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CN107931866B - 利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置及方法 - Google Patents

利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置及方法，属于不规则形貌陶瓷表面激光加工技术领域，包括编程软件、飞秒激光放大器、半波片、偏振片、会聚透镜、扫描振镜、不规则形貌的陶瓷球及配有三维精密位移平台的载物台；飞秒激光放大器的输出端依次放置半波片、偏振片、会聚透镜及扫描振镜，不规则形貌的陶瓷球放置在三维精密位移平台的载物台上，利用编程软件来控制扫描振镜的偏转，实现对飞秒激光光丝运动的轨迹和速度的控制，从而完成在陶瓷球表面的三维参数化图案飞秒激光加工，这将在精密加工功能陶瓷器件和雕刻艺术陶瓷制品领域内展现出极其重要的作用。

Description

利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置及方法
技术领域
本发明属于不规则形貌陶瓷表面激光加工技术领域，具体涉及一种利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置及方法。
背景技术
陶瓷材料是利用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料，它具有耐腐蚀、耐磨损、耐高温等稳定的物理化学性质。近年来发现的新型陶瓷材料，在性能上具有独特的优越性，如绝缘性、压电性、无磁性、热膨胀系数小等等，因此被广泛的应用在冶金、机械、化工、电子、航天和医疗等行业中。随着不同领域对陶瓷制品需求的不断增加，人们对于陶瓷材料进行高精密成型加工的要求也日益增加。而陶瓷晶体的化学键具有方向性，原子堆积密度低，原子间距大，展现出很高的脆性非常易碎，因此属于一种极难加工的材料。
目前对陶瓷进行精密加工的技术主要有机械加工、高压磨料水射流加工、等离子弧切割、电火花加工和激光加工等，其中激光加工技术是一种非接触、无污染、效率高的加工工艺。它利用具有高能量、单色性、相干性的激光辐照在陶瓷材料表面，从而完成对其进行打孔、切割、划线、焊接等加工。但是，利用激光对复杂形貌的陶瓷表面进行加工，一直是激光加工工艺的难点。通常通过控制载物平台的精密移动，如旋转、平移等实现对陶瓷表面的扫描加工。这种方法的弊端是需要不断调节样品表面的位置，使之处于会聚激光的焦平面内，否则就会因为辐照激光的能量不足而无法完成对陶瓷材料的加工。
飞秒激光大气成丝是一种独特的光学非线性现象，其源于克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应的动态平衡，即在激光传播的方向产生一条光亮的丝带，即为飞秒激光光丝。飞秒激光光丝具有长焦深、激光强度超高且均一的特点，可以实现对不规则形貌的材料表面进行远程、快速的激光加工扫描。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置及方法，利用扫描振镜来控制飞秒激光光丝的运动轨迹和速度，可以实现在陶瓷球表面直接进行三维、参数化图案飞秒激光光丝加工，可以拓展飞秒激光加工的应用范围，并将在精密加工功能陶瓷器件和雕刻艺术陶瓷制品领域内展现出极其重要的作用。
本发明通过如下技术方案实现：
利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置，包括编程软件、飞秒激光放大器1、半波片2、偏振片3、会聚透镜4、扫描振镜5、不规则形貌的陶瓷球6及配有三维精密位移平台的载物台7；飞秒激光放大器1的输出端依次放置半波片2、偏振片3、会聚透镜4及扫描振镜5，不规则形貌的陶瓷球6放置在三维精密位移平台的载物台7上，利用编程软件来控制扫描振镜5的偏转；飞秒激光放大器1的飞秒激光依次通过半波片2、偏振片3、会聚透镜4后，即可在会聚透镜4的焦点附近形成光丝，再将不规则形貌的陶瓷球6表面位于飞秒激光光丝的中间部位。
进一步地，所述的飞秒激光放大器1的中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为0.01KHz～1KHz，产生的单脉冲脉冲能量为2.5mJ/cm2～3.5mJ/cm2。
进一步地，所述的会聚透镜4为平凸透镜，焦距为0.3m～2m，可以使飞秒激光在大气中成丝。
进一步地，所述的扫描振镜5的镜片使用金膜镀层，从而尽量避免使用的激光强度对镜片产生破坏。
进一步地，不规则形貌的陶瓷球6为氧化铝、氮化硅或碳化硅陶瓷球，直径为1.0～20cm。
进一步地，配有三维精密位移平台的载物台7，可以在高度、相对飞秒激光光丝的左右位置、激光传播方向上进行精密移动，其分辨率为0.002mm，行程为13mm。
进一步地，所述的编程软件为Visual Studio编程软件。
利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的方法，具体步骤如下：
(1)、将不规则形貌的陶瓷球放置在配有三维精密位移平台的载物台上，通过调节配有三维精密位移平台的载物台，飞秒激光放大器1的飞秒激光依次通过半波片2、偏振片3、会聚透镜4后，即可在会聚透镜4的焦点附近形成光丝，再将不规则形貌的陶瓷球6表面位于飞秒激光光丝的中间部位(空气中光丝长3～5cm)；
(2)、调节飞秒激光放大器的重复频率到1KHz，旋转半波片并利用功率计测量激光功率，使飞秒激光放大器的飞秒激光单脉冲能量为0mJ/cm2到3.0mJ/cm2”。
(3)、通过编写Visual Studio软件的执行程序，实现扫描振镜对飞秒激光光丝运动的轨迹和速度的控制，从而完成在陶瓷球表面的三维参数化图案飞秒激光加工。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
现有技术中需要不断改变样品与激光的相对距离实现对聚焦条件的改变，而本发明则利用长焦深的光丝可以在陶瓷球表面直接图案加工，不需要调整样品与激光的相对距离，对于加工具有不规则表面形貌的样品具有特别重要的意义。
本发明利用具有超高激光强度、长焦深、强度稳定的飞秒激光光丝，通过编程软件Visual Studio改变执行程序的代码，可以实现直接对不规则形貌陶瓷表面进行远程、快速的三维参数化图案飞秒激光加工。
附图说明
图1为本发明的利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1中，在碳化硅陶瓷球表面扫描加工的正六边形的CCD显微图；
其中，激光光丝的扫描速度为0.47mm/s，扫描加工的正六边形图形的边长为1.40mm。
图3为本发明实施例1中，在碳化硅陶瓷球表面扫描加工的正六边形图形的光学图；
图中：飞秒激光放大器1、半波片2、偏振片3、会聚透镜4、扫描振镜5、不规则形貌的陶瓷球6、配有三维精密位移平台的载物台7。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供了利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置，包括编程软件、飞秒激光放大器1、半波片2、偏振片3、会聚透镜4、扫描振镜5、不规则形貌的陶瓷球6及配有三维精密位移平台的载物台7；飞秒激光放大器1的输出端依次放置半波片2、偏振片3、会聚透镜4及扫描振镜5，不规则形貌的陶瓷球6放置在三维精密位移平台的载物台7上，利用编程软件来控制扫描振镜5的偏转；飞秒激光放大器1的飞秒激光依次通过半波片2、偏振片3、会聚透镜4后，即可在会聚透镜4的焦点附近形成光丝，再将不规则形貌的陶瓷球6表面位于飞秒激光光丝的中间部位。利用配有三维精密位移平台的载物台7将待扫描加工的不规则形貌的陶瓷球6的表面调整到光丝的范围内，通过控制软件Visual Studio即可完成在不规则形貌陶瓷表面进行三维参数化图案飞秒激光加工。
利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的方法，具体步骤如下：
首先，调节飞秒激光放大器的重复频率为1KHz，并使用功率计(SpectralPhysics)测试激光功率，调节半波片使得所使用单脉冲激光功率为2.0mJ/cm2，使用的会聚透镜的焦距为1m，使飞秒激光在大气中成丝；
其次，将直径为7.144mm的碳化硅陶瓷球放置在配有三维精密位移平台(TMS112M，北光世纪)的载物台上，调节载物台使陶瓷球表面位于飞秒激光光丝前端2cm处，并使光丝调节到陶瓷球的球心上方～2.5mm处，
接着，改变软件Visual Studio中编写的代码，控制扫描振镜(TSH8310A，世纪桑尼)的精密偏转，调节不同的设计图形为正六边形，以及设置其中心半径为～1.40mm，设置光丝的扫描速度为～0.47mm/s。
最后，将飞秒激光光丝扫描加工后的碳化硅陶瓷球进行显微表征，分别利用CCD和光学相机对其表面进行拍照，如图2及图3所示。

Claims (7)

1.利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置，其特征在于，包括编程软件、飞秒激光放大器(1)、半波片(2)、偏振片(3)、会聚透镜(4)、扫描振镜(5)、不规则形貌的陶瓷球(6)及配有三维精密位移平台的载物台(7)；飞秒激光放大器(1)的输出端依次放置半波片(2)、偏振片(3)、会聚透镜(4)及扫描振镜(5)，不规则形貌的陶瓷球(6)放置在三维精密位移平台的载物台(7)上，利用编程软件来控制扫描振镜(5)的偏转；飞秒激光放大器(1)的飞秒激光依次通过半波片(2)、偏振片(3)、会聚透镜(4)后，即可在会聚透镜(4)的焦点附近形成光丝，再将不规则形貌的陶瓷球(6)表面位于飞秒激光光丝的中间部位；所述的会聚透镜(4)为平凸透镜，焦距为0.3m～2m，可以使飞秒激光在大气中成丝。
2.如权利要求1所述的利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置，其特征在于，所述的飞秒激光放大器(1)的中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为0.01KHz～1KHz，产生的单脉冲脉冲能量为2.5mJ/cm2～3.5mJ/cm2。
3.如权利要求1所述的利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置，其特征在于，所述的扫描振镜(5)的镜片使用金膜镀层。
4.如权利要求1所述的利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置，其特征在于，不规则形貌的陶瓷球(6)为氧化铝、氮化硅或碳化硅陶瓷球，直径为1.0～20cm。
5.如权利要求1所述的利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置，其特征在于，配有三维精密位移平台的载物台(7)，其分辨率为0.002mm，调节行程为13mm。
6.如权利要求1所述的利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置，其特征在于，所述的编程软件为Visual Studio编程软件。
7.一种应用权利要求1-6任何一项所述的利用飞秒激光在陶瓷球表面进行图案加工的装置进行加工的方法，具体步骤如下：
(1)、将不规则形貌的陶瓷球放置在配有三维精密位移平台的载物台上，通过调节配有三维精密位移平台的载物台，飞秒激光放大器的飞秒激光依次通过半波片、偏振片、会聚透镜后，即可在会聚透镜的焦点附近形成光丝，再将不规则形貌的陶瓷球表面位于飞秒激光光丝的中间部位；
(2)、调节飞秒激光放大器的重复频率到1KHz，旋转半波片并利用功率计测量激光功率，使飞秒激光放大器的飞秒激光单脉冲能量为0mJ/cm2到3.0mJ/cm2；
(3)、通过编写Visual Studio软件的执行程序，实现扫描振镜对飞秒激光光丝运动的轨迹和速度的控制，从而完成在陶瓷球表面的三维参数化图案飞秒激光加工。
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