[发明专利]一种环形微孔的激光加工装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于激光加工领域，尤其是一种环形微孔的激光加工装置及方法。

背景技术

工业技术的进步，使得激光加工技术得到了快速发展，其中激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术。由于激光打孔具有速度快，效率高，经济效益好等优点，已经成为激光加工的主要应用领域之一。

激光打孔技术是利用高功率密度的激光束照射靶材，使靶材表面的温度快速升至汽化温度，蒸发形成孔洞，一束激光单次作用只能形成一个孔洞。而当将激光打孔技术应用在微纳加工领域中时，就面临很多问题。主要有：①不能大面积制作微孔，在微纳加工尺度进行微孔制作时，效率大大降低；②激光微孔尺寸受到激光束光斑直径的限制，而通过调整加工激光的光斑直径来加工各种微纳尺度孔径的方式实现难度很大，微孔尺寸并未达到可控的要求；③微孔形状单一，均为圆形，无法加工奇异孔，如环形微孔。

为克服激光微孔制作中不能大面积制作微孔的技术缺陷，专利号：CN201310007951公开了一种通过光学器件对激光束进行分束整形的装置，实现了一束激光多孔成型的技术效果，能够加工多种组合的微孔阵列。但是该装置有多个光学系统构成，搭建成本高，操作难度大。而微孔尺寸不可控和形状单一等问题并未得到有效解决。当人们将研究目光聚焦到微纳加工领域时，对激光打孔工艺的要求也越来越高，尤其是在激光微纳加工领域，迫切需求一种激光打孔技术，能够解决上述问题。

发明内容

针对现有技术中激光微孔技术存在加工效率低、微孔尺寸不可控、形状单一等不足，本发明提供了一种环形微孔的激光加工装置及方法，利用贵金属纳米颗粒使激光能量在被加工工件表面形成环形能量增强区域，实现了环形微孔的激光加工，具有高精度、尺寸可控、加工效率高、设备简单等特点。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种环形微孔的激光加工装置，包括脉冲激光器、偏振控制系统、扫描振镜、光圈、聚焦透镜、约束层、单层纳米颗粒、三维移动平台和电脑控制系统；所述脉冲激光器、偏振控制系统和扫描振镜沿同一光轴中心依次排布；所述扫描振镜正下方设有光圈；所述光圈正下方设有聚焦透镜；所述聚焦透镜正下方设有三维移动平台；所述三维移动平台上表面放置工件；所述工件上表面覆盖单层纳米颗粒；所述单层纳米颗粒上表面覆盖约束层；所述脉冲激光器、聚焦透镜和三维移动平台均和电脑控制系统电连接。优选的，所述单层纳米颗粒为贵金属纳米颗粒。

优选的，所述贵金属纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒中的一种。

优选的，所述单层纳米颗粒的直径为a，所述脉冲激光器的波长为λ，则其满足关系式：λ/10<a<λ。

优选的，所述约束层为透明材料；所述偏振控制系统由线偏振器和1/4玻片组成；所述光圈为低通圆孔滤波器。

一种环形微孔的激光加工方法，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、偏振控制系统和扫描振镜处于同一光轴中心；调整光圈、聚焦透镜、三维移动平台至扫描振镜的焦点处；将脉冲激光器、聚焦透镜、三维移动平台和电脑控制系统电连接；

S2：预处理工件表面：将单层纳米颗粒配置成纳米颗粒悬浮液，并将纳米颗粒悬浮液沉积在工件表面，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、脉冲激光器和单层纳米颗粒的特征参数，求解工件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，设置脉冲激光器的输出能量密度J，J＝J₀/A，其中J₀为工件损伤能量密度阈值；

S5：调整光束偏振态和工件位置：调整偏振控制系统，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上；在单层纳米颗粒上表面覆盖一层约束层；

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