[发明专利]动能辅助激光诱导等离子体加工装置及方法

说明书

本发明公开了动能辅助激光诱导等离子体加工装置及方法，加工装置包括激光器、透镜组件、工作台、夹具、金属靶材和驱动器；该夹具和驱动器装设在工作台上，该金属靶材安装在驱动器上且通过驱动器带动金属靶材绕自身轴线转动；该透明工件装接在夹具上且透明工件间隔位于金属靶材之上；该激光器产生的激光束经透镜组件、透明工件聚焦在绕自身轴线转动之金属靶材偏心位置且与金属靶材发生相互作用，通过相互作用产生的等离子体向透明工件背面转移以刻蚀加工透明工件。它具有如下优点：利于材料去除，有效提高材料去除率。

技术领域

本发明涉及精密加工方法技术领域，尤其涉及动能辅助激光诱导等离子体加工透明硬脆材料的装置及方法。

背景技术

透明硬脆材料往往具有高硬度、大脆性、低断裂韧性等特性，一方面，材料的弹性极限和强度非常接近，属于难加工材料，加工表面易产生微裂纹、亚表面损伤层等缺陷，另一方面，透明硬脆材料导热性差，热影响区的温度梯度高，在加工过程中容易产生热裂纹。由于工业领域对一些高精密零部件往往具有较高的尺寸与形状精度需求，采用传统的透明硬脆材料加工方法，如切割、研磨和抛光都会在工件表面产生裂纹和凹坑，而且加工精度和效率较低，远不能满足材料高精密加工的需求。

随着激光器的不断发展，超短脉冲激光的生成技术愈发成熟，其可实现超细微加工(亚微米至纳米量级)，可实现透明材料内部精密的三维加工，且热影响小，加工材料范围广，通过超短脉冲激光加工的微结构加工质量同长脉冲激光对比有很大程度的提升，但是其加工成本昂贵。

聚焦离子束加工技术曾因为其高分辨率加工特点，被看成最有潜力微纳加工手段，但是其单点加工方式低下的加工效率严重阻碍了发展，而且加工过程中需要真空环境，成本较高，加工表面质量有限，工艺昂贵，耗时多，所以其在现阶段都没有作为微纳加工手段而得到工业上的广泛运用。

激光诱导等离子体加工技术作为一种低损伤的微纳加工技术，具有更高精度、更快加工速度、更好表面完整性、更小暗损伤、更低表面粗糙度、更小热影响区，在微纳制造领域应用前景巨大，被证明是一种新型可靠的透明硬脆材料加工工艺。激光诱导等离子体表面加工工艺对于光学元器件领域以及半导体领域是必不可少的，不仅可以用来实现材料的表面改性，而且可以用来加工出其他传统加工方法无法实现的表面微结构的加工，具备较高的加工效率和较好的加工表面质量，如：

CN201110120841.2的一种激光诱导等离子体注入基材的方法及装置，它公开了一种通过分离高能脉冲激光诱导的等离子体中的金属离子注入基材表层的方法和装置，可以有效的实现金属离子注入，但是加工过程中需要真空环境以及复杂的工件系统，加工成本较高，且不易实现材料去除加工。

CN201710850262.0的一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置和方法，它公开了一种透明非金属材料的加工方法，可以有效的获得相对高的非金属材料加工表面质量，但是提出的该方法只能用于微槽以及微通道加工，不能实现对特殊零件的仿形加工，且该方法加工效率较低，加工硬脆材料时不易去除硬脆材料变质层与重铸层。

发明内容

本发明提供了动能辅助激光诱导等离子体加工装置及方法，其克服了背景技术中所存在的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：动能辅助激光诱导等离子体加工装置，用于加工透明工件(8)，加工装置包括激光器(2)、透镜组件、工作台(7)、夹具(6)、金属靶材(9)和驱动器(10)；该夹具(6)和驱动器(10)装设在工作台(7)上，该金属靶材(9)安装在驱动器(10)上且通过驱动器(10)带动金属靶材(9)绕自身轴线转动；该透明工件(8)装接在夹具(6)上且透明工件(8)间隔位于金属靶材(9)之上；该激光器(2)产生的激光束(3)经透镜组件、透明工件(8)聚焦在绕自身轴线转动之金属靶材(9)偏心位置且与金属靶材(9)发生相互作用，通过相互作用产生的等离子体向透明工件(8)背面转移以刻蚀加工透明工件(8)。