[发明专利]一种双涡旋电场辅助超快激光加工系统及其加工方法

说明书

本发明涉及一种双涡旋电场辅助超快激光加工系统与加工方法。系统包括超快激光器、偏振调制镜片、光束放大器、聚焦镜片、同轴吸气装置、双螺旋电极和五轴位移平台。该方法包含如下步骤：先将工件装夹于固定着双螺旋电极的五轴位移平台上；再电源连接双螺旋电极，通过控制电源电压使双螺旋电极产生0‑10⁵V/m的双涡旋电场；开启超快激光器，激光束经偏振调制、光束放大、反射聚焦后穿过双涡旋电场作用于工件表面，同时在工件上方同轴吸气，将等离子体去除。本发明利用双涡旋电场现对等离子体的运动控制，结合同轴吸气，实现高效、高质量的激光微纳加工及激光打孔。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，涉及一种双涡旋电场辅助超快激光加工的系统及加工方法。

背景技术

超快激光微纳加工技术做为一种高分辨率、低热影响区、几乎适用于任何材料的单步加工过程已经发展成为一种重要的先进微纳加工技术。超快激光微纳加工技术，可以显著改变材料表面的光学性能和润湿性能，在装饰、防冻、防腐蚀、自清洁和减阻等方面具有广泛的应用。

超快激光与加工材料相互作用时，会产生较强的等离子云雾。这些等离子体云雾会吸收部分激光束，加强热效应。同时等离子体折射激光束，影响激光模式。另外，等离子体中的大量纳米颗粒，会影响加工精度，难以保证洁净加工。同时，高端制造产业的快速发展对激光微纳加工技术提出了高效、高质量、低缺陷的加工要求。为解决上述问题，我们提出了一种双涡漩电场辅助超快激光加工的方法，结合同轴吸气装置，对等离子体进行精准调控，实现高效高质量的洁净加工。专利号CN 103753028A公开了一种电场磁场耦合辅助激光打孔方法及装置，通过六组线圈和六个平板电极产生旋转磁场和旋转电场辅助激光打孔。专利号CN105537782A公开了一种电场辅助下飞秒激光制备可弯孔的方法，通过调节电场轻度控制微孔弯曲的方向和弧度。上述两种方法仅仅针对工件表面以下的等离子体及熔融金属进行调控，仅适用与激光打孔加工，不适用与超快激光表面微纳加工。

发明内容

本发明的目的是设计一种双涡旋电场辅助超快激光加工系统及其加工方法。本发明双涡旋电场辅助超快激光加工系统包括：超快激光器、偏振调制镜片、光束放大器、聚焦镜片和五轴位移平台，还包括同轴吸气装置、电源、双螺旋电极。电源通过正极导线与正螺旋电极相连，通过负极导线与负螺旋电极相连，同轴吸气装置位于工件上处。

超快激光器产生激光束，激光束经偏振调制镜片、光束放大器和聚焦镜片，聚焦后光速穿过双涡旋电场作用在位于双螺旋电极水平中心工件表面，同轴吸气装置位于工件上方10mm处。双螺旋电极包括正螺旋电极和负螺旋电极，双涡旋电场由正螺旋电极和负螺旋电极通电后产生。

正螺旋电极和负螺旋电极重叠布置，上下表面涂有绝缘层，互不接触，且位于工件上方0-0.5mm处。

所述偏振调制由偏振片和二分之一波片组成，其中偏振片使激光束产生线偏振光，旋转二分之一波片改变线偏振的方向。

所述光束放大通过光束放大器实现，可将激光束放大2-8倍。

所述超快激光器为飞秒激光器或皮秒激光器。

双涡旋电场辅助超快激光加工系统的加工方法如下：

步骤1：将工件装夹于固定着双螺旋电极的五轴位移平台上；

步骤2：将电源通过导线连接双螺旋电极，通过控制电源电压使双螺旋电极产生0-10⁵V/m的双涡旋电场；电源通过正极导线与正螺旋电极相连，通过负极导线与负螺旋电极相连。

步骤3：开启超快激光器，激光束经偏振调制、光束放大、反射焦后穿过双涡旋电场作用于工件表面，同时在工件上方同轴吸气，将等离子体去除。

通过调节电源的电压来控制所述双涡漩电场的强度和方向，进而控制等离子的方向。