超声振动辅助激光诱导等离子体加工装置及方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 撤回; |
| 专利有效性 | 无效专利 | 当前状态 | 撤回 |
| 申请号 | CN202111675155.1 | 申请日 | 2021-12-31 |
| 公开(公告)号 | CN114473221A | 公开(公告)日 | 2022-05-13 |
| 申请人 | 华侨大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 卢希钊; 陈嘉林; 姜峰; 温秋玲; 陆静; 江安娜; | 第一发明人 | 卢希钊 |
| 权利人 | 华侨大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 华侨大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：福建省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：福建省泉州市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：福建省泉州市丰泽区城东城华北路269号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：362000 |
| 主IPC国际分类 | B23K26/362 | 所有IPC国际分类 | B23K26/362 ; B23K26/402 ; B23K26/18 ; B23K26/064 ; B23K26/70 ; C23C14/32 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 9 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 厦门市首创君合专利事务所有限公司 | 专利代理人 | 张松亭; |
| 摘要 | 本 发明 公开了超声振动辅助激光诱导 等离子体 加工装置及方法，加工装置包括 激光器 、透镜组件、安装 工作台 、超声振动工作台和金属靶材；该金属靶材固装在安装工作台上，该透明 工件 安装在超声振动工作台且透明工件和金属靶材上下平隔布置，该超声振动工作台带动透明工件进行上下超声振动，该激光器发出的 激光束 经透镜组件、透明工件 辐射 聚焦在金属靶材上并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对透明工件材料进行 刻蚀 加工。它具有如下优点：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。 | ||
| 权利要求 | 1.超声振动辅助激光诱导等离子体加工装置，用于加工透明工件(6)，其特征在于：加工装置包括激光器(2)、透镜组件、安装工作台(8)、超声振动工作台(10)和金属靶材(7)；该金属靶材(7)固装在安装工作台(8)上，该透明工件(6)安装在超声振动工作台(10)且透明工件(6)和金属靶材(7)上下平隔布置，该超声振动工作台(10)带动透明工件(6)进行上下超声振动，该激光器(2)发出的激光束(3)经透镜组件、透明工件(6)辐射聚焦在金属靶材(7)上并与金属靶材(7)发生相互作用，通过相互作用产生的等离子体向透明工件(6)背面转移以对透明工件(6)材料进行刻蚀加工。 |
||
| 说明书全文 | 超声振动辅助激光诱导等离子体加工装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及精密加工方法技术领域，尤其涉及超声振动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[0002] 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。 [0003] 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。 [0004] 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。 [0005] 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： [0006] 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。 [0007] 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[0008] 本发明提供了超声振动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。 [0009] 本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：超声振动辅助激光诱导 等离子体加工装置，用于加工透明工件(6)，加工装置包括激光器(2)、透镜组 件、安装工作台(8)、超声振动工作台(10)和金属靶材(7)；该金属靶材(7) 固装在安装工作台(8)上，该透明工件(6)安装在超声振动工作台(10)且透 明工件(6)和金属靶材(7)上下平隔布置，该超声振动工作台(10)带动透明 工件(6)进行上下超声振动，该激光器(2)发出的激光束(3)经透镜组件、透 明工件(6)辐射聚焦在金属靶材(7)上并与金属靶材(7)发生相互作用，通过 相互作用产生的等离子体向透明工件(6)背面转移以对透明工件(6)材料进行 刻蚀加工。 [0010] 一实施例之中：该透镜组件包括扫描振镜(4)和聚焦透镜(5)，该激光器(2) 发出的激光束(3)经扫描振镜(4)和聚焦透镜(5)再至透明工件(6)。 [0011] 一实施例之中：该安装工作台(8)为可升降工作台，该超声振动工作台(10) 上设可升降夹具(9)，该透明工件(6)安装在可升降夹具(9)。 [0012] 一实施例之中：还包括电脑控制系统(1)，该电脑控制系统(1)连接激光器 (2)、超声振动工作台(10)。 [0013] 一实施例之中：该透明工件(6)和金属靶材(7)上下间隔的间距为 0.05‑0.5mm。 [0014] 一实施例之中：该金属靶材(7)材质由高原子序数的元素组成。 [0015] 一实施例之中：该超声振动工作台(10)的超声振动频率为25—35kHz，超 声振动振幅为1—12μm。 [0016] 一实施例之中：该相互作用为激光束(3)辐射聚焦在金属靶材(7)上表面， 金属靶材(7)吸收激光能量，使金属靶材(7)上表面产生升温汽化，汽化后的 粒子继续吸收激光能量，当激光能量大于金属靶材(7)材料击穿阈值，则金属靶 材(7)被击穿形成等离子体，等离子体继续吸收激光能量从而发生局部爆炸并在 透明工件(6)下表面进行刻蚀或者沉积。 [0017] 本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：超声振动辅助激光诱导 等离子体加工方法，包括： [0018] 将透明工件(6)安装在超声振动工作台(10)，将金属靶材(7)安装在安装 工作台(8)； [0019] 激光器(2)发出激光束(3)，超声振动工作台(10)带动透明工件(6)进 行上下超声振动，激光器(2)发出的激光束(3)经透镜组件、透明工件(6)辐 射聚焦在金属靶材(7)上并与金属靶材(7)发生相互作用，通过相互作用产生 的等离子体向透明工件(6)背面转移以对透明工件(6)材料进行刻蚀加工。 [0020] 本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点： [0021] 超声振动辅助激光诱导等离子体实现加工，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，可用来对异性零部件进行加工，实现工业上的高精密加工质量 需求，解决透明硬脆材料异形工件的加工难题。附图说明 [0022] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。 [0023] 图1是具体实施方式超声振动辅助激光诱导等离子体加工装置结构示意图。图2为利用激光诱导等离子体加工装置应用实例的微槽实际加工效果图。 具体实施方式[0024] 请查阅图1和图2，超声振动辅助激光诱导等离子体加工装置，用于加工透 明工件6，它包括电脑控制系统1、激光器2、透镜组件、安装工作台8、超声振 动工作台10和金属靶材7，该透镜组件包括扫描振镜4和聚焦透镜5，该电脑控 制系统1连接激光器2、超声振动工作台10；该金属靶材7固装在安装工作台8 上，该透明工件6安装在超声振动工作台10且透明工件6和金属靶材7上下平隔 布置，该超声振动工作台10带动透明工件6进行上下一维超声振动，该激光器2 发出的激光束3经扫描振镜4、聚焦透镜5、透明工件6辐射聚焦在金属靶材7 上并与金属靶材7发生相互作用，通过相互作用产生的等离子体向透明工件6背 面转移以对透明工件6材料进行刻蚀加工，超声振动能有效去除工件表面硬脆变 质层，且，超声振动和激光聚焦相配合以提高刻蚀效率及加工表面质量。通过扫 描振镜4使激光束3转向 90度再至聚焦透镜5进行聚焦，采用上述布局合理，结 构紧凑。 [0025] 该安装工作台8为可升降工作台，该超声振动工作台10上设可升降夹具9， 该透明工件6安装在可升降夹具9，该可升降夹具9如设直线电机以能通过直线 电机实现升降，带动透明工件6沿靶材法线方向平移；该透明工件6和金属靶材 7上下间隔的间距为定值且如为0.05‑0.5mm。 [0026] 该透明工件6如具有较好的全波段激光透过性或者在某一特定波段有较好的 激光透过性，如金刚石、蓝宝石、玻璃等。如果被加工的透明材料在某一特定波 段有较好的激光透过性，则选择所述特定波段范围激光之激光器，使激光能量可 以近无损失达到靶材，从而高效产生等离子体；同时激光光斑大小与被加工零件 特征几何尺寸相匹配，优选的，被加工零件特征几何尺寸在100微米时，激光光 斑大小控制在10微米以下。 [0027] 透过透明工件6打到靶材7上的激光可以有多种形式，优选的，包括点激光、 线激光和面激光，其中点激光可以达到较高的加工精度，而线激光和面激光可以 达到较高的加工效率。 [0028] 该金属靶材7材质是惰性或活性，惰性则其不与被加工材料发生化学反应， 产生的等离子体依靠冲击、热烧蚀等物理过程实现被加工材料去除，活性则其与 被加工材料发生化学反应，产生的等离子体在冲击、热烧蚀去除的同时加入了化 学去除，进一步提升了去除效率。优选的，金属靶材材质由高原子序数的元素组 成，这样形成的等离子体有更大的动能，可以更好的通过冲击实现材料去除。该 金属靶材7如选用超精密加工技术进行靶材的制备，优选的，用单点金刚石超精 密切削进行有色金属靶材的加工；用单点超精密磨削进行黑色金属靶材的加工， 优先的，选用可加工性好的材料作为靶材。金属靶材7形状为固体长方形块状， 但是其表面法线方向指向靶材外部，以保证较好的等离子体发射能力。 [0029] 该超声振动工作台10的超声振动频率为25—35kHz，超声振动振幅为1—12 μm。 [0030] 超声振动辅助激光诱导等离子体加工方法，包括： [0031] 将透明工件6安装在超声振动工作台10，将金属靶材7安装在安装工作台8； [0032] 激光器2发出激光束3，超声振动工作台10带动透明工件6进行上下超声振 动，激光器2发出的激光束3经透镜组件、透明工件6辐射聚焦在金属靶材7上 并与金属靶材7发生相互作用，通过相互作用产生的等离子体向透明工件6背面 转移以对透明工件6材料进行刻蚀加工。该相互作用具体为：激光束3辐射聚焦 在金属靶材7上表面，金属靶材7吸收大量激光能量，使金属靶材7上表面一层 很薄的区域面产生升温汽化，汽化后的粒子继续吸收激光能量，当激光能量大于 金属靶材7材料击穿阈值，则金属靶材7被击穿而产生“雪崩式”电离从而形成 高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量从而发生局部爆炸并在透明工件 6下表面进行刻蚀或者沉积，等离子体由未电离的中性粒子、电子以及离子构成。 [0033] 具体应用实例如：利用超声振动辅助激光诱导等离子体刻蚀技术加工蓝宝石 衬底(透明工件6)，蓝宝石衬底由可升降夹具9夹持，可升降夹具9固定在采用 超声发生器驱动实现超声振动的振动工作台10上，激光器采用1064nm红外激光 器，激光器产生激光束聚焦在金属铜靶上，产生铜等离子体反向轰击蓝宝石衬底 背面，从而产生烧蚀和汽化效果，对部分蓝宝石材料的去除，并实现表面质量优 化。所述激光脉冲功率为18W，激光扫描速度为0.05mm/s，激光脉冲频率为170KHz， 激光脉宽为13ns。 [0034] 超声振动辅助激光诱导等离子体加工装置及方法，采用超声振动辅助激光诱 导等离子体实现加工，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；大大降 低刻蚀激光能量密度阈值，并且可以比较显著的改善刻蚀表面的质量，工序简单、 使用灵活、容易实现等突出优点，应用前景巨大；超声振动辅助能有效去除工件 表面的硬脆变质层，提高加工表面精度以及加工质量；可用来对异性零部件进行 加工，实现工业上的高精密加工质量需求，解决透明硬脆材料异形工件的加工难 题。 |
||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈