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CN110900016B - 一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法 - Google Patents

一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法 Download PDF

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CN110900016B
CN110900016B CN202010001614.7A CN202010001614A CN110900016B CN 110900016 B CN110900016 B CN 110900016B CN 202010001614 A CN202010001614 A CN 202010001614A CN 110900016 B CN110900016 B CN 110900016B
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nano structure
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梁志强
刘志兵
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赵文祥
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Abstract

本专利涉及光学材料加工设备技术领域，具体是一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法，包括以下步骤：步骤1：确定预制点位置与数量；步骤2：制备系列预制点，将超快激光焦点通过聚焦系统调节聚焦于预制点位置，超快激光与光学材料进行相对三维运动在光学材料内部形成同所需复杂微纳结构相匹配的预制点点阵；步骤3：激光切割，利用连续光纤激光分离装置对光纤激光进行整形，后将光纤激光入射至光学材料内部，并使预制点吸收激光能量在预制点处产生高温区域，随后光纤激光移动，使高温区域跟随激光移动。本方案随着光纤激光的移动，从而使高温区域跟随激光移动，可在材料内部产生系列预制裂纹并扩展，从而实现光学材料的分离。

Description

一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法
技术领域
本发明涉及光学材料加工设备技术领域，具体是一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法。
背景技术
具有复杂微纳结构的光学材料，如微透镜阵列、复眼阵列镜片、微/纳流控芯片、亲/疏水表面、高/低摩擦表面等，在军事成像/探测/制导装备、医疗、光学成像、光学照明、光学整形、医疗健康等领域具备广泛的应用。
现阶段光学材料的复杂微纳结构加工仍以机械切割为主，如利用金刚石等超硬材料制成的刀具在光学材料表面多次划线产生V形凹痕的方法产生复杂微纳结构，但这种方法会不可避免的造成玻璃表面损伤，产生较差的切割质量，必须经过后期的打磨抛光处理方可应用，且加工效率很低，整个工艺流程非常繁琐和耗时。同时，由于光学材料的硬度很高，在加工过程中刀具磨损非常严重，导致光学材料复杂微纳结构的加工过程需要多把刀具，使加工成本极高；此外，在换刀的过程中将会产生不可避免的定位误差，导致加工精度的降低。采用磨削的方式进行光学材料去除，可实现复杂微纳结构的制备。但这种接触式的加工方式会在加工过程中产生极大的局部应力和振动，易使光学材料断裂。线锯切割加工的切割质量高，切割切缝损耗小，但切割速度低，难以满足光学材料复杂微纳结构高效率加工的要求。
激光技术由于其优良的特性被广泛应用于材料加工。然而，对于光学材料的复杂微纳结构的加工，现阶段仅有超快激光材料直接去除的方法可以实现，但此种方法加工效率很低，并且对于去除量较大的复杂微纳结构，其加工效率低至失去实际工业应用价值，因此并不适用于复杂微纳结构的批量化加工制备。
此外，传统的激光切割方法可实现光学材料的切割。主要的切割方法有激光熔化/气化切割法、激光划线切割法、超快激光材料去除切割法、超快激光光丝切割法、激光裂纹控制法等5种。然而，传统的单激光切割方法(如光纤激光、CO2激光、超快激光等)只能进行材料的平面切割，对于光学材料的具有复杂微纳结构，传统的激光切割方法无法形成与光学材料复杂结构时刻相匹配的激光光场，故无法通过切割的方法实现复杂微纳结构的加工。
发明内容
本发明意在提供一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法，以解决上述背景技术中提出的现有技术的存在的不足。
为了达到上述目的，本发明的基础方案如下：
一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法，包括以下步骤：
步骤1：确定预制点位置与数量，根据所设计的光学材料的特定三维结构，利用三维软件将其复杂曲面拟合成若干点，根据精度需求确定预制点位置与数量；
步骤2：制备系列预制点，导出步骤1中确定的预制点的三维坐标参数，将超快激光焦点通过聚焦系统调节聚焦于预制点位置，超快激光与光学材料进行相对三维运动在光学材料内部形成同所需复杂微纳结构相匹配的预制点点阵；
步骤3：激光切割，利用连续光纤激光分离装置对光纤激光进行整形，后将光纤激光入射至光学材料内部，并使预制点吸收激光能量在预制点处产生高温区域，随后光纤激光移动，使高温区域跟随激光移动。
进一步，步骤3中的连续光纤激光分离装置包括连续光纤激光器、光纤、光纤耦合器、激光扩束镜、聚焦镜和竖直运动机构，所述连续光纤激光器、光纤、光纤耦合器和激光扩束镜依次连接，所述聚焦镜位于激光扩束镜下方，所述聚焦镜固定在竖直运动机构上。
进一步，步骤2中所述的超快激光为皮秒激光或飞秒激光。
进一步，所述光学材料放置到三维运动平台上，配合激光振镜和三维运动平台的三维运动在光学材料内部形成同所需复杂微纳结构相匹配的预制点点阵。
本方案的有益效果：(1)本方案可在光学材料内部按需求制备一系列同复杂微纳结构相匹配的预制点，后将连续光纤激光入射至光学材料内部，使预制点吸收激光能量并产生高温区域，随着光纤激光的移动，从而使高温区域跟随激光移动，可在材料内部产生系列预制裂纹并扩展，从而实现光学材料的分离。
(2)本方案由于超快激光所制备的预制点组成了复杂微纳结构，所以分离表面具有同样的复杂微纳结构，从而实现光学材料复杂微纳结构的制备。同时，分离表面所具有的复杂微纳结构可同激光预制点组成二级/多级微纳结构，实现亲/疏水表面、高/低摩擦表面等特殊功能表面制备。
(3)本方案与机械切割方法相比，此方法为非接触式加工，不会使材料切割面产生表面损伤，从而保证加工的质量，并极大的提高了加工效率。
(4)超快激光材料直接去除的方法相比，本方法采用切割的方法直接制备复杂微纳结构，从而避免了超快激光材料直接去除效率极低的问题，具有极大的实际工业应用价值，可用于复杂微纳结构的批量化加工制备。
附图说明
图1为本发明实施例中步骤2的操作示意图；
图2为本发明实施例步骤3中的连续光纤激光分离装置结构示意图；
图3为本发明实施例中步骤3的操作示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：光学材料1、三维运动平台2、超快激光3、激光振镜4、聚焦系统5、连续光纤激光器6、光纤7、光纤耦合器8、激光扩束镜9、聚焦镜10、竖直运动机构11、光纤激光12。
实施例
一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法，包括以下步骤：
步骤1：确定预制点位置与数量，根据所设计的光学材料1的特定三维结构，利用三维软件将其复杂曲面拟合成若干点，根据精度需求确定预制点位置与数量；
步骤2：制备系列预制点，导出步骤1中确定的预制点的三维坐标参数，结合图1所示，将光学材料1放置到三维运动平台2上，将超快激光3(皮秒激光或飞秒激光)焦点通过聚焦系统5调节聚焦点于预制点位置，配合激光振镜4和三维运动平台2的三维运动在光学材料1内部形成同所需复杂微纳结构相匹配的预制点点阵；
步骤3：激光切割，利用连续光纤激光12分离装置对光纤激光12进行整形，结合图2所示，连续光纤激光12分离装置包括连续光纤激光器6、光纤7、光纤耦合器8、激光扩束镜9、聚焦镜10和竖直运动机构11，连续光纤激光器6、光纤7、光纤耦合器8和激光扩束镜9依次连接，聚焦镜10位于激光扩束镜9下方，聚焦镜10固定在竖直运动机构11上。结合图3所示，将光学材料1放置到三维运动平台2上，后通过竖向运动机构调节聚焦镜10的高度，从而调节光纤激光12的聚焦点，将光纤激光12入射至光学材料1内部，并使光纤激光12的聚焦点位于预制点上，使预制点吸收激光能量在预制点处产生高温区域，随后光纤激光12移动(图3中箭头方向为光纤激光12移动方向)，使高温区域跟随激光移动，在光学材料1内部产生空间位置不断变化高温区域，进而产生极高的热压应力和热拉应力。当光纤激光12所产生的热拉应力超过材料的抗拉强度阈值时，材料内部产生系列预制裂纹并扩展，从而实现光学材料1的分离，由于超快激光3所制备的预制点组成了复杂微纳结构，所以分离表面具有同样的复杂微纳结构，从而实现光学材料1复杂微纳结构的制备。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (3)

1.一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定预制点位置与数量，根据所设计的光学材料的特定三维结构，利用三维软件将其复杂曲面拟合成若干点，根据精度需求确定预制点位置与数量；
步骤2：制备系列预制点，导出步骤1中确定的预制点的三维坐标参数，将超快激光焦点通过聚焦系统调节聚焦于预制点位置，超快激光与光学材料进行相对三维运动在光学材料内部形成同所需复杂微纳结构相匹配的预制点点阵，所述光学材料放置到三维运动平台上，配合激光振镜和三维运动平台的三维运动在光学材料内部形成同所需复杂微纳结构相匹配的预制点点阵；
步骤3：激光切割，利用连续光纤激光分离装置对光纤激光进行整形，后将光纤激光入射至光学材料内部，并使预制点吸收激光能量在预制点处产生高温区域，随后光纤激光移动，使高温区域跟随激光移动。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法，其特征在于：步骤3中的连续光纤激光分离装置包括连续光纤激光器、光纤、光纤耦合器、激光扩束镜、聚焦镜和竖直运动机构，所述连续光纤激光器、光纤、光纤耦合器和激光扩束镜依次连接，所述聚焦镜位于激光扩束镜下方，所述聚焦镜固定在竖直运动机构上。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光分离的复杂微纳结构加工方法，其特征在于：步骤2中所述的超快激光为皮秒激光或飞秒激光。
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