[实用新型]飞秒激光对材料表面改性的微精细加工装置

说明书

技术领域

本实用新型属于光学精细加工系统技术领域，涉及一种飞秒激光对材料表面改性的微精细加工装置。

背景技术

对激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代，但直到20世纪70年代初研制出大功率激光器之后，此项技术才获得了实际的应用，并在随后几十年里得到迅速的发展。激光表面处理技术是一种将现代物理学、化学、计算机、材料科学以及先进制造技术等多学科知识综合起来的高新技术，它通过采用激光加工的方式在材料表面形成具有一定厚度的处理层，可以改善材料表面的力学性能、冶金性能和物理性能，从而提高零件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能，它也能使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能的最佳组合。

激光表面改性技术是激光加工领域中的重要组成部分，它的特点是利用高能量密度激光照射工件时产生的热量对工件表面快速的加热，将光能转变为热能，进而对材料表面进行独特的加工处理。该工艺的优点是能够有选择地处理材料局部表面，并可以在不改变材料整体性能的情况下在局部表面得到所需要的性能。

目前应用于激光材料表面改性技术方法通常有Nd:YAG激光加工、CO₂激光加工和准分子激光加工技术三种，内容分述如下。

一、Nd:YAG激光加工：Nd:YAG激光是钕:钇铝石榴石的缩写，它是一种固态激光。Nd:YAG激光属四能级系统，量子效率高，受激辐射面积大。在激光加工行业中，由于Nd:YAG晶体具有优良的热学性能，因此非常适合制成连续和重频器件，它是目前在室温下能够连续工作的唯一固体工作物质。尽管以YAG晶体为基质的YAG激光器从问世迄今，其技术和工艺都比较成熟并得到广泛应用，但这种加工技术尚存在下述的缺点：(1).激光与材料作用的过程中，热扩散使加工区域周围材料不断吸收能量，作用于材料去除的能量减少，从而降低了加工效率；(2).热扩散降低了聚焦点的温度，以致焦点的温度无法远远超过材料的熔点，只能通过能量不断地沉积，以沸腾、汽化方式完成材料的去除；(3).由于在激光加工过程中，热量向焦点周围扩散，加工区域比焦点尺寸大，从而在加工边际产生熔融等现象，这样就无法得到尺寸严格、精度高的工件，降低了微细加工的精度；(4).激光加工过程中扩散的热量通过热影响区传播，产生机械应力，导致机械裂纹产生，对加工区域周围材料造成不利影响。随着相关技术的进步，为了提高YAG激光器的效率、输出功率和光束质量，扩展其频谱范围，人们在激光材料、结构和泵浦源以及泵浦方式等技术和工艺方面仍在积极地开展研究和改进工作。

二、CO₂激光加工：CO₂激光加工技术是通过用聚焦镜将CO₂激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动的集光、机、电为一体的综合技术。从20世纪70年代以来随着CO₂激光器及数控技术的不断完善和发展，目前CO₂激光加工技术已成为业内普遍采用的一种材料表面改性加工方法。但该方法仍存在有前述Nd:YAG激光加工技术存在的缺陷。此外，该方法实施中，激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响材料表面改性的效率和质量，由于CO₂激光加工幅面受场镜大小限制，材料表面易出现小角度偏差。

三、准分子激光加工：准分子激光加工技术使用的工作物质是受激准分子，激光跃迁发生在形成分子的激发态和不能形成分子的基态之间。由于上能态的寿命很短，激光器以脉冲方式工作；又由于下能态是排斥态，激光器的增益高，可获得高功率输出，而且是宽带跃迁，能获得可调谐的激光辐射。准分子激光最重要的特征是具有紫外和远紫外波段范围的高功率激光，其加工技术在医学、光刻以及其它领域的某些应用中特别有用。从实际使用效果看，采用准分子激光器在对加工出相同形状的孔和重复性方面的工作是不错的，但整体的效率并不高，只有大约1％的脉冲能量作用于加工表面，而其它约99％的光能量损失于模板，故其输出功率较小，加工效率低。此外，准分子激光束的横截面是大的矩形，空间质量较差，这严重地限制了光束的聚焦性，使得在微处理过程中一定要使用掩模板，而且准分子激光器都要使用有毒气体，而特殊气体的更换，存储和调整过程非常麻烦。

实用新型内容