一种激光加工方法和加工系统
阅读：974发布：2021-06-11
专利汇可以提供一种激光加工方法和加工系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 实施例 提供了一种激光加工方法和加工系统，该方法包括：获得激光脉冲宽度短于或等于10皮秒的第一超短脉冲激光；利用所述第一超短脉冲激光对加 工件 进行加工。通过本 发明 实施例提供的方案，能够为加工件提供既精确又干净的加工过程。，下面是一种激光加工方法和加工系统专利的具体信息内容。
1.一种激光加工方法，其特征在于，包括：
获得激光脉冲宽度短于或等于10皮秒的第一超短脉冲激光；
利用所述第一超短脉冲激光对加工件进行加工。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在通过第一超短脉冲激光对加工件进行加工前，在所述加工件和所述第一超短脉冲激光之间的电磁场中预先形成至少一个自由电子。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预先形成至少一个自由电子具体是通过向所述加工件施加激光预脉冲实现的。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光预脉冲包括紫外激光预脉冲或飞秒激光预脉冲。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在利用所述第一超短脉冲激光对加工件进行加工的过程中，控制所述第一超短脉冲激光的光束中强度超过加工所述加工件的强度阈值的部分只有所述光束的峰值部分。
6.一种激光加工系统，其特征在于，包括：
第一超短脉冲激光器，用于获得激光脉冲宽度短于或等于10皮秒的第一超短脉冲激光；
加工件，用于利用所述第一超短脉冲激光对其进行加工。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在通过第一超短脉冲激光对加工件进行加工前，在所述加工件和所述第一超短脉冲激光之间的电磁场中预先存在至少一个自由电子。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述激光加工系统还包括：
预脉冲激光发生装置，用于预先向所述加工件施加激光预脉冲，以在所述加工件和所述第一超短脉冲激光之间的电磁场中预先形成至少一个自由电子。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述预脉冲激光发生装置为紫外激光预脉冲发生装置或飞秒激光预脉冲发生装置。
10.根据权利要求7所述的系统，所述第一超短脉冲激光器还用于预先向所述加工件施加激光预脉冲，以使所述加工件和所述第一超短脉冲激光之间的电磁场中预先形成至少一个自由电子。
一种激光加工方法和加工系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种激光加工技术领域，尤其涉及一种激光加工方法和加工系统。
背景技术
[0002] 在利用激光进行加工的过程中，加工件上的热量会从激光聚焦点向外扩散，使得熔融区域的尺寸远大于激光聚焦点的尺寸，因此通常情况下很难做到微细加工，即激光加工过程中的热扩散对加工件的加工精度有不利影响。
[0003] 另外加工件材料中的随机过程模型也会影响加工精度。具体地，当激光脉冲进入加工件的材料中雨后，开始产生电子受激振荡，束缚电子因受限于固定位置，所以仅产生小幅度的振动；而未受束缚的自由电子一旦受激便将强烈振荡起来，而且自由电子偶尔会碰到附近的原子，如果激光场强足够大，在自由电子碰撞附近的原子的过程中，会将被碰撞的原子中的电子从束缚的能级中踢出，如此便有了两个自由电子；而这两个自由电子再去碰撞出另外两个附近的原子中的电子，如此一直反复下去，这类的倍增效应称之为雪崩效应。而在对加工件进行加工精度更高的激光加工时，上述的雪崩效应是必需的。在一开始时，如果没有股走的自由电子，就没有雪崩过程的开始，也就无法实现激光脉冲对加工件的加工。
在金属材料中存在非常充分的自由电子，因此雪崩过程几乎是马上发生，使得加工的再现性极佳。但是在半导体或绝缘体内，自由电子相对较少，所以雪崩过程不见得马上发生，这取决于光束是否打到自由电子，假设一开始电磁场内存在一些自由电子，那加工会显得比较有效率，倘若没有，雪崩效应不会开始，所以加工的过程就必须靠些运气，这导致加工的不稳定性，即时激光脉冲是非常稳定且每个脉冲的聚焦点大小和能量大小都一样，加工的结果仍然会有所不同，这个实现非常细微的加工带来非常严重的限制，因此也不利于提高加工精度。
在金属材料中存在非常充分的自由电子，因此雪崩过程几乎是马上发生，使得加工的再现性极佳。但是在半导体或绝缘体内，自由电子相对较少，所以雪崩过程不见得马上发生，这取决于光束是否打到自由电子，假设一开始电磁场内存在一些自由电子，那加工会显得比较有效率，倘若没有，雪崩效应不会开始，所以加工的过程就必须靠些运气，这导致加工的不稳定性，即时激光脉冲是非常稳定且每个脉冲的聚焦点大小和能量大小都一样，加工的结果仍然会有所不同，这个实现非常细微的加工带来非常严重的限制，因此也不利于提高加工精度。
发明内容
[0004] 本发明提供一种激光加工方法和加工系统，能够提高加工精度。
[0005] 为实现上述目的，本发明一方面提供一种激光加工方法，包括：
[0006] 获得激光脉冲宽度短于或等于10皮秒的第一超短脉冲激光；
[0007] 利用所述第一超短脉冲激光对加工件进行加工。
[0009] 在一个优选的实施例中，所述预先形成至少一个自由电子具体是通过向所述加工件施加激光预脉冲实现的。
[0010] 在一个优选的实施例中，所述激光预脉冲包括紫外激光预脉冲或飞秒激光预脉冲。
[0011] 在一个优选的实施例中，在利用所述第一超短脉冲激光对加工件进行加工的过程中，控制所述第一超短脉冲激光的光束中强度超过加工所述加工件的强度阈值的部分只有所述光束的峰值部分。
[0012] 本发明另一方面还提供一种激光加工系统，包括：
[0013] 第一超短脉冲激光器，用于获得激光脉冲宽度短于或等于10皮秒的第一超短脉冲激光；
[0014] 加工件，用于利用所述第一超短脉冲激光对其进行加工。
[0015] 在一个优选的实施例中，在通过第一超短脉冲激光对加工件进行加工前，在所述加工件和所述第一超短脉冲激光之间的电磁场中预先存在至少一个自由电子。
[0016] 在一个优选的实施例中，所述激光加工系统还包括：
[0017] 预脉冲激光发生装置，用于预先向所述加工件施加激光预脉冲，以在所述加工件和所述第一超短脉冲激光之间的电磁场中预先形成至少一个自由电子。
[0018] 在一个优选的实施例中，所述预脉冲激光发生装置为紫外激光预脉冲发生装置或飞秒激光预脉冲发生装置。
[0019] 在一个优选的实施例中，所述第一超短脉冲激光器还用于预先向所述加工件施加激光预脉冲，以使所述加工件和所述第一超短脉冲激光之间的电磁场中预先形成至少一个自由电子。
[0021] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022] 图1是本发明一个实施例提供的一种激光加工方法的示意图；
[0023] 图2是本发明另一个实施例提供的一种激光加工方法的示意图；
[0024] 图3是本发明一个实施例提供的一种激光加工系统的示意图；
[0025] 图4是本发明另一个实施例提供的一种激光加工系统的示意图。
具体实施方式
[0026] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
[0027] 本发明实施例提供一种激光加工方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
[0028] 步骤S101：获得激光脉冲宽度短于或等于10皮秒的第一超短脉冲激光；
[0029] 步骤S102：利用步骤S101获得的第一超短脉冲激光对加工件进行加工。
[0030] 发明人对激光脉冲对金属等材料的加工件进行加工过程中所产生的各种作用过程进行了详细的分析论证后认为，在激光脉冲作用于金属材料时，由于反向韧制辐射，激光的能量会被自由电子吸收。然后，被吸收的激光能量需要在电子系统中热能化，将能量传输到劲歌中，由于电子的能量传输给了熔接目标，导致能量流失。而电子比热容远远低于晶格的比热容，因此电子会被加热到一个非常高的瞬时温度，在这个过程中存在三个特征时间量，分别是电子的冷却时间τe＝Ce/γ，晶格的加热时间τi＝Ci/γ，激光脉冲的持续时间τL，其中电子的冷却时间远小于晶格的加热时间。在飞秒脉冲激光的条件下，激光脉冲持续时间远小于电子的冷却时间，此时可以忽略电子-晶格耦合，在用飞秒脉冲激光对加工件表面进行熔解时，接触到加工件固体的时间非常短就可以完成熔解过程，所以这个过程看以看做固体的直接企划(或者固体的直接液化)，此时晶格在1ps内被加热，物体变为气态或离子态，进而在真空中快速的扩散。整个过程的热传导在一次近似中被忽略掉了，通过实践证实，通过飞秒脉冲激光可以对金属材料的加工件进行精确而干净的加工过程。
[0031] 而发明人同时也试验和分析了皮秒脉冲激光和纳秒脉冲激光对金属加工件的加工过程。在利用皮秒脉冲激光对金属加工件进行加工的过程中，脉冲激光的持续时间远小于晶格的加热时间，电子的冷却时间远小于脉冲激光的持续时间，这使得熔解深度和激光能量的对数依然成立，激光熔解都伴有电子热传导和金属内部被融化区域的形成。而在纳秒脉冲激光对金属加工件进行加工的过程中，脉冲激光的持续时间远大于晶格的加热时间，在此激光脉冲范围内，被吸收的激光能量先加热金属表面至熔点，然后再至蒸发温度，比起融化，金属蒸发需要更多的能量，在整个过程中，主要的能量缺失在热传导入熔解物时发生。由于液态金属的蒸发现象，在真空中使用纳秒激光精确得熔解金属是非常困难的。
[0032] 以下以一个具体的实施方式详细说明本发明的具体实现。
[0033] 如图2所示，本发明另一个实施例提供的激光加工方法包括如下步骤：
[0034] 步骤S201：在加工件附近的电磁场中预先形成至少一个自由电子。
[0035] 这里的自由电子是雪崩过程的基础，决定了后续利用超短脉冲激光对加工件进行加工的精度和稳定性。
[0036] 在加工件的材料为金属时，由于金属中本身就存在非常充分的自由电子。但非金属材料的加工件在被激光脉冲加工前有时没有自由电子，为此需要预先采取措施以使非金属材料产生足够的自由电子，提高非金属材料加工件的加工稳定性和加工精度。
[0037] 在实际中可以在通过对加工件施加激光预脉冲，实现在加工件附近的电磁场中形成充分的自由电子。在非金属材料中已经存在大量的电子，只是绝大部分都是束缚电子，无法直接形成雪崩过程，而通过施加激光预脉冲可以将束缚电子转变为自由电子，也就有利于形成雪崩过程。可以选择紫外激光预脉冲或者飞秒激光预脉冲作为上述激光预脉冲，这两种激光预脉冲能够将束缚电子瞬间变为自由电子。
[0038] 以飞秒激光预脉冲为例，这种超快激光能够产生非常高的尖峰功率，当超快激光脉冲进入加工件材料时，即开始造成电子受激振荡，且超快激光产生的超强电磁场会使束缚电子瞬间从能阶中被提出成为自由电子，能够马上创造出一个具有大量自由电子的环境，也因此雪崩过程会立即展开。
[0039] 步骤S202：获得激光脉冲宽度短于或等于10皮秒的第一超短脉冲激光。
[0040] 步骤S203：利用步骤S202中获得饿第一超短脉冲激光对所述加工件进行加工，并控制第一超短脉冲激光的光束中，强度超过加工件加工阈值的部分只有该光束的峰值部分。
[0041] 由于在步骤S201中已经获得了雪崩过程所需的自由电子，所以雪崩过程可以立即开始，进而可以稳定地完成第一超短脉冲激光对加工件的加工过程。
[0042] 在利用脉冲激光对加工件进行加工时，如果想达到最小的特征尺寸，必须将光束聚焦到能够做到的最小尺寸，通常在不考虑热效应的前提下，这个最小的尺寸大约是激光的中心波长大小，例如1微米中心波长的激光，最小的光束聚焦点的尺寸大约就是1微米。
[0043] 在此基础上，发明人进一步提出了控制将激光加工的特征尺寸缩小到远低于中心波长的方案，具体地，首先将第一超短脉冲激光进行聚焦，在加工件表面的聚焦点的光强度分布呈现高斯分布；由于不存在热效应，需要考虑加工该加工件的强度阈值，只有超过该强度阈值的部分会被加工，为此可以控制第一超短脉冲激光的光束中强度超过该强度阈值的部分只有该光束的峰值部分，就能只有很小的限定区域被加工，该限定区域的大小甚至能够小到只有光束聚焦点大小的十分之一。例如以一个中心波长为0.2微米的飞秒脉冲激光对加工件进行加工，最理想的情况能够达到仅约20纳米大小的加工尺寸，这在传统的长脉冲激光是无法办到的。
[0044] 本发明实施例提供的激光加工方法，能够加工几乎所有材料的加工件，且加工过程不会污染加工件，没有熔融残渣、微裂缝、振波、重铸区或剥离层，也不会伤害其他微结构，利用本发明提供的激光加工方法加工出的产品可以直接使用。
[0045] 本发明实施例相应还提供一种激光加工系统，如图3所示，该激光加工系统30包括第一超短脉冲激光器31和加工件32。其中第一超短脉冲激光器31用于获得激光脉冲宽度短于或等于10皮秒的第一超短脉冲激光，加工件32用于利用第一超短脉冲激光对其进行加工。
[0046] 图4示出了本发明中的激光加工系统的一种更具体的实现方案，如图4所示，该具体实现方案的激光加工系统40包括飞秒脉冲激光器41、偏振控制装置42、预脉冲控制装置43、光学聚焦系统44和加工件45。
[0047] 飞秒脉冲激光器41用于输出脉宽为飞秒量级的脉冲激光。偏振控制装置42用于对飞秒脉冲激光器41输出的激光进行偏振控制，提高激光的峰值功率和进一步减小激光脉冲的脉冲宽度，通常上述偏振控制装置42可以由一个半波片(即1/2波片)和一个PBS分光器组成。
[0048] 预脉冲控制装置43用于实现对飞秒脉冲激光器41输出的激光进行处理，得到预脉冲的效果，由此实现通过一台激光器就能既产生预脉冲、又能产生用于加工加工件的第一超短脉冲激光的目的。本领域技术人员应该能够理解，在实际中也可以另外单独设置预脉冲激光发生装置，用于预先向加工件施加激光预脉冲，以在加工件和第一超短脉冲激光之间的电磁场中预先形成至少一个自由电子，这里的预脉冲激光发生装置可以是紫外激光预脉冲发生装置或者飞秒激光预脉冲发生装置。
[0049] 光学聚焦系统44用于对从预脉冲控制装置43输出的脉冲激光光束进行聚焦，以缩小光束在加工件45上照射的光斑的尺寸。
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