CN113387553A - 飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置，属于超快激光技术领域。本发明通过下述技术方案实现：超短脉冲激光光束利分光镜将光束分为两束互为垂直的十字交叉束光，聚焦在待悍玻璃制品的界面处，计算机在线监测，按照预定的扫描路径分层扫描，控制电控一维运动平台精确调控两束脉冲的延时时间，调控高重频超快激光器产生超快激光脉冲的扫描速度，将飞秒激光单脉冲光束调制为汇聚于待悍玻璃制品连接处，向待悍玻璃制品材料深处方向传播，通过调节飞秒激光脉冲能量及扫描轨迹参数，在玻璃制品连接界面处表面形成熔化效应，获得不同尺寸的热影响区的吸收效应的熔池，从而将待焊叠合玻璃焊接在一起，冷却后形成致密的焊缝。

Description

飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置

技术领域

本发明属于超快激光技术领域。涉及一种提高玻璃焊接强度的飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置。

背景技术

玻璃因为其优良的物理、化学性能在新型传感器、微机电系统、微流控芯片、光通讯及光存储等领域有着广泛的应用。玻璃材料硬而脆，相对于金属材料，具有低热导率。当受热不均匀时，由于内张力，容易出现破裂。近些年来随着工业化及自动化水平的不断提高，对玻璃高精度、高质量的连接需求也越来越高。目前，常用的玻璃连接方法已经越来越难以满足需求。传统的胶水粘合虽然可以实现多种材料之间的连接，但其易老化、热解、易受热膨胀等缺点使得产品的可靠性难以保证。目前使用飞秒激光已经能够实现高强度的玻璃焊接，已用于取代传统玻璃连接过程如胶合。超短脉冲激光技术作为一种新型的非接触式的加工方法，能量密度最高区域是在玻璃深处的焦点位置。数千计的激光脉冲能量形成了一个熔化槽，可以直接对玻璃材料表面以及内部进行有效的高精度加工，并在几毫秒内被向上推，超短脉冲激光与透明材料相互作用具有热效应小及非线性吸收的特点，非常适合透明材料的微焊接。在玻璃加工领域展现出了巨大的潜力。与传统长脉宽激光焊接玻璃不同，超短脉宽激光焊接玻璃技术不需要在两玻璃间加入中间吸收层，它可以通过多光子吸收、隧穿电离、雪崩电离等效应直接与玻璃发生作用，并且具有热影响区小、加工精度高等优点。但对于玻璃材料之间的微连接仍然面临挑战。普通长脉冲激光的能量不易被玻璃吸收而且热膨胀易使玻璃碎裂，并不适合微焊接玻璃等透明材料。

飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，一飞秒就是10的负15次方秒，也就是1/1000万亿秒，瞬时功率可达到百万亿瓦，能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍。高功率飞秒激光系统由四部分组成：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。在振荡器内，利用一种特殊技术获得飞秒激光脉冲。展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开。压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一起，恢复到飞秒宽度，从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲。飞秒激光焊接玻璃主要是通过将激光聚焦在玻璃连接处，通过调节飞秒激光脉冲能量及扫描速度等参数，在玻璃表面形成熔化效应从而使得玻璃焊接在一起。熟练的热管理以及脉冲和间隔的最佳比例是防止玻璃破裂的必要条件。利用超短脉冲激光焊接玻璃技术获得高焊接强度的焊缝需要达到光学贴合条件，即间隙应小于1/4波长，甚至是100nm以内。这就要求待焊接的玻璃表面极其光滑，表面平坦度要求也极为苛刻，一般还需要施加外力才能满足焊接要求。激光诱导击穿光谱技术(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)因信号强度和稳定性的原因而遇到一些问题。虽然采用飞秒激光(femtosecond laser,fs laser)作为光源来研究材料的诱导击穿光谱可以提高探测的空间分辨率,减少样品材料的去除量,实现超远距离探测等。而相对纳秒激光,飞秒激光产生的等离子体的信号强度和秒激光脉冲的峰值功率密度诱导的等离子体冲击波压力较弱，吸收层太厚起不到有效冲击，吸收层太薄会导致材料表面的损伤，同时，纳秒激光在辐照材料时会伴随有热效应，可能导致材料熔融并产生重铸层或微裂纹，导致纳秒激光的加工精度较低。由于传统单脉冲超快激光非光学贴合、大间隙下玻璃焊接强度低，无法实现对材料特定区域的精确冲击强化。不利于材料表面质量的改善；如中国专利公开号(CN110039177A)用超快激光玻璃焊接系统焊接玻璃，虽然该发明利用超快激光技术实现了玻璃的密封焊接，但是其焊接强度有待提高。此外还有部分专利文献提出了多激光束复合焊接的方法，虽然实现了在非光学贴合下的玻璃焊接操作，但是没有很好的解决焊接强度不高的问题。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种对吸收层激光能量吸收效率高，能够有效避免材料表面的热损伤，显著增强飞秒激光辐照区的等离子体冲击波强度，实现突破光学衍射极限精度的冲击强化效果，提高玻璃焊接强度的飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统。以克服传统单脉冲超快激光非光学贴合、大间隙下玻璃焊接强度低的缺陷。

本发明是通过如下的技术手段实现上述目的的一种飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置，包括：固定在电控一维运动平台1上的全反射镜2，设置在高重频超快激光器9前端，按45°倾斜镜像对称分布的倾斜面的第一45°全反射镜和与全反射镜2对应的半透半反镜3所组的成八字“]”形光路全反射镜组，对应半透半反镜3背端上方的俯视全反射镜，固定在电控三维运动平台8上两叠合的待悍玻璃制品7，通过透镜5、物镜6在线监测待悍玻璃制品7的正向CCD电荷耦合元件4和横向CCD电荷耦合元件4，其特征在于：第一45°全反射镜的垂直光路通过半透半反镜3的45°斜面正对全反射镜2，通过半透半反镜3背端光路末端的第二45°全反射镜，与所述全反射镜2和俯视全反射镜形成十字交叉光路的焊接光路系统；高重频超快激光器9产生超短脉冲激光光束经过第一45°全反镜射入到半透半反镜3的45°斜面，半透半反镜3利用45°斜面分光镜将光束分为两束互为垂直的十字交叉束光，其中一路光束经过第二45°全反射镜合束，竖直向下进入物镜6，聚焦在待悍玻璃制品7的界面处，计算机利用两个CCD电荷耦合元件4的在线监测，按照预定的扫描路径分层扫描，控制电控一维运动平台1精确调控两束脉冲的延时时间，调控高重频超快激光器9产生超快激光脉冲的扫描速度，将飞秒激光单脉冲光束调制为汇聚于待悍玻璃制品7连接处同一个焦点的飞秒激光双脉冲光束脉冲，光束脉冲在约束层的作用下急剧膨胀形成冲击波，向待悍玻璃制品7材料深处方向传播，通过调节飞秒激光脉冲能量及扫描轨迹参数，在玻璃制品连接界面处表面形成熔化效应，获得不同尺寸的热影响区的吸收效应的熔池，从而将待焊叠合玻璃焊接在一起，冷却后形成致密的焊缝。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明采用倾斜镜像对称分布的倾斜面的第一45°全反射镜和与全反射镜2对应的半透半反镜3所组的成八字“]”形光路全反射镜组，对应半透半反镜3背端上方的俯视全反射镜，固定在电控三维运动平台8上两叠合的待悍玻璃制品7，通过透镜5、物镜6在线监测待悍玻璃制品7的正向CCD电荷耦合元件4和横向CCD电荷耦合元件4，可以通过电控一维运动平台精确调整全反射镜的位置，进而调控两束脉冲的延时时间，从而调整第二束脉冲的吸收效率，影响产生的热影响区的面积。利用高重频双脉冲光束增大热影响区域的面积，从而增强玻璃之间的连接效果。这对于非光学贴合以及大间隙下玻璃的精确连接具有重要的意义。通过两个CCD电荷耦合元件相机实现在线监测，确保两束脉冲汇聚于同一个焦点处能够有效避免材料表面的热损伤。操作步骤简单、易于实现工业化应用。

本发明的进一步有益效果是：本发明采用第一45°全反射镜的垂直光路通过半透半反镜3的45°斜面正对全反射镜2，通过半透半反镜3背端光路末端的第二45°全反射镜，与所述全反射镜2和俯视全反射镜形成十字交叉光路的焊接光路系统，对吸收层激光能量吸收效率高。本发明高重频超快激光器9产生超短脉冲激光光束经过第一45°全反镜射入到半透半反镜3的45°斜面，半透半反镜3利用45°斜面分光镜将光束分为两束互为垂直的十字交叉束光，其中一路光束经过第二45°全反射镜合束，竖直向下进入物镜6，聚焦在待悍玻璃制品7的界面处，利用分层扫描的方式按照预定的扫描轨迹进行扫描，可降低焦点的对焦难度。

本发明通过调控脉冲延时，增强了第二束脉冲的吸收效率，增大热影响区的面积，提高了焊接强度。克服了传统单脉冲超快激光非光学贴合、大间隙下玻璃焊接强度低的缺陷。

本发明利用两个CCD电荷耦合元件4的在线监测，按照预定的扫描路径分层扫描，控制电控一维运动平台1精确调控两束脉冲的延时时间，调控高重频超快激光器9产生超快激光脉冲的扫描速度，将飞秒激光单脉冲光束调制为汇聚于待悍玻璃制品7连接处同一个焦点的飞秒激光双脉冲光束脉冲，光束脉冲在约束层的作用下急剧膨胀形成冲击波，向待悍玻璃制品7材料深处方向传播，通过调节飞秒激光脉冲能量及扫描轨迹参数，在玻璃制品连接界面处表面形成熔化效应，获得不同尺寸的热影响区的吸收效应的熔池，从而将待焊叠合玻璃焊接在一起，冷却后形成致密的焊缝。通过计算机精确控制一维运动平台的位移，调控两束脉冲的延迟时间，使得第二束脉冲的吸收率最大化。克服单脉冲下非光学贴合以及大间隙下玻璃焊接强度较低的问题，并且可以实现高精度的、低热效应的玻璃焊接。其焊接特性在于：通过一维电控平台精确调控两脉冲的延时时间，当产生的热影响区最大时，此时的焊接强度也最大。用两个相机进行在线监控，对加工位置进行实时定位。采用分层扫描的焊接策略，可降低焦点对焦的精准度，有利于工业化应用。

本发明有效的改善了单脉冲非光学贴合下焊接玻璃时焊接强度较低的问题，通过逐层扫描的方式产生高度足够高的热影响区，足以在大间隙下进行焊接，降低了对焦难度。适用于玻璃精确微型连接。

附图说明

图1是本发明飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置示意图；

图2是本发明获得的热影响区的侧视图，图中都为10000个脉冲下的显微图；

图中，1-电控一维运动平台、2-全反射镜、3-半透半反镜、4-CCD电荷耦合元件、5-透镜、6-物镜、7-待悍玻璃制品、8-电控三维运动平台、9-高重频超快激光器。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置，包括：固定在电控一维运动平台1上的全反射镜2，设置在高重频超快激光器9前端，按45°倾斜镜像对称分布的倾斜面的第一45°全反射镜和与全反射镜2对应的半透半反镜3所组的成八字“]”形光路全反射镜组，对应半透半反镜3背端上方的俯视全反射镜，固定在电控三维运动平台8上两叠合的待悍玻璃制品7，通过透镜5、物镜6在线监测待悍玻璃制品7的正向CCD电荷耦合元件4和横向CCD电荷耦合元件4，其中：第一45°全反射镜的垂直光路通过半透半反镜3的45°斜面正对全反射镜2，通过半透半反镜3背端光路末端的第二45°全反射镜，与所述全反射镜2和俯视全反射镜形成十字交叉光路的焊接光路系统；高重频超快激光器9产生超短脉冲激光光束经过第一45°全反镜射入到半透半反镜3的45°斜面，半透半反镜3利用45°斜面分光镜将光束分为两束互为垂直的十字交叉束光，其中一路光束经过第二45°全反射镜合束，竖直向下进入物镜6，聚焦在待悍玻璃制品7的界面处，计算机利用两个CCD电荷耦合元件4的在线监测，按照预定的扫描路径分层扫描，控制电控一维运动平台1精确调控两束脉冲的延时时间，调控高重频超快激光器9产生超快激光脉冲的扫描速度，将飞秒激光单脉冲光束调制为汇聚于待悍玻璃制品7连接处同一个焦点的飞秒激光双脉冲光束脉冲，光束脉冲在约束层的作用下急剧膨胀形成冲击波，向待悍玻璃制品7材料深处方向传播，通过调节飞秒激光脉冲能量及扫描轨迹参数，在玻璃制品连接界面处表面形成熔化效应，获得不同尺寸的热影响区的吸收效应的熔池，从而将待焊叠合玻璃焊接在一起，冷却后形成致密的焊缝。

电控三维运动平台可以带动待悍玻璃制品在三维空间内任意移动，从而可以对玻璃实施精确焊接，通过两CCD电荷耦合元件相机可获得加工状态中待悍玻璃制品的主视图和俯视图，从而实现在线检测加工，首先利用高重频超快激光器产生超快激光脉冲，使用全反镜调整光束的位置，以45度斜射入分光镜，使其分为两束光，分别射向两个全反射镜，利用分光镜将光束分为两束后经过全反射镜后再合束，全反射镜使光束竖直射入物镜，通过两个CCD电荷耦合元件相机实现在线监测加工，计算机按照预定的扫描路径分层扫描；聚焦在待悍玻璃制品的交界面处。其中一个全反镜固定在一维运动平台上，经反射后又将两束光合并成一束，再次经过全反射镜进入物镜，将焦点聚焦于两玻璃的交界面处。

在可选的实施例中，超短脉冲激光射出的激光为近红外光，其波长为1030nm，脉冲宽度为2000fs，重复频率为615kHz，进入物镜的平均功率为3000mW。加工样品为两片石英玻璃，将两片玻璃自然叠放，不施加任何外力，此时为非光学贴合状态。利用NA＝0.25的物镜进行聚焦，扫描速度为1000μm/s，扫描S型，线间距为50μm，扫描面积为1×1mm²，层间距为50μm，利用两个CCD电荷耦合元件进行侧面和顶部的在线监控，按照预定的扫描路径逐层扫描完成玻璃焊接操作，通过调控脉冲延时，发现在不同的脉冲延时下的热影响区域的面积有较大差异，如图2所示为在脉冲数为10000时获得的热影响区的侧视图，其热影响区的面积先增大后减小再增大。经过调控脉冲延时发现，当脉冲延时约为66皮秒时，其剪切强度达到50MPa，相比单脉冲的30MPa，有较为明显的提升。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置，包括：固定在电控一维运动平台(1)上的全反射镜(2)，设置在高重频超快激光器(9)前端，按45°倾斜镜像对称分布的倾斜面的第一45°全反射镜和与全反射镜(2)对应的半透半反镜(3)所组的成八字“]”形光路全反射镜组，对应半透半反镜(3)背端上方的俯视全反射镜，固定在电控三维运动平台(8)上两叠合的待悍玻璃制品(7)，通过透镜(5)、物镜(6)在线监测待悍玻璃制品(7)的正向CCD电荷耦合元件(4)和横向CCD电荷耦合元件(4)，其特征在于：第一45°全反射镜的垂直光路通过半透半反镜(3)的45°斜面正对全反射镜(2)，通过半透半反镜(3)背端光路末端的第二45°全反射镜，与所述全反射镜(2)和俯视全反射镜形成十字交叉光路的焊接光路系统；高重频超快激光器(9)产生超短脉冲激光光束经过第一45°全反镜射入到半透半反镜(3)的45°斜面，半透半反镜(3)利用45°斜面分光镜将光束分为两束互为垂直的十字交叉束光，其中一路光束经过第二45°全反射镜合束，竖直向下进入物镜(6)，聚焦在待悍玻璃制品(7)的界面处，计算机利用两个CCD电荷耦合元件(4)的在线监测，按照预定的扫描路径分层扫描，控制电控一维运动平台(1)精确调控两束脉冲的延时时间，调控高重频超快激光器(9)产生超快激光脉冲的扫描速度，将飞秒激光单脉冲光束调制为汇聚于待悍玻璃制品(7)连接处同一个焦点的飞秒激光双脉冲光束脉冲，光束脉冲在约束层的作用下急剧膨胀形成冲击波，向待悍玻璃制品(7)材料深处方向传播，通过调节飞秒激光脉冲能量及扫描轨迹参数，在玻璃制品连接界面处表面形成熔化效应，获得不同尺寸的热影响区的吸收效应的熔池，从而将待焊叠合玻璃焊接在一起，冷却后形成致密的焊缝。

2.如权利要求1所述的飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置，其特征在于：电控三维运动平台带动待悍玻璃制品在三维空间内任意移动，对玻璃实施精确焊接，通过两CCD电荷耦合元件相机获得加工状态中待悍玻璃制品的主视图和俯视图，实现在线检测加工，利用高重频超快激光器产生超快激光脉冲，使用全反镜调整光束的位置，以45度斜射入分光镜，使其分为两束光，分别射向两个全反射镜，分光镜将光束分为两束后经过全反射镜后再合束，全反射镜使光束竖直射入物镜，通过两个CCD电荷耦合元件相机实现在线监测加工。

3.如权利要求1所述的飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置，其特征在于：计算机按照预定的扫描路径分层扫描，聚焦在待悍玻璃制品的交界面处，其中一个全反镜固定在一维运动平台上，经反射后又将两束光合并成一束，再次经过全反射镜进入物镜，将焦点聚焦于两玻璃的交界面处。

4.如权利要求1所述的飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置，其特征在于：超短脉冲激光射出的激光为近红外光，其波长为1030nm，脉冲宽度为2000fs，重复频率为615kHz，进入物镜的平均功率为3000mW。

5.如权利要求1所述的飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置，其特征在于：加工样品为两片石英玻璃，将两片玻璃自然叠放，不施加任何外力，此时为非光学贴合状态，用NA＝0.25的物镜进行聚焦，扫描速度为1000μm/s，扫描S型，线间距为50μm，扫描面积为1×1mm²，层间距为50μm，利用两个CCD电荷耦合元件进行侧面和顶部的在线监控，按照预定的扫描路径逐层扫描完成玻璃焊接操作。

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