[发明专利]基于共振吸收的高效率高精度激光微纳加工新方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光微纳加工技术，具体涉及一种基于共振吸收的激光微纳加工的方法。利用共振吸收原理，使金属自由电子的固有频率与激光的频率无限接近，此时，激光会被较好的吸收，尤其适用于铝合金、钛合金及镍基合金材料的高效率高精度微纳加工。

背景技术

微纳加工技术是指制造微小尺寸的零件,实现微米、亚微米至纳米量级加工精度的制造技术及其相关设备。从广义上来说,微纳加工技术包含了各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的新方法。目前,先进工业国都在开发高技术,高技术发展的需要推动着微纳加工技术的发展，微纳加工技术成果几乎能在所有产业中发挥作用。因此,先进工业国都把它看成技术和经济的命脉。随着半导体器件、金属印刷电路、微型机械、光通讯和集成电路等技术的发展,对更加精细图形和更高精度尺寸、形状加工要求愈加强烈,使微纳结构加工技术不断发展。在当今的工业生产中显得越来越重要,微纳结构加工技术已成为目前许多高科技技术领域的基础和前提,提高微纳加工中的加工尺寸、加工精度和加工速度已成为迫在眉睫的问题。

现有技术中，激光微纳加工是以激光为热源对工件材料进行加工，激光与物质相互作用是激光微纳加工的物理基础。激光与材料反应机理中光热作用占主导地位，在高能量密度的激光入射到工件表面时，不同频率的激光首先被材料吸收并转化为热能，然后产生升温、熔化、汽化、喷溅等一系列的雾化反应，以此来达到材料不同形式微纳加工的效果。这种传统的激光微纳加工方法已经有较长的历史，它具有许多明显的优点：如激光可直接写入结构，与加工材料无接触、无污染（这点在医学和生物学中尤其重要），对工件几乎无作用力，能在易变形的工件上打孔，可在硬、脆、软等各类材料上进行加工，速度快，经济效益高，适合数量多、高密度的微结构加工。这些优点使得激光微纳加工在当今国际领域中极其引人注目，具有十分诱人的应用前景。激光束直接照射工件材料表面时，光的辐射能一部分被吸收并对材料加热，一部分被反射，还有一部分因热传导而损失。不同工件材料对光波的吸收与反射，差别很大。尤其是金属材料对激光的反射率比较高（大多数金属材料的反射率为70%-95%），导致激光吸收率下降，加工效率也随之降低。另外，激光微纳加工设备昂贵，生产效率较低，导致使用成本较高，只能局限在技术含量较高的航空工业中使用，在汽车制造、机械加工等普通工业中无法应用。因此，在激光微纳加工技术中使用的上述加工方法尚有需要完善的地方，需要针对不同加工对象的特征来研究相关加工机理，获得材料对激光的最佳吸收效果。

专利号为CN200910248827.3的发明专利，名称为“带涂层钛合金激光打孔方法”，该发明提供一种可有效防止小孔周围涂层脱落的带涂层钛合金激光打孔方法，保证加工质量，提高加工效率。发明中采用的激光与带涂层钛合金相互作用的原理，其缺点是金属材料不能对激光进行选择性吸收，激光利用率低，光能不能很好地转换成热能，工件表面的加热速度发生了变化，不均匀的加热速度必然会对加工精度产生影响。

专利号为CN200910189291.2的发明专利，名称为“一种激光打孔方法及系统”，该发明提供了一种激光打孔方法及系统，用机床的注入功率调制激光脉冲宽度，机床打孔过程中可以根据打孔要求实时修改激光脉冲的宽度，使激光脉冲的功率随打孔要求变化，打孔质量高、速度快。不足之处是激光打孔系统包括采集模块、调制模块和打孔模块，不同模块耦合复杂，操作不便，设计制造成本高。

采用共振吸收的新加工方法，使得自由电子的固有频率接近激光的频率，两者产生共振，大大增加金属材料对激光的吸收，达到高效率（提高十倍以上）高精度的激光微纳加工就可以解决以上不足，而且避免了花费大量精力与物力在微纳加工激光系统的研发上。本发明就是利用对光波共振吸收的新方法，通过对被加工金属材料施加外部电场来调节自由电子的分布来增强金属材料对激光的吸收，达到激光光子与自由电子共振吸收的目的，能很好地提高加工效率和精度。

发明内容

本发明的目的是综合解决当前金属材料吸收率低，生产效率较低以及激光微纳加工设备昂贵，使用成本高的问题，提供一种基于共振吸收的高效率高精度激光微纳加工新方法。

共振是外加驱动力频率与振动系统固有频率相同时，出现振动系统振幅最大现象。从原子物理的观点来看，使激光脉冲的光子能量与金属材料中的电子跃迁的某一能级差相对应，可实现共振吸收。当自由电子的固有频率接近激光的频率、金属材料发生共振时，它的自由电子运动就会加剧，加剧的原因就是自由电子吸收了能量，从而激光光子与自由电子产生共振吸收，激光能量被金属材料较好地并有效地吸收利用。