一种使用超快激光加工ICF靶丸锥形充气孔的方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202211518483.5 | 申请日 | 2022-11-30 |
| 公开(公告)号 | CN116275604A | 公开(公告)日 | 2023-06-23 |
| 申请人 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心; | 申请人类型 | 科研院所 |
| 发明人 | 杨亮; 黄滟荻; 宋成伟; 李朝阳; 李国; 张春雨; 刘峰; 谢春平; | 第一发明人 | 杨亮 |
| 权利人 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 权利人类型 | 科研院所 |
| 当前权利人 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 当前权利人类型 | 科研院所 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：四川省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：四川省绵阳市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：四川省绵阳市游仙区绵山路64号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：621900 |
| 主IPC国际分类 | B23K26/382 | 所有IPC国际分类 | B23K26/382 ; B23K26/046 ; B23K26/18 ; B23K26/70 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 8 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 成都弘毅天承知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 聂红霞; |
| 摘要 | 本 发明 公开了一种使用超快激光加工ICF靶丸锥形充气孔的方法，涉及 激光束 加工领域，解决小孔尺寸与材料的要求导致传统 机械加工 在靶丸打孔上应用受限的问题，包括：飞秒 激光器 的激光穿过聚焦物镜，将焦点对准靶丸顶端；将飞秒激光器的激光 平均功率 调至2‑4mW；以靶丸 顶点 为圆心，加工最大直径为4‑20μm的同心圆；加工完一层后，关闭激光，激光移动回圆心，将Z轴下降；至激光焦点位于靶丸顶点表面或位于靶丸壁厚的2/3 位置 的上方5‑10μm处；本发明可加工不同尺寸的靶丸锥形充气孔，在保证充气管插至需要的靶丸壳层位置的同时，大大提高了后续管球配合的准确性和成功率，对于 支撑 激光 惯性约束聚变 实验的推进具有重要的意义。 | ||
| 权利要求 | 1.一种使用超快激光加工ICF靶丸锥形充气孔的方法，其特征在于，包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种使用超快激光加工ICF靶丸锥形充气孔的方法技术领域背景技术[0002] 惯性约束聚变(ICF)要求以多束高能量脉冲激光，同时均匀照射在靶丸上发生作用，进而诱发核聚变。该过程需要大量的靶丸进行实验，且对靶丸各项参数有严格的要求，激光聚变靶丸的质量是决定激光聚变实验是否成功的关键因素之一。靶丸充气孔是物理实验靶填充气体燃料的必需微结构，其加工质量直接影响物理实验管球组件(充气管与靶丸)的质量及其与物理设计的符合性。充气孔的加工直接关系到充气管与靶丸结合后密封性能的好坏。因此，加工满足物理设计要求的尺寸且适合管球组件对接密封性的孔形的充气孔对于保证激光惯性约束核聚变实验的成功具有重要意义。 [0003] 对于微孔加工，使用传统切削加工的方式会受制于市面上微刀具的尺寸，导致可加工孔径不够小，不满足要求。且在加工过程中会产生接触力，容易使靶丸产生微裂纹，影响靶丸的后续使用。加上靶丸常用材料中包括硬脆材料(如HDC)，易造成刀具和材料的崩坏。 发明内容[0004] 本发明的目的在于：为了解决上述小孔尺寸与材料的要求导致传统机械加工在靶丸打孔上应用受限的技术问题，本发明提供一种使用超快激光加工ICF靶丸锥形充气孔的方法。 [0005] 本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：一种使用超快激光加工ICF靶丸锥形充气孔的方法，包括如下步骤： [0006] 步骤1、将靶丸固定并置于加工区聚焦物镜下方； [0008] 步骤3、将Z轴不动或将Z轴上移2/3靶丸壁厚的距离，即此时焦点位于靶丸顶端或位于靶丸顶端上方2/3靶丸壁厚的距离处； [0009] 步骤4、将飞秒激光器的激光平均功率调至2‑4mW； [0010] 步骤5、以靶丸顶点为圆心，使用逐层旋切的工艺，加工最大直径为4‑20μm的同心圆； [0011] 步骤6、加工完一层后，关闭激光，激光移动回圆心，将Z轴下降10μm； [0012] 步骤7、重复步骤5和6，至激光焦点位于靶丸顶点表面或位于靶丸壁厚的2/3位置的上方5‑10μm处，此时加工完成小孔锥度为T，靶丸壁厚的2/3处的孔径为Ф的锥形充气孔。 [0013] 本申请的技术方案中：通过提升束斑圆度和单点加工分辨率(横向半径≤0.003μm，深度≤0.005mm)，可以进一步提升超快激光加工ICF靶丸锥形充气孔方法的精度和工艺稳定性，可以完成对直径4‑20μm的充气孔加工。针对批量性生产，同批生产的靶丸充气微孔的尺寸偏差<2μm，锥度偏差<1°，合格率达90％。本申请的工艺中，在大部分的情况下，加工使用的激光加工功率都小于10mW，与现有技术在能耗控制、加工精确度等方面相比具有一定优势，达到了优化激光功率使用的目的。通过不同参数的控制可以适应于不同孔径的要求，实用性强，加工成本低。本申请建立了飞秒激光分层扫描GDP靶丸充气孔加工工艺，可以加工不同尺寸的靶丸锥形充气孔，在保证充气管插至需要的靶丸壳层位置的同时，大大提高了后续管球配合的准确性和成功率，对于支撑激光惯性约束聚变实验的推进具有具体的应用意义。 [0014] 本申请的工艺可以用于GDP靶丸或HDC靶丸充气孔的加工。 [0015] 本申请针对孔径要求＜20μm的充气孔，提供了一种可以精确加工出满足物理实验要求小孔，并保证尺寸与形貌可控的方法。 [0017] 本申请的技术方案中，孔径的控制方法如下： [0019] 由于激光焦点位置对孔型与孔径的影响较大，对于不同特定位置的孔径要求，可以通过在激光功率值固定的情况下，将激光聚焦于对靶丸壳层不同深度位置进行加工，并将加工结果的微孔直径进行对比，确定靶丸上满足充气孔各个孔径尺寸要求的激光焦点位置，从而满足其他孔径锥形孔的加工要求。 [0020] 本申请中，加工使用飞秒激光器输出激光脉冲宽度约为100fs，由于光束传输过程中飞秒激光束通过透明介质时会被展宽，作用到材料上的脉宽约为130fs。中心波长800nm，带宽28nm。输出的重复频率为1000Hz。聚焦前在光路中增加小孔以选择高斯光束横截面强度分布最均匀的部分作为直接加工光源。使用显微物镜(Nikon，LU Plan)实现飞秒激光束的聚焦，同时做瞄准系统的显微镜头。瞄准定位系统通过调整成像透镜的位置，使激光焦点位于样品表面时样品的表面可以清晰成像到显示器上。这样就可以保证激光焦点与样品表面之间相互位置的一致性。飞秒激光器输出的最大激光脉冲能量为1.2mJ，可通过能量衰减单元(由半波片和偏振片组成)使脉冲能量在0～1.2mJ的范围内调节。 [0021] 进一步的，步骤1具体为载玻片表面覆盖双面胶后将靶丸置于载玻片上部的双面胶上，静置15‑20min(防止在移动样品或后期加工过程中靶丸出现滚动，导致破坏孔型)，后将固定有靶丸的载玻片移动至使靶丸置于加工区聚焦物镜下方。 [0022] 进一步的，靶丸的材料为GDP。 [0023] 更进一步的，靶丸的壁厚为55‑70μm。 [0024] 进一步的，T＝10‑20°。 [0025] 进一步的，Ф＝4‑20μm。 [0026] 进一步的，步骤5中，逐层旋切的工艺包括通过平移台X、Y轴联动，从所需加工圆形的圆心开始从内至外画同心圆，相邻同心圆的半径径增量小于激光光斑的直径。 [0027] 进一步的，飞秒激光器输出激光脉冲宽度为100fs，中心波长800nm，带宽28nm，输出的重复频率为1000Hz，输出的平均功率为0‑40mW。 [0028] 本发明的有益效果如下： [0029] 1、可加工小孔尺寸的缩小和精度的提升：通过此加工方法，可以完成对直径4‑20μm的充气孔加工。针对高精度锥形充气孔应用需求，通过提升束斑圆度和单点加工分辨率(横向半径≤0.003μm，深度≤0.005mm)，可以进一步提升超快激光加工ICF靶丸锥形充气孔方法的精度和工艺稳定性，针对批量性生产，同批生产的靶丸充气微孔的尺寸偏差<2μm，锥度偏差<1°，合格率达90％。 [0030] 2、激光能量利用率的提升：在大部分的情况下，加工使用的激光加工功率都小于10mW。与现有技术在能耗控制、加工精确度等方面相比具有一定优势，达到了优化激光功率使用的目的。 [0032] 图1是充气孔形貌结构示意图； [0033] 图2是充气孔尺寸参数要求结构示意图； [0034] 图3是激光旋切加工路径示意图； [0035] 图4是实施例2加工的靶丸锥形充气孔图； [0036] 图5是实施例2加工的靶丸锥形充气孔与充气管装配的效果图。 具体实施方式[0037] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 [0038] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。 [0039] 实施例1 [0040] 如图1所示，随着物理实验需求逐步提高，现充气孔在孔径尺寸以及孔形方面的要求越来越复杂，为保证充气管插入后管口在充气孔中的位置，提出了锥形充气孔加工需求。如图1所示，整个加工与装配需求包括靶丸外表面孔径、靶丸内表面孔径、特定位置孔径、孔径锥度、充气管位置等。为保证物理实验数据的一致性，充气孔加工的尺寸偏差也有了更高的要求：同批次充气孔加工的尺寸偏差在±2μm内。如图2所示，对于靶丸的锥形孔加工，主要需要控制两个尺寸参数：小孔锥度T以及特定位置的孔径Ф，Ф定义为靶丸壁厚的2/3处的孔径。激光逐层旋切加工路径：通过平移台X、Y轴联动，从所需加工圆形的圆心开始从内至外画同心圆，相邻同心圆的半径径增量需要小于激光光斑的直径，激光光斑的移动路径如图3所示。 [0041] 实施例2 [0042] 如图1到5所示，本实施例提供Ф＝15μm，T＝(15±2)°的锥形孔加工方法： [0043] 步骤1、载玻片表面覆盖双面胶后将GDP靶丸置于载玻片上部的双面胶上，静置20min，后将固定有靶丸的载玻片移动至使靶丸置于加工区聚焦物镜下方； [0044] 步骤2、飞秒激光器的激光穿过聚焦物镜，此时激光光斑直径为5μm，通过移动Z轴调整聚焦物镜纵向位置，将焦点对准靶丸顶端； [0045] 步骤3、将飞秒激光器的激光平均功率调至4mW； [0046] 步骤4、以靶丸顶点为圆心，使用逐层旋切的工艺，加工最大直径为15μm的同心圆； [0047] 步骤5、加工完一层后，关闭激光，激光移动回圆心，将Z轴下降10μm； [0048] 步骤6、重复进行步骤4至5，至激光焦点位于靶丸壁厚的2/3位置的上方5‑10μm处，此时加工完成小孔锥度为T＝15，靶丸壁厚的2/3处的孔径为Ф＝15μm的锥形充气孔。 [0049] 如图4所示，是本实施例加工的靶丸锥形充气孔图，图5是本实施例加工的靶丸锥形充气孔与充气管装配的效果图。 [0050] 实施例3 [0051] 如图1到3所示，本实施例提供本实施例提供Ф＝10μm，T＝(15±2)°的锥形孔加工方法： [0052] 步骤1、载玻片表面覆盖双面胶后将GDP靶丸置于载玻片上部的双面胶上，静置18min，后将固定有靶丸的载玻片移动至使靶丸置于加工区聚焦物镜下方； [0053] 步骤2、飞秒激光器的激光穿过聚焦物镜，此时激光光斑直径为5μm，通过移动Z轴调整聚焦物镜纵向位置，将焦点对准靶丸顶端； [0054] 步骤3、将飞秒激光器的激光平均功率调至2mW； [0055] 步骤4、以靶丸顶点为圆心，使用逐层旋切的工艺，加工最大直径为10μm的同心圆； [0056] 步骤5、加工完一层后，关闭激光，激光移动回圆心，将Z轴下降10μm； [0057] 步骤6、重复进行步骤4至5，至激光焦点位于靶丸壁厚的2/3位置的上方5‑10μm处，此时加工完成小孔锥度为T＝15，靶丸壁厚的2/3处的孔径为Ф＝10μm的锥形充气孔。 [0058] 针对实施例2和实施例3的工艺，适用于对于Ф＝7‑20μm的锥形孔的加工，可以通过Z轴单次下降距离d与激光功率的调整实现，Z轴单次下降距离d的值会影响Ф的大小，d数值越大，Ф越小，两者的绝对值呈反相关。功率仅为大概值，非确定值，功率越高Ф越大，在加工过程中，需视加工结果实时调整。 [0059] 实施例4 [0060] 如图1到3所示，本实施例提供Ф＝5μm，T＝(15±2)°的锥形孔加工方法： [0061] 步骤1、载玻片表面覆盖双面胶后将GDP靶丸置于载玻片上部的双面胶上，静置15min，后将固定有靶丸的载玻片移动至使靶丸置于加工区聚焦物镜下方； [0062] 步骤2、飞秒激光器的激光穿过聚焦物镜，此时激光光斑直径为5μm，通过移动Z轴调整聚焦物镜纵向位置，将焦点对准靶丸顶端； [0063] 步骤3、将Z轴上移2/3靶丸壁厚的距离，即此时焦点位于靶丸顶端上方2/3靶丸壁厚的距离处； [0064] 步骤4、将飞秒激光器的激光平均功率调至2mW； [0065] 步骤5、以靶丸顶点为圆心，使用逐层旋切的工艺，加工最大直径为5μm的同心圆； [0066] 步骤6、加工完一层后，关闭激光，激光移动回圆心，将Z轴下降10μm； [0067] 步骤7、重复进行步骤5至6，至激光焦点位于靶丸顶点表面，此时加工完成小孔锥度为T＝15，靶丸壁厚的2/3处的孔径为Ф＝5μm的锥形充气孔。 [0068] 针对实施例4的加工工艺，适用于对于Ф＝4‑6μm的锥形孔的加工，可以通过Z轴单次下降距离d与激光功率的调整实现。Z轴单次下降距离d的值会影响Ф的大小，d数值越大，Ф越小，两者的绝对值呈反相关。功率仅为大概值，非确定值，功率越高Ф越大，在加工过程中，需视加工结果实时调整。 [0069] 实施例2、3和4加工工艺，适用于GDP靶丸壁厚在70μm左右的情况。 [0070] 以下实施例(实施例5和6)还提供了GDP靶丸锥形孔加工方法，GDP靶丸壁厚为60μm。 [0071] 实施例5 [0072] 如图1到3所示，本实施例提供Ф＝15μm，T＝(10±2)°的锥形孔加工方法： [0073] 步骤1、载玻片表面覆盖双面胶后将GDP靶丸置于载玻片上部的双面胶上，静置20min，后将固定有靶丸的载玻片移动至使靶丸置于加工区聚焦物镜下方； [0074] 步骤2、飞秒激光器的激光穿过聚焦物镜，此时激光光斑直径为5μm，通过移动Z轴调整聚焦物镜纵向位置，将焦点对准靶丸顶端； [0075] 步骤3、将飞秒激光器的激光平均功率调至4mW； [0076] 步骤4、以靶丸顶点为圆心，使用逐层旋切的工艺，加工最大直径为15μm的同心圆； [0077] 步骤5、加工完一层后，关闭激光，激光移动回圆心，将Z轴下降6μm； [0078] 步骤6、重复进行步骤4至5，至激光焦点位于靶丸壁厚的2/3位置的上方5‑10μm处，此时加工完成小孔锥度为T＝10，靶丸壁厚的2/3处的孔径为Ф＝15μm的锥形充气孔。 [0079] 实施例6 [0080] 如图1到3所示，本实施例提供Ф＝5μm，T＝(20±2)°的锥形孔加工方法： [0081] 步骤1、载玻片表面覆盖双面胶后将GDP靶丸置于载玻片上部的双面胶上，静置15min，后将固定有靶丸的载玻片移动至使靶丸置于加工区聚焦物镜下方； [0082] 步骤2、飞秒激光器的激光穿过聚焦物镜，此时激光光斑直径为5μm，通过移动Z轴调整聚焦物镜纵向位置，将焦点对准靶丸顶端； [0083] 步骤3、将Z轴上移2/3靶丸壁厚的距离，即此时焦点位于靶丸顶端上方2/3靶丸壁厚的距离处； [0084] 步骤4、将飞秒激光器的激光平均功率调至2mW； [0085] 步骤5、以靶丸顶点为圆心，使用逐层旋切的工艺，加工最大直径为5μm的同心圆； [0086] 步骤6、加工完一层后，关闭激光，激光移动回圆心，将Z轴下降15μm； [0087] 步骤7、重复进行步骤5至6，至激光焦点位于靶丸顶点表面，此时加工完成小孔锥度为T＝20，靶丸壁厚的2/3处的孔径为Ф＝5μm的锥形充气孔。 [0088] 以下实施例(实施例7和8)还提供了HDC靶丸锥形孔加工方法，HDC靶丸壁厚在25‑40μm之间。 [0089] 实施例7 [0090] 如图1到3所示，本实施例提供Ф＝10μm，T＝(15±2)°的锥形孔加工方法： [0091] 步骤1、载玻片表面覆盖双面胶后将HDC靶丸置于载玻片上部的双面胶上，静置20min，后将固定有靶丸的载玻片移动至使靶丸置于加工区聚焦物镜下方； [0092] 步骤2、飞秒激光器的激光穿过聚焦物镜，此时激光光斑直径为7μm，通过移动Z轴调整聚焦物镜纵向位置，将焦点对准靶丸顶端； [0093] 步骤3、将Z轴下移2/3靶丸壁厚的距离，即此时焦点位于靶丸顶端下方2/3壁厚距离处； [0094] 步骤4、将飞秒激光器的激光平均功率调至40mW； [0095] 步骤5、开启激光3秒后关闭激光，形成小孔； [0096] 步骤6、将飞秒激光器的激光平均功率调至10mW； [0097] 步骤7、以步骤5中的小孔为圆心，使用逐层旋切的工艺，加工直径为10μm圆，此时加工完成小孔锥度为T＝15，靶丸壁厚的2/3处的孔径为Ф＝10μm的锥形充气孔。 [0098] 此实施例中，功率非固定值，且功率越高获得的Ф越大，在加工过程中，需视加工结果实时调整。基于以上路线，对于Ф＝10‑20μm的锥形孔，可以通过激光功率的调整实现。 [0099] 实施例8 [0100] 如图1到3所示，本实施例提供Ф＝5μm，T＝(15±2)°的锥形孔加工方法： [0101] 步骤1、载玻片表面覆盖双面胶后将HDC靶丸置于载玻片上部的双面胶上，静置18min，后将固定有靶丸的载玻片移动至使靶丸置于加工区聚焦物镜下方； [0102] 步骤2、飞秒激光器的激光穿过聚焦物镜，此时激光光斑直径为4μm，通过移动Z轴调整聚焦物镜纵向位置，将焦点对准靶丸顶端； [0103] 步骤3、将Z轴上移2/3靶丸壁厚的距离，即此时焦点位于靶丸顶端上方2/3壁厚距离处； [0104] 步骤4、将飞秒激光器的激光平均功率调至4mW； [0105] 步骤5、以靶丸顶点为圆心，使用逐层旋切的工艺，加工直径为5μm圆； [0106] 步骤6、将Z轴下移4/3壁厚的距离，即此时焦点位于靶丸顶端下方2/3壁厚距离处； [0107] 步骤7、开启激光5秒后关闭激光，即激光单点加工5秒，此时加工完成小孔锥度为T＝15，靶丸壁厚的2/3处的孔径为Ф＝5μm的锥形充气孔。 [0108] 本实施例中，功率非固定值，且功率越高获得的Ф越大，在加工过程中，需视加工结果实时调整。基于该实施例的工艺，对于Ф＝4～10μm的锥形孔，可以通过激光功率的调整实现。 |
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