波长在从约1μm到约1.5μm的范围内。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述波长在从约0.9μm到约1.1μm的范围内。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件还包括至少两层非复合材料，并且所述复合材料被设置在所述至少两层非复合材料之间，并且所述方法还包括从所述非复合材料的至少一层去除所述非复合材料的至少一部分。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件的厚度小于约1000μm。

12.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个脉冲的能量密度在从约0.01J/cm²到约10J/cm²的范围内，并且所述定位包括以在从约1mm/sec到约0.5m/sec的范围内的速度相对于所述聚焦光斑移动所述复合材料。

13.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个激光脉冲的脉冲能量在约0.1μJ到约500μJ的范围内，其中所述脉冲能量至少部分由所述光斑尺寸和所述重复率确定。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光脉冲通过超短脉冲激光系统输出。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述功率密度为至少约10¹²W/cm²。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述功率密度在约10¹²W/cm²到约10¹⁴W/cm²的范围内。

17.根据权利要求1所述的方法，其中脉冲宽度在从大于十飞秒到约1ps的范围内。

18.根据权利要求1所述的方法，其中所述脉冲包括一脉冲序列并且至少两个相应激光光斑的空间重叠为至少约50%，其中所述脉冲序列当被定位以冲击所述工件的所述复合材料的至少一部分时，所述脉冲序列提供深度为约30-300μm的去除，其中所述光斑尺寸在从约10-100μm的范围内。

19.根据权利要求2所述的方法，其中所述材料结构及其基质材料增强所述工件的机械特性。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述机械特性包括工件的刚性。