[发明专利]一种射流约束飞秒激光超精密加工系统及方法

说明书

本发明公开了一种射流约束飞秒激光超精密加工系统及方法，包括B轴工作台、液槽、激光射流耦合装置、平面镜、平凸透镜、第一反射镜、第二反射镜、支架、C轴卡盘，工作时，在超精密数控机床的控制下，B轴工作台和C轴卡盘可实现绕轴转动及沿轴移动，飞秒激光经聚焦后与射流发生耦合作用并到达工件表面，同时化学溶液与工件已加工表面发生微腐蚀作用并去除表面变质层等缺陷，随后在水射流的作用下将加工及化学反应过程产生的碎屑等杂质清除，提高加工表面质量，结合C轴卡盘及B轴工作台五轴联动，从而完成表面为平面、自由曲面等任意形状工件的三维结构化微细加工，拓展飞秒激光加工工件表面的种类，实现宽范围、高效、高质量加工的目的。

技术领域

本发明涉及一种射流约束飞秒激光超精密加工系统及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

近年来，飞秒激光凭借短脉宽、高分辨率和低热输入等特点在生物医疗、光电信息、机械制造和3D打印等多个领域得到了广泛应用。飞秒激光加工尺寸小、热效应小，加工对象范围广，工艺简单且绿色环保，可用于加工一些难加工的半导体材料及硬脆光学晶体，相对于一些传统加工方法，其分辨率高，热影响区小，可无掩膜加工，可实现材料三维高效、高质量的微细加工。但是空气环境下飞秒激光与固体材料相互作用会在材料表面产生烧蚀碎屑及不规则微纳周期条纹结构，使得烧蚀区及部分未烧蚀区难以获得高表面质量及面形精度。

目前，通过对飞秒激光加工后的工件表面进行化学腐蚀以提高表面质量的方法得到了应用，但是腐蚀时间较长，腐蚀效率较低。而且，目前飞秒激光微细加工以工件表面为平面为主，且表面加工的结构多为孔、线槽等简单三维结构，难以在材料表面实现柱面、非球面或自由曲面等复杂曲面三维结构加工。

发明内容

本发明的目的是为解决飞秒激光加工精度相对不高、难以完成具有复杂表面形貌工件的超精密加工问题，提出一种结构简单、设计制造成本低的射流约束飞秒激光加工系统以及一种能够实现平面、自由曲面、微细结构、曲面阵列等多种工件表面形状与结构加工的方法。

本发明的第一发明目的是提供一种射流约束飞秒激光超精密加工系统，为了实现该目的，本发明采用如下技术方案：

一种射流约束飞秒激光超精密加工系统，包括B轴工作台、液槽、激光射流耦合装置、平面镜、平凸透镜、第一反射镜、第二反射镜、支架和C轴卡盘；

所述的B轴工作台能绕Y轴转动以及沿Z轴移动，所述的液槽用于放置工件，其固定在B轴工作台上，所述的激光射流耦合装置位于液槽上方并固定在支架上，所述的平面镜、平凸透镜位于激光射流耦合装置内部，其中平凸透镜可聚焦激光光线，平面镜可传输光线并将射流与平凸透镜隔开；所述的激光射流耦合装置的侧壁上开设有供液体流入的第一孔,且第一孔在高度方向上的位置低于平凸透镜；

所述的第二反射镜与外部夹持装置连接固定，所述的第一反射镜可反射激光光线并固定在支架上，所述的支架固定在C轴卡盘上，所述的C轴卡盘与机床连接并可以绕Z轴转动以及沿X轴、Y轴移动，从而实现整个加工系统的五轴联动。

本发明的第二发明目的是提供一种利用上述系统进行射流约束飞秒激光超精密加工方法，具体如下：

将激光射流耦合装置固定在支架上、液槽固定在B轴工作台上、支架固定在C轴卡盘上，C轴卡盘、B轴工作台与超精密数控机床连接并实现绕轴转动及沿轴移动，飞秒激光经平凸透镜聚焦后与从外部射流进来的化学反应液发生耦合作用并到达待加工工件表面，同时溶液与飞秒激光加工后的工件表面发生进一步的化学反应，实现微腐蚀并去除表面变质层等缺陷的目的，并在水射流的作用下将飞秒激光加工及溶液化学反应产生的杂质清除以及带走加工过程中产生的部分热量，随后结合C轴卡盘及B轴工作台五轴联动，从而实现平面、自由曲面、曲面阵列结构等多种工件表面形状与结构的射流约束飞秒激光超精密加工。