[发明专利]一种基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔方法及系统

说明书

本发明提供一种基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔方法及系统，其特点是利用类法布里珀罗干涉仪的脉冲序列产生装置，将超快激光脉冲整形为特定能量比、子脉冲间隔的脉冲序列，然后根据需要设定四光楔旋切头的角度偏转参数以及位移旋转参数，控制光束角度以及路径，将激光聚焦于待加工样品表面，加工出所需的微孔。本发明与现有技术相比具有结构简单，不需要复杂的光路对齐，可重复性高，配合多轴精密运动控制系统以及智能控制算法，可实现高深径比、多孔型的高精度超快激光加工。

技术领域

本发明涉及超快激光加工技术领域，具体的说是一种基于超快激光脉冲序列以及四光楔旋切钻孔的加工方法及其加工系统。

背景技术

目前，激光加工技术应用到几乎所有的主流制造领域，如汽车制造、电子器件、航空航天、石油化工、冶金矿山以及能源交通等等，只是不同的领域普及程度不同而已。由于激光束与加工材料的非接触性、加工效率高以及加工质量好等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术，激光加工技术在各个领域中的应用，直接或间接地推动了相关领域的发展。长脉冲激光加工方式，材料吸收激光能量温度升高，达到材料熔点沸点，从而达到材料烧蚀加工的效果。长脉冲激光加工属于热加工，有较强的热效应，对材料本体有较大的热损伤，无法应用于对加工质量以及加工精度要求极高的应用领域。

随着，啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification，CPA）技术的发展，激光脉宽可达到飞秒量级，大大降低激光烧蚀的热效应，实现冷加工。超快激光加工，具有加工材料范围广，非接触且峰值功率高和脉冲超短等特点，可以实现无重铸层和无热影响区的冷加工，热影响区极小，因此在航空、航天等精密微孔加工领域得到了广泛关注，并在超硬、超脆和超软材料的加工中率先得到应用。然而，直接的超快激光加工的潜力是有限的，材料的有效烧蚀需要克服高脉冲能量阈值，在激光能量较低时，材料的有效烧蚀速率较低，若使用更高激光功率，提高烧蚀效率的同时会带来更复杂的影响。例如在更高的激光功率下，材料会由于热积累而产生屏蔽、饱和以及对材料本体的热损伤。同时由于激光光斑的高斯分布，激光直接冲击式打孔，会导致所加工的孔型呈锥形，且深径比十分有限。因此如何在提高激光功率的同时保证加工质量，以及控制所加工微孔的孔型、孔径、深径比，是超快激光加工面临的技术难点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔方法及系统，将超快激光脉冲整形为特定能量比、子脉冲间隔的脉冲序列，采用四光楔旋切头根据设定的脉冲序列以及光束角度和路径，将激光束聚焦于待加工样品表面，加工出所需要的微孔，实现高深径比、多孔型微孔的超快激光加工，脉冲序列产生装置配合多轴精密运动控制系统，用以解决孔型、孔径、深径比的控制问题，具有结构简单，不需要复杂的光路对齐，可重复性高，加工成本低等优点，并且进一步配合多轴精密运动控制系统以及智能控制算法，可实现多种加工需求，大大满足了更高质量、更大深径比的超快激光微孔加工，较好的解决了直接加工孔型差、深径比有限的问题。

实现本发明目的的具体技术方案是：一种基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔方法，其特点是将超快激光脉冲整形为具有一定能量比和子脉冲间隔的脉冲序列，采用四光楔旋切头根据设定的脉冲序列以及光束角度和路径，将激光束聚焦于待加工样品表面，实现高深径比、多孔型微孔的超快激光加工，所述脉冲序列由两个互相平行的半透半反镜生成，其能量比通过选用不同反射率的半透半反镜组合实现，并通过两半透半反镜的间距控制脉冲序列中子脉冲间隔。

一种基于超快激光脉冲序列的四光楔旋切钻孔系统，其特点是采用脉冲序列产生装置与样品监测单元和样品加工单元组成四光楔旋切钻孔系统进行高深径比、多孔型微孔的超快激光加工，该系统包括：超快激光器、机械开关、半波片、格兰棱镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、一维精密电控平移台、四光楔旋切头、超快激光高反镜、聚焦透镜、待加工样品、多轴精密电控平移台、白光照明光源、白光分束镜、CCD成像设备。