[发明专利]一种同轴超声辅助超快激光制孔单元及方法

说明书

本发明提供一种同轴超声辅助超快激光制孔单元及方法。本发明包括超快激光器、激光导入机构、成像机构、超声电源和超声能量传输单元，所述超快激光器输出的光束射入激光导入机构，所述激光导入机构将其导入超声能量传输单元中，所述超声能量传输单元与超声电源相连，所述超声能量传输单元为容纳激光通过的中空结构，其内部设有超声传导机构，所述超声能量传输单元的输出端连接有激光头，所述激光头的输出端能够产生轴向的超声振动，所述成像机构用于基于经过超声能量传输单元接触到工件表面返回的光实现激光束对刀。本发明可以减少或避免等离子团在孔壁再次沉积，明显改善孔壁的表面质量，从而达到提高加工效率、提高加工精度及质量的目的。

技术领域

本发明涉及超快激光制造与加工领域，尤其涉及一种同轴超声辅助超快激光制孔单元及方法。

背景技术

近些年，超快脉冲激光在精密加工领域备受关注。由于超快脉冲激光脉宽短于绝大多数物理化学过程的特征时间，使制造过程中调控电子状态以及实现“非热加工”成为可能。相比于长脉冲激光，超快脉冲激光加工是一个非线性、非平衡过程，具有阈值效应明显、极小化热影响区、极小化重铸层、可控性高等特点，超快脉冲激光的应用大幅降低了加工结构的尺寸，并能够获得更高精度和质量地加工，开启了微加工的新尺度。超快脉冲激光技术的发展使得其应用已触及多个领域并且近十几年被广泛应用于微纳制造领域如航空航天燃气涡轮叶片上的气膜微孔、惯性约束聚变(ICF)点火工程中的点火靶充气微孔、高灵敏度传感器微孔结构、发动机喷油嘴微孔等。

由于在加工过程中受到高深径比影响，超快脉冲激光微孔加工过程中也会使得部分激光烧蚀区内的物质转化为等离子体：如空气等离子体，主要由于高功率密度激光在焦点附近的空气击穿现象产生；空气和材料分子等离子体，由孔内存在的部分空气和材料分子吸收激光能量而形成；材料蒸汽等离子体，主要在出口附近产生。这些溅射的等离子体在光压、温度骤降等条件下可发生重凝回落，甚至与加工深处电离或气化材料残留物聚合凝结成小液滴，在重力以及电子间的相互吸引下，这些小液滴堆积在加工表面形成固体小颗粒或凸起，等离子的堆积可导致大量激光能量被吸收，使得加工深度无法增加，出现盲孔现象，并最终影响材料结构和形貌的质量。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供一种同轴超声振动辅助超快激光制孔的方法，该方法利用超声波的高频振动来辅助激光制孔，通过超声振动使聚焦透镜在同轴产生一定的振幅，改变焦点的位置，将重凝回落的等离子团打散。超声振动主要以纵波形式传播，超声振动加快等离子体流动，使气化物质和残留物迅速排出，减少残留碎屑的堆积。碎屑的迅速排出使得激光束可以辐射到更深的部分，从而提高制孔深度和形貌质量。同时，本发明还提供了一种超声振动辅助超快激光制孔装置。本发明采用的技术手段如下：

一种同轴超声辅助超快激光制孔单元，包括超快激光器、激光导入机构、成像机构、超声电源和超声能量传输单元，所述超快激光器输出的光束射入激光导入机构，所述激光导入机构将其导入超声能量传输单元中，所述超声能量传输单元与超声电源相连，所述超声能量传输单元为容纳激光通过的中空结构，其内部设有超声传导机构，所述超声能量传输单元的输出端连接有激光头，所述激光头的输出端能够产生轴向的超声振动，所述成像机构用于基于经过超声能量传输单元接触到工件表面返回的光实现激光束对刀。

进一步地，所述激光导入机构包括二向色镜和用于夹持所述二向色镜的二向色镜装夹单元。

进一步地，所述二向色镜装夹单元内部为正方体空腔结构，上端设有方形凹槽放置窗口片，侧方设有供超快激光器照射的开口，二向色镜固定在二向色镜装夹单元内部，所述二向色镜装夹单元的下端与超声能量传输单元的输入端相连。

进一步地，所述超声能量传输单元包括前压紧端盖、后压紧端盖、压电陶瓷片、电极片、导线和变幅杆，所述前压紧端盖和后压紧端盖均为同轴中空结构，前、后压紧端盖分别通过预紧螺钉固定压紧压电陶瓷，压电陶瓷之间夹有电极片且电极片终端均由导线与接线柱连接，所述压电陶瓷和电极片均为环形结构，压电陶瓷套在后压紧端盖内壁上并由前压紧端盖压紧。