[发明专利]一种环形微孔的激光加工装置及方法

权利要求书

1.一种环形微孔的激光加工方法，该激光加工方法采用了一种环形微孔的激光加工装置，所述激光加工装置包括脉冲激光器(1)、偏振控制系统(2)、扫描振镜(4)、光圈(5)、聚焦透镜(6)、约束层(7)、单层纳米颗粒(8)、三维移动平台(10)和电脑控制系统(11)；所述脉冲激光器(1)、偏振控制系统(2)和扫描振镜(4)沿同一光轴中心依次排布；所述扫描振镜(4)正下方设有光圈(5)；所述光圈(5)正下方设有聚焦透镜(6)；所述聚焦透镜(6)正下方设有三维移动平台(10)；所述三维移动平台(10)上表面放置工件(9)；所述工件(9)上表面覆盖单层纳米颗粒(8)；所述单层纳米颗粒(8)上表面覆盖约束层(7)；所述脉冲激光器(1)、聚焦透镜(6)和三维移动平台(10)均和电脑控制系统(11)电连接；其特征在于，该激光加工方法包括如下步骤：

S1：搭建好环形微孔的激光加工装置：调整脉冲激光器(1)、偏振控制系统(2)和扫描振镜(4)处于同一光轴中心；调整光圈(5)、聚焦透镜(6)、三维移动平台(10)至扫描振镜(4)的焦点处；将脉冲激光器(1)、聚焦透镜(6)、三维移动平台(10)和电脑控制系统(11)电连接；

S2：预处理工件(9)表面：将单层纳米颗粒(8)配置成纳米颗粒悬浮液，并将纳米颗粒悬浮液沉积在工件(9)表面，得到表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件；

S3：确定能量增强倍数A：根据工件(9)、脉冲激光器(1)和单层纳米颗粒(8)的特征参数，求解工件(9)表面的归一化激光能量分布，绘制出能量增强特征曲线；根据环形微孔的加工内径d或加工外径D确定出能量增强倍数A；

S4：确定激光输出能量参数：根据步骤S3确定的能量增强倍数A，打开电脑控制系统(11)，设置脉冲激光器的输出能量密度J，J＝J₀/A，其中J₀为工件(9)损伤能量密度阈值；

S5：调整光束偏振态和工件位置：调整偏振控制系统(2)，使得出射的激光束为圆偏振光；将步骤S2中所述表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件放置于三维移动平台(10)上；在单层纳米颗粒(8)上表面覆盖一层约束层(7)；

S6：加工工件：电脑控制系统(11)输出激光，对工件表面进行加工，实现环形微孔的制作。

2.根据权利要求1所述的一种环形微孔的激光加工方法，其特征在于，步骤S2中所述预处理工件(9)表面过程如下：对工件(9)表面打磨抛光、超声波清洗，并在工件(9)表面涂抹包含亲水基团的溶剂；

所述得到表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件过程如下：将单层纳米颗粒(8)配置成5％固含量的纳米颗粒悬浮液，将纳米颗粒悬浮液置于超声波清洗机中超声10-15min；使用微量移液器，每次取出500μL，小心滴在已经进行预处理的工件(9)表面；将滴有纳米颗粒溶液的工件放置在通风无尘厨中倾斜9°静置12h，至溶剂完全蒸发，得到表面已沉积完单层纳米颗粒的加工工件。

3.根据权利要求1所述的一种环形微孔的激光加工方法，其特征在于，步骤S3中所述确定能量增强倍数A过程如下：

归一化入射脉冲激光能量密度为1，设定纳米颗粒和加工工件表面的接触点为横坐标的坐标原点o，横轴为工件表面的位置点，纵坐标为能量增强倍数，进而构建坐标系；能量增强倍数的峰值A_max对应的横轴位置点分别为+h和-h，在坐标系中对应的坐标为(±h，A_max)；在能量增强倍数由接触点o上升至峰值A_max区间段，设激光能量密度为1处的位置点分别为+p和-p，在坐标系中对应的坐标为(±p，1)；在能量增强倍数A由峰值Amax下降至0区间段，设激光能量密度为1处的位置点分别为+q和-q，在坐标系中对应的坐标为(±q，1)；其中p、h、q的值满足：0<p<h<q；

当要求加工工件的内径为d时，要求op<d/2<oh,根据d尺寸确定+d或-d位置点对应的能量增强倍数A_d；当要求加工工件的外径为D时，要求oh≤D/2<oq，根据D尺寸确定+D或-D位置点对应的能量增强倍数A_D。

4.根据权利要求1所述的一种环形微孔的激光加工方法，其特征在于，步骤S4中所述工件(9)的材料为金属材料或者半导体材料。