[发明专利]一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统

权利要求书

1.一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，其特征在于：包括飞秒激光器、激光调谐模块、机械光闸、激光偏振模块、可变倍扩束器、平面反射镜、光学衍射元件、成丝改质模块和成丝辅助件；

所述飞秒激光器用于产生飞秒激光脉冲光束，通过激光调谐模块调节所述飞秒激光脉冲光束的工作波长；机械光闸用于控制激光传输光路快速通断，激光偏振模块用于调节通过机械光闸后的飞秒激光脉冲光束的偏振状态；

所述可变倍扩束器用于连续调节飞秒激光脉冲光束的光束直径，再通过平面反射镜调节激光传输光路，使飞秒激光脉冲光束垂直入射光学衍射元件，光学衍射元件用于激光光束空间整形，调制激光空间光强分布并输出长焦深光束，之后通过成丝改质模块按固定比例整体缩小整形后光束，增强激光功率密度至待加工工件材料阈值，完成在待加工工件内部的成丝改质；

所述成丝辅助件覆盖于待加工工件表面，避免功率密度不稳定的飞秒激光成丝前端作用于待加工工件，提升待加工工件成丝改质一致性；

所述激光调谐模块为光学参量放大器，其调谐后激光为波长在1300nm到2000nm范围内的差频信号光，所述机械光闸的开关响应时间≤1ms；

所述成丝改质模块为由大焦距透镜和小焦距物镜组成的倍率为5X-50X的显微聚焦系统，其中透镜焦距在100mm到500mm范围内，物镜焦距在10mm到40mm范围内，且透镜和物镜二者同轴共焦点放置；

所述成丝辅助件为双面抛光的熔融石英片，其厚度在0.3mm到2mm范围内，其直径在15mm到310mm范围内；通过所述成丝辅助件覆盖于待加工工件上面，将稳定性差的激光成丝前端作用于成丝辅助件而稳定性好的成丝中端用于待加工工件，避免由于成丝前端功率密度不稳定而造成待加工工件不良影响，确保飞秒激光成型加工一致性；

还包括装夹专用工装、多轴联动电控位移台、工控机、机械臂、化学腐蚀池和碱性中和池；

通过装夹专用工装固定待加工工件，且装夹专用工装上表面中间镂空防止激光对装夹专用工装的损坏；再通过多轴联动电控位移台完成固定在其上的装夹专用工装的三维复杂路径的匀速运动，通过工控机协同控制机械光闸和多轴联动电控位移台，完成复杂构件激光加工；

所述机械臂用于激光加工完成后将待加工工件移动至化学腐蚀池内，进行飞秒激光成丝改质区域化学腐蚀去除材料，化学腐蚀完成后将待加工工件移动至碱性中和池内，中和待加工工件残余腐蚀液，完成硬脆材料复杂构件精密成型加工。

2.根据权利要求1所述一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，其特征在于：飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲光束波长在750nm到1100nm范围内，脉冲宽度在10fs到900fs范围内，脉冲能量在10μJ到1mJ范围内，脉冲重复率在1KHz到1MHz范围内，激光光束质量M²≤1.5。

3.根据权利要求1所述一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，其特征在于：所述激光偏振模块为半波片和四分之一波片的组合，且半波片放置于四分之一波片的前面，所述可变倍扩束器的最大放大倍率在2X到10X范围内；所述平面反射镜的入射角度为45°±5°。

4.根据权利要求1所述一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，其特征在于：所述光学衍射元件为锥透镜，其锥角在1°到40°范围内。

5.根据权利要求1所述一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，其特征在于：化学腐蚀池中的HF溶液浓度在1％到30％范围内，待加工工件在化学腐蚀池的浸泡时间在1h到120h范围内；

碱性中和池中的NaOH溶液浓度在0.1％到10％范围内，待加工工件在碱性中和池的浸泡时间在0.1h到1h范围内。

6.根据权利要求1所述一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，其特征在于：所述多轴联动电控位移台为三轴运动平台,X/Y轴定位精度≤10μm，Z轴行程≥10mm，所述装夹专用工装的尺寸在10mm到300mm范围内。