[发明专利]一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法

说明书

本发明提供一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法，主要解决现有激光加工方式加工的微孔深径比不能满足要求的问题。该方法将飞秒激光空间整形长焦深光束沿光轴方向步进移动，从而进行多脉冲激光拼接加工微孔，提高了微孔加工深径比。同时，本发明方法采用倒置加工，使激光可以在透明基板内连续聚焦。此外，本发明方法在透明基板下设置水膜层，采用毛细作用提高制造微孔的通透率。

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法。

背景技术

随着航空航天技术的不断更新，航空发动机叶片、喷油嘴、频率选择面等部件需要加工各类微小孔以满足越来越严苛的要求。超快激光加工技术由于具有无热效应、无应力、柔性度高等优点，已逐渐成为航空航天领域的关键制造技术。

飞秒激光制孔是一种无接触微孔制造方法，该方法具有加工尺度小、加工质量高等优势，并且该方法通过光束整形可以极大提升微孔制造的深径比，在透明材料上加工的微孔深径比可达几百比一，但是，其仍不能满足相关应用领域深径比的需求。

为了进一步提高微孔制造的深径比，中国专利CN108747059A公开了一种飞秒激光时/空整形光丝制备高质量高深径比微孔的装置，该装置中的激光经过两透镜聚焦后在待加工样品上形成的微孔直径相等，调节两聚焦透镜，使两个独立的光丝在空间上共线并且首尾叠加，形成一个延长的均匀光丝，从而提高微孔的深径比。但是，上述加工方法仍存在以下不足：1)通过两组不同光路分别形成的激光光丝的光能分布不一致，导致延长的光丝不均匀，降低了微孔一致性；2)分光后形成的光丝采用首尾叠加方式，使得光路复杂，且叠加长度有限。

发明内容

针对现有激光加工的微孔深径比不能满足要求的问题，本发明提供一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法，该方法是一种基于飞秒激光空间整形、倒置拼接加工等实现透明材料大深径比微孔加工的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种透明材料超大深径比微孔激光加工方法，包括以下步骤：

步骤一、设置飞秒激光贝塞尔光束加工系统；

所述飞秒激光贝塞尔光束加工系统包括飞秒激光器、以及依次设置在飞秒激光器输出光路上的扩束镜、波片、光阑和光束整形模块；所述光束整形模块包括依次设置的锥透镜、第一平凸透镜、第二平凸透镜；

步骤二、将透明材料试片放置在XYZ三轴的运动平台上；

步骤三、移动运动平台，将飞秒激光器形成的贝塞尔光束对焦在透明材料试片内部，随后触发飞秒激光器输出一个激光脉冲，实现透明材料试片内单个微孔的加工；

步骤四、调整锥透镜和第一平凸透镜、第二平凸透镜的光学间距，并移动运动平台的X轴或Y轴，再次触发飞秒激光器输出一个激光脉冲，在透明材料试片内不同位置再次加工形成微孔；

步骤五、重复步骤四，得到不同光学间距下激光脉冲在透明材料试片内加工的多个微孔；

步骤六、从透明材料试片的侧面测量微孔的直径和深度，得到不同光学间距与微孔加工直径、深度的关系；

步骤七、在运动平台上放置一块光学平晶，并在光学平晶上方滴加去离子水或蒸馏水，并将待加工的透明基板放置在光学平晶上，使光学平晶与透明基板之间形成一层水膜，要求水膜厚度在0.01mm～0.02mm；

步骤八、根据步骤六获取的光学间距与微孔加工直径、深度的关系，同时，根据需要加工的微孔直径，调整锥透镜和第一平凸透镜、第二平凸透镜的光学间距；

步骤九、将飞秒激光器贝塞尔光束的激光焦点聚焦在透明基板下表面，触发飞秒激光器输出一个激光脉冲，实现单个微孔加工；