利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法

摘要

本发明涉及激光成孔技术领域，具体涉及利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法，包括：利用透镜将飞秒激光进行聚焦成丝，飞秒激光在空气中形成相对稳定的光丝通道；调节飞秒激光的平均功率改变光丝通道长度；在相同条件下分别将靶材放在光丝通道的不同位置处，找出光丝通道中烧蚀强度最强点，再将靶材固定在烧蚀最强点处进行加工，从而获得毫米级的深微孔；利用扫描电子显微镜观察深微孔的孔径大小及表面形貌；再通过改变飞秒激光的平均功率和加工时间来获得不同参数的深微孔。由于飞秒激光可以在空气中形成具有很高的强度、均匀性好、传播距离较长且相对稳定的光丝通道，对实验平台的要求也相对较低，大大降低了深微孔制备的成本。

权利要求

1.一种利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：利用透镜将飞秒激光进行聚焦成丝，所述飞秒激光在空气中形成相对稳定的光丝通道，所述透镜前方设置有孔径光阑，所述透镜的焦距为500mm-1000mm，所述透镜前方还放置有光束整形装置；

调节所述飞秒激光的平均功率从而改变所述光丝通道长度；

在相同条件下分别将靶材放在所述光丝通道的不同位置处，找出所述光丝通道中烧蚀强度最强点，再将所述靶材固定在所述烧蚀强度最强点处进行加工，从而获得毫米级的深微孔；

利用扫描电子显微镜观察所述深微孔的孔径大小及表面形貌；

再通过改变所述飞秒激光的平均功率和加工时间来获得不同参数的所述深微孔。

2.如权利要求1所述的利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法，其特征在于：所述深微孔孔径有较小的锥度以及较大的深宽比。

3.如权利要求1所述的利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法，其特征在于：所述飞秒激光由钛宝石飞秒激光再生放大器产生。

4.如权利要求1所述的利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法，其特征在于：所述透镜的焦距为750mm。

5.如权利要求1所述的利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法，其特征在于：所述靶材的厚度为5mm。

6.如权利要求1所述的利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法，其特征在于：所述靶材的材质为PMMA。

说明书

利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光成孔技术领域，具体涉及利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法。

背景技术

[0002] 随着航空航天、汽车、工程器件以及生物医疗等近代工业以及科学技术的迅速发展，强度大、硬度高、柔韧性强的复合材料的应用越来越广泛，因此，在这些材料上加工出高质量的深微孔是目前亟待解决的问题。传统的打孔工艺远远满足不了许多高、精、尖产品的关键零件上深微孔加工的要求。激光打孔技术具有精度高、可重复性强、成本低、材料消耗少等诸多方面的优点，使激光打孔技术在现代制造领域发挥着越来越重要的作用。飞秒激光打孔虽然较长脉冲激光打孔有着明显的优势，但从目前已有的报导来看飞秒激光打孔一般都局限于在一些薄层材料上加工微孔。因此，深微孔的加工方法也就成了当前打孔技术亟待解决的问题。由于飞秒激光成丝具有很高的强度、均匀性好且传播距离较长。因此，采用飞秒激光成丝的方法则可以一次性成孔，可以大大降低孔的锥度，提高孔的表面质量。利用飞秒激光成丝加工出的毫米级深微孔，不仅可以在航空航天领域中得到广泛的实际应用，而且还可以在实际的生物医疗或者工程器件中获得实践性的应用。

[0003] 目前利用飞秒激光打孔的方法主要有以下两种方法；

[0004] 1、飞秒激光复制法加工孔，激光束在加工中与工件之间没有相对位移，而是重复打击在工件的固定某点上，因此这种方法加工出来的孔径较小。

[0005] 2、飞秒激光轮廓迂回法加工孔，即为加工形状由激光束和被加工工件相对位移轨迹所确定的加工方法，釆用这种加工方式可以加工出不同孔径的圆孔，甚至任意形状的异型孔。得到孔径可控的高圆度高精度小孔。

[0006] 但是现有技术中上述两种打孔的方法均存在着各种各样的问题：

[0007] 1、复制法加工出的微孔形状由光束聚焦质量所决定，因而这种方法对于光束的质量非常高，且孔径的控制相对比较困难、深宽比较大。

[0008] 2、轮廓迂回法加工加工孔对工作平台的要求非常高，经济成本高，且定位精度有限，深孔加工锥度较大。

发明内容

[0009] 针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法。

[0010] 为实现上述目的，本发明提供一种利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法，该方法包括以下步骤：

[0011] 利用透镜将飞秒激光进行聚焦成丝，所述飞秒激光在空气中形成相对稳定的光丝通道，所述透镜前方设置有孔径光阑，所述透镜的焦距为500mm-1000mm，所述透镜前方还放置有光束整形装置；

[0012] 调节所述飞秒激光的平均功率改变和透镜焦距大小来改变所述光丝通道长度和束腰直径大小；

[0013] 在相同条件下分别将靶材放在所述光丝通道的不同位置处，找出所述光丝通道中烧蚀强度最强点，再将所述靶材固定在所述烧蚀最强点处进行加工，从而获得毫米级的深微孔；

[0014] 利用扫描电子显微镜观察所述深微孔的孔径大小及表面形貌；

[0015] 再通过改变所述飞秒激光的平均功率和加工时间来获得不同参数的所述深微孔。

[0016] 上述的利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法中，优选为，所述深微孔孔径有较小的锥度以及较大的深宽比。

[0017] 上述的利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法中，优选为，所述飞秒激光脉冲由钛宝石飞秒激光再生放大器产生。

[0018] 上述的利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法中，优选为，所述透镜的焦距为750mm。

[0019] 上述的利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法中，优选为，所述靶材的厚度为5mm。

[0020] 上述的利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法中，优选为，所述靶材的材质为PMMA。

[0021] 在上述技术方案中，本发明实施例提供的利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法与现有技术相比，通过透镜将飞秒激光进行聚焦成丝，飞秒激光在空气中形成相对稳定的光丝通道，调节飞秒激光的平均功率改变光丝通道长度，将白纸放在光丝通道的不同位置处，灼烧最强点为光丝通道的焦点，靶材固定在焦点处进行加工，从而获得毫米级的深微孔，扫描电子显微镜观察深微孔的孔径大小及表面形貌，改变飞秒激光的平均功率和加工时间来获得不同参数的深微孔。从而提高飞秒激光在空气中形成的光丝通具有很高的强度、均匀性好、传播距离较长且相对稳定道，因此，无需特殊的环境要求，对实验平台的要求也相对较低，因此，大大降低了深微孔制备的成本。

附图说明

[0022] 图1为本发明一个实施例中利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法的流程图。

具体实施方式

[0023] 下面通过具体的实施例结合附图对本发明做进一步的详细描述。

[0024] 考虑到目前现有方法中聚焦的激光点一直需要跟踪孔洞最前端点，因此会造成孔洞直壁上重凝、重堆积、表面粗糙度大、大大降低了其深宽比的问题，本发明提供了利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法。

[0025] 该方法包括以下步骤：

[0026] 利用透镜将飞秒激光进行聚焦成丝，飞秒激光在空气中形成相对稳定的光丝通道；

[0027] 调节飞秒激光的平均功率改变光丝通道长度；

[0028] 在相同条件下分别将靶材放在所述光丝通道的不同位置处，找出所述光丝通道中烧蚀强度最强点，再将所述靶材固定在所述烧蚀最强点处进行加工，从而获得毫米级的深微孔；

[0029] 利用扫描电子显微镜观察深微孔的孔径大小及表面形貌；

[0030] 再通过改变飞秒激光的平均功率和加工时间来获得不同参数的深微孔。

[0031] 从而提高飞秒激光在空气中形成的光丝通具有很高的强度、均匀性好、传播距离较长且相对稳定道，因此，无需特殊的环境要求，对实验平台的要求也相对较低，因此，大大降低了深微孔制备的成本。

[0032] 接下来对该利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法进行详细描述：

[0033] 实施例1：利用飞秒激光成丝制备毫米级深孔的方法，如图1所示，利用透镜将飞秒激光进行聚焦成丝，飞秒激光在空气中形成具有很高的强度、均匀性好、传播距离较长且相对稳定的光丝通道。

[0034] 调节飞秒激光的平均功率改变光丝通道长度。

[0035] 在相同条件下分别将靶材放在所述光丝通道的不同位置处，找出所述光丝通道中烧蚀强度最强点，再将所述靶材固定在所述烧蚀最强点处进行加工，从而获得毫米级的深微孔；

[0036] 利用扫描电子显微镜(SEM)观察深微孔的孔径大小及表面形貌；

[0037] 再通过改变飞秒激光的平均功率和加工时间参数来获得不同参数的深微孔，得到最佳的搭配参数，使得孔的锥度最小，深宽比最大，且具有较好的表面形貌。

[0038] 其中，可以在聚焦透镜前方放置孔径光阑，从而改善光斑圆度，进而改变加工深微孔的圆度。

[0039] 其中，可以在聚焦透镜前方放置光束整形装置，从而将高斯光束整形成平顶光束，从而改变光强分布，进而降低孔的锥度。

[0040] 本实施例中，深微孔孔径有较小的锥度以及较大的深宽比，在飞秒激光平均功率一定的情况下，随着加工时间的增加，孔的孔径大小变大，深宽比下降；孔的锥度先增加后减小再增加，但总体来说呈现增大趋势。加工时间一定时，随着飞秒激光平均功率的增大，孔的孔径大小和锥度均有着明显的增大趋势，且深宽比下降。

[0041] 本实施例中，飞秒激光脉冲由钛宝石飞秒激光再生放大器产生。该钛宝石飞秒激光再生放大器的中心波长为800nm、脉冲宽度35fs、重复频率1kHz、最大平均功率3W。激光平均功率分别为1W、1.2W、1.4W…2.6W，加工时间分别为3s、5s、7s…21s。

[0042] 本实施例中，透镜的焦距为500mm-1000mm。在透镜焦距为500mm时，虽然焦斑较透镜焦距为750mm时小，但其光丝长度和强度相比于透镜焦距为750mm的光丝长度和强度也下降了很多。因此，透镜焦距为500mm时孔径虽然较小，但锥度增大，深宽比也下降了；在透镜焦距为1000mm时，虽然其光丝长度和强度相比于透镜焦距为750mm的光丝长度和强度有所增强，但其焦斑较透镜焦距为750mm时却大大增加。因此，透镜焦距为500mm时虽然锥度有所减小，深宽比有所增加，但孔径却大大增加了。综上考虑到焦斑大小、光丝长度和强度，透镜焦距为750mm为最佳选择。

[0043] 本实施例中，靶材的材质为PMMA。该靶材具有较好的化学稳定性和耐候性、易加工染色、外观优美、无毒环保、良好的光透过率以及具有良好的介电和电绝缘性能等特点，是迄今为止合成透明材料中应用最广泛的材料之一，有着广泛的应用前景。

[0044] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。