专利名称：飞秒激光对材料表面改性的微精细加工装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学精细加工系统技术领域，涉及一种飞秒激光 对材料表面改性的微精细加工装置。
背景技术：
对激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代，但直到20世 纪70年代初研制出大功率激光器之后，此项技术才获得了实际的应 用，并在随后几十年里得到迅速的发展。激光表面处理技术是一种将 现代物理学、化学、计算机、材料科学以及先进制造技术等多学科知 识综合起来的高新技术,它通过采用激光加工的方式在材料表面形成 具有一定厚度的处理层，可以改善材料表面的力学性能、冶金性能和 物理性能，从而提高零件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能，它也 能使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高 性能的最佳组合。
激光表面改性技术是激光加工领域中的重要组成部分,它的特点 是利用高能量密度激光照射工件时产生的热量对工件表面快速的加 热，将光能转变为热能，进而对材料表面进行独特的加工处理。该工 艺的优点是能够有选择地处理材料局部表面,并可以在不改变材料整 体性能的情况下在局部表面得到所需要的性能。
目前应用于激光材料表面改性技术方法通常有Nd: YAG激光加 工、C02激光加工和准分子激光加工技术三种，内容分述如下。
一、Nd: YAG激光加工Nd: YAG激光是钕:钇铝石榴石的縮写， 它是一种固态激光。Nd:YAG激光属四能级系统，量子效率高，受激 辐射面积大。在激光加工行业中，由于Nd:YAG晶体具有优良的热学 性能，因此非常适合制成连续和重频器件,它是目前在室温下能够连
3续工作的唯一固体工作物质。尽管以YAG晶体为基质的YAG激光器从 问世迄今,其技术和工艺都比较成熟并得到广泛应用，但这种加工技 术尚存在下述的缺点(1).激光与材料作用的过程中，热扩散使加 工区域周围材料不断吸收能量，作用于材料去除的能量减少，从而降 低了加工效率；(2).热扩散降低了聚焦点的温度，以致焦点的温度无 法远远超过材料的熔点，只能通过能量不断地沉积，以沸腾、汽化方 式完成材料的去除；(3).由于在激光加工过程中，热量向焦点周围扩 散，加工区域比焦点尺寸大，从而在加工边际产生熔融等现象，这样 就无法得到尺寸严格、精度高的工件，降低了微细加工的精度；(4). 激光加工过程中扩散的热量通过热影响区传播，产生机械应力，导致 机械裂纹产生，对加工区域周围材料造成不利影响。随着相关技术的 进步，为了提髙YAG激光器的效率、输出功率和光束质量，扩展其频 谱范围，人们在激光材料、结构和泵浦源以及泵浦方式等技术和工艺 方面仍在积极地开展研究和改进工作。
二、 C02激光加工C02激光加工技术是通过用聚焦镜将C02激光 束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压縮气体吹走 被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动的集光、机、 电为一体的综合技术。从20世纪70年代以来随着C02激光器及数控 技术的不断完善和发展，目前C02激光加工技术已成为业内普遍采用 的一种材料表面改性加工方法。但该方法仍存在有前述Nd: YAG激 光加工技术存在的缺陷。此外，该方法实施中，激光束的参数、机器 与数控系统的性能和精度都直接影响材料表面改性的效率和质量，由 于C02激光加工幅面受场镜大小限制，材料表面易出现小角度偏差。
三、 准分子激光加工准分子激光加工技术使用的工作物质是受 激准分子，激光跃迁发生在形成分子的激发态和不能形成分子的基态 之间。由于上能态的寿命很短，激光器以脉冲方式工作；又由于下能 态是排斥态，激光器的增益高，可获得高功率输出，而且是宽带跃迁,能获得可调谐的激光辐射。准分子激光最重要的特征是具有紫外和远 紫外波段范围的高功率激光，其加工技术在医学、光刻以及其它领域 的某些应用中特别有用。从实际使用效果看，采用准分子激光器在对 加工出相同形状的孔和重复性方面的工作是不错的,但整体的效率并
不高，只有大约1%的脉冲能量作用于加工表面，而其它约99%的光能 量损失于模板，故其输出功率较小，加工效率低。此外，准分子激光 束的横截面是大的矩形，空间质量较差，这严重地限制了光束的聚焦 性,使得在微处理过程中一定要使用掩模板，而且准分子激光器都要 使用有毒气体,而特殊气体的更换，存储和调整过程非常麻烦。
实用新型内容
本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决,进而提 供一种结构设计合理、使用方便、加工效率高、安定性好、加工时无 热影响区存在、可实现流畅的精密加工且加工精度优良的飞秒激光对 材料表面改性的微精细加工装置。
为实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的:所提供的 飞秒激光对材料表面改性的微精细加工装置由飞秒激光器、显微光路 系统、高精度三维工作台(多轴程控工作台)和控制系统主机(系统控 制管理软件)组成，其中飞秒激光器采用波长为800咖、脉宽180fs、 频率lkHz、功率1W、能量lmj的飞秒激光器，由其发出的激光光束 经显微光路系统后聚焦照射到位于三维工作台处的被加工部件上,显 微光路系统包括加工观察用显微镜和带有CCD监控成像单元的光路 系统，飞秒激光器的信号控制输入端与控制系统主机的光控信号输出 端联接，三维工作台的移动控制输入端与控制系统主机的工作台工作 信号输出端联接，显微光路系统中CCD成像单元的信号输出/输入端 与控制系统主机的CCD信号输入/输出端联接。
本实用新型用于对材料表面改性的微精细加工的过程是:在计算 机(软件)的控制下,光源(飞秒激光器)发出的高能级超短脉冲激光光束通过光路导入显微光路系统聚焦后，照射到设置在三维工作台上的 加工部件的指定位置,工作台根据被加工工件的图纸要求进行相关的 三维运动，实现对材料表面改性的微精细加工。与此同时，显微光路
系统中的CCD监控成像单元将显微镜观察到的图像经数字、模拟信号 转化为图像信号在计算机显示屏上显示出来,从而实现对整个材料加 工过程的实时监控。
通过以上的解决方案，本实用新型提出了一种打破传统激光材料 表面改性技术，它采用改进后的波长800nm、脉宽180f s、频率lkHz、 功率1W、能量lmj的高能级超短脉冲飞秒激光做为加工光源，配合 显微光学系统和高精度三维工作台，通过软件程序的控制，对材料表 面改性进行微精细加工。由于飞秒激光光源具有窄脉宽、超短持续时 间和超强峰值功率的特点，在被加工材料产生等离子和热传导之前， 表面改性过程即可完成，因此不会对加工部位、周边产生热效应等不 良影响，使加工时没有热影响区存在;又由于飞秒激光多光子的吸收 效果，可以对所有材料(包括金属、树脂、陶瓷、玻璃、单晶体等) 吸收、分解，进行远远超过准分子加工性能的非热加工，由此开创了 材料超精细、低损伤和空间3D加工和处理的新领域。它能够实现亚 微米等级的超精密加工，为需要高精密加工的汽车工业、半导体(晶 片、基板切割、刻蚀)、通讯(光波导)等提供了非常有用的工具。
与前述的Nd: YAG激光和C02激光对材料表面改性的微精细加工 技术相比，由于飞秒激光加工产生的热影响区域非常小，因此本实用 新型技术能够得到更高的加工精度；与准分子激光加工技术相比，虽 然准分子激光输出光波长更短，但因其辐射能被许多透明材料吸收, 故其只能进行表面加工而不适于对材料表面改性的微精细加工，且当 波长入<200nm时,准分子激光加工技术还存在聚焦光学元件表面辐 射损伤问题。研究表明，使用飞秒激光不仅能够进行材料表面改性加 工,还能进行体内微加工(材料透明情况下)，且加工精度不低于使用
6准分子激光所达到的精度。综上所述，本实用新型的优点可归述为
1、 在对材料进行表面改性加工时，不会出现加工面的熔融现象; 不会出现裂缝，加工表面平整，精度高；
2、 加工残留物少，可以实现流畅的精密加工；
3、 加工材料具有广泛性，加工的尺寸具有亚微米特性，可进行 三维空间加工能力；
4、 可以对玻璃、钻石、水晶等透明材料进行表面改性加工；
5、 具有安定性高、可实现长时间连续运转、环境适应与耐久性
能高等优点o
图1为本实用新型所述微精细加工装置的原理结构示意图。
图2为该加工装置所用飞秒激光器的结构示意图。 图3为本实用新型设置的软件控制流程示意图。
具体实施方式
参见附图1,本实用新型所述的飞秒激光对材料表面改性的微精 细加工装置由飞秒激光器l、显微光路系统、高精度三维工作台5和 控制系统主机(系统控制管理软件)2四部分构成。飞秒激光器1发出 的激光束经显微光路系统后聚焦照射到位于三维工作台5处的被加 工部件4上,飞秒激光器1的信号控制输入端与控制系统主机2的光 控信号输出端联接,三维工作台5的移动控制输入端与控制系统主机 2的工作台工作信号输出端联接，显微光路系统中CCD监控成像单元 的信号输出/输入端与控制系统主机2的CCD信号输入/输出端联接。
在飞秒激光对材料表面改性处理过程中,激光能量及激光与被加 工材料的作用时间对加工效果起着重要作用，为此本实用新型设计者 对现行飞秒激光器的结构进行了改进，如图2所示。它具有依光束通 路设置的泵浦激光器11、光纤振荡器12、光纤展宽器13和光脉冲压 縮器18,在光纤展宽器13和光脉沖压縮器18之间设置有由配备了
7长寿命准连续电源14 、 二极管泵浦固体激光器15和光电控制模块(高 稳定性电源/光束/往返运输通道)17的飞秒激光再生放大器16构成 的稳定功率输出系统(SPOS结构，虚线框所示)。上述的SPOS结构主 要特点是给二极管泵浦固体激光器15配备了长寿命准连续电源14， 对飞秒激光再生放大器16设计了光电控制模块(高稳定性电源/光束 /往返运输通道)17,实际上是对做为激励光源的二极管泵浦固体激光 器15和飞秒激光再生放大器16的控制进行了优化设计。通过此设计 可以实现加工系统无故障连续工作12000小时。该飞秒激光器的实际 工作过程依下所述(l).当激光从泵浦激光器11通过光纤振荡器 12 (图2中过程I )时得到1550nm/100朋z/100mW/lnJ的激光；(2). 当激光通过光纤展宽器13(过程II)时得到775nm/lps的激光；(3). 当激光通过飞秒激光再生放大器(过程m)得到800nm/lKHz/3W/luJ 的激光；(4).当激光通过光脉冲压缩器18(过程IV)时，最终得到波 长800mn/频率lKHz/功率1W/能量lmJ/脉宽180f s的激光，为对材料 表面改性的微精细加工光源(飞秒激光)。作为一种实施例，飞秒激光 器中的泵浦激光器11选用PL-冊-01器件，光纤振荡器12选用 0P0-WH"01器件，光纤展宽器13选用0PE-WH-01器件，长寿命准连 续电源14选用PCPs-冊-01器件，二极管泵浦固体激光器15选用 DPSL-WH-01器件，飞秒激光再生放大器16选用GRA-WH-01器件，光 电控制模块(高稳定性电源/光束/往返运输通道)17选用OEPS-l器 件，光脉冲压縮器18选用LPC-冊-01器件。
本实用新型中显微光路系统的结构亦如图1所示，它具有光路导 入装置33、半反半透分光镜34、观察聚焦用显微镜(0PIELICSC130) 35和由带监视器31的监控用CCD32组成的CCD监控成像单元，飞秒 激光器光源1发出的高能级超短脉冲激光光束经光路导入装置33后 至半反半透分光镜34，其反射光经显微镜35后聚焦照射到位于三维 工作台5处的被加工部件4上的指定位置，其透射光信号通至CCD监控成像单元内，CCD监控成像单元将显微镜35观察到的图像经数 字、模拟信号转化为图像信号在计算机显示屏上显示出来，从而实现 对整个材料加工过程的实时监控。
该加工装置中述及的高精度三维工作台5即多轴程控工作台。当 飞秒激光的光束经显徼镜35聚焦到加工部件4上，在显微镜35观察 的同时，通过三维工作台5的自动控制移动，实现对部件4的加工。
在本实用新型实际结构中，控制系统主机2可采用TMSIS-4000。 系统控制管理软件基于ATUOCAD平台，采用Visual C++ 6. 0作为开发工 具,实现了自动编程，通过RS-232接口与控制系统的通讯,可以实现对 设备的外部控制，提高了编程精度和准确性。在整个工作过程中，为 用户提供丰富友好的操作界面模块，包括程序运行的系统菜单、视窗、 对话框以及其它一些辅助功能弹出界面等。系统运行时，程序主界面 要求用户新建文档，从而开始设计过程；用户输入设计参数，系统从 设计数据库中调出数据，利用程序制定的绘图函数，进行设计与绘图； 设计完成后可对设计数据进行存储及管理。可根据由设计计算模块传 递来的设计参数，在VC环境下绘制、打印出加工图纸。同时软件还 具有报警功能，如当激光头、冷却器等的设置不正确时候，系统均提 供报警，并提示用户采取的措施和步骤。在操作界面上，用户可以实 现启闭飞秒激光器、显微镜的焦聚焦调整、设定工作台的加速度、原 点位置、操作台移动方向等，通过RS-232接口将一系列指令发送到加 工系统，指导整个加工系统的正确工作。
权利要求1、一种飞秒激光对材料表面改性的微精细加工装置，其特征在于由飞秒激光器(1)、显微光路系统、三维工作台(5)和控制系统主机(2)组成，飞秒激光器(1)采用波长为800nm、脉宽180fs、频率1kHz、功率1W、能量1mJ的飞秒激光器，其发出的激光光束经显微光路系统后聚焦照射到位于三维工作台(5)处的被加工部件(4)上，显微光路系统包括加工观察用显微镜(35)和带有CCD监控成像单元的光路系统，飞秒激光器(1)的信号控制输入端与控制系统主机(2)的光控信号输出端联接，三维工作台(5)的移动控制输入端与控制系统主机(2)的工作台工作信号输出端联接，显微光路系统中CCD监控成像单元的信号输出/输入端与控制系统主机(2)的CCD信号输入/输出端联接。
2、 根据权利要求1所述的飞秒激光对材料表面改性的微精细加 工装置，其特征在于飞秒激光器(1)具有依光束通路设置的泵浦激光 器(U)、光纤振荡器(12)、光纤展宽器(13)和光脉冲压縮器(18)，在 光纤展宽器(13)和光脉冲压缩器(18)之间设置有由配备了长寿命准 连续电源(14) 、 二极管泵浦固体激光器(15)和光电控制模块(17)的飞 秒激光再生放大器(16)构成的稳定功率输出系统。
3、 根据权利要求2所述的飞秒激光对材料表面改性的微精细加 工装置，其特征是显微光路系统具有光路导入装置(33)、半反半透分 光镜(34)、显微镜(35)和由带监视器(31)的监控用CCD(32)组成的 CCD监控成像单元，飞秒激光器(l)发出的激光光束经光路导入装置 (33)后至半反半透分光镜(34),其反射光经显微镜(35)后聚焦照射到 位于三维工作台(5)处的被加工部件(4)上，其透射光信号通至CCD 监控成像单元内。
专利摘要本实用新型涉及一种飞秒激光对材料表面改性的微精细加工装置，由飞秒激光器、显微光路系统、高精度三维工作台和控制系统主机组成，飞秒激光器采发出的激光光束经显微光路系统后聚焦照射到位于三维工作台处的被加工部件上，显微光路系统包括加工观察用显微镜和带有CCD监控成像单元的光路系统，三维工作台与控制系统主机控制联接。本实用新型将飞秒激光作为加工光源，以其独特的超短持续时间和超强峰值功率特点，配合光学系统和高精度三维工作台并通过软件程序的控制，对材料表面改性进行精细加工，由于加工时没有热影响区存在，能够实现亚微米等级的超精密加工，为需要高精密加工的汽车工业、半导体、通讯工业方面等提供了非常有用的工具。
文档编号B23K26/00GK201333592SQ20092003176
公开日2009年10月28日 申请日期2009年1月20日 优先权日2009年1月20日
发明者悦 任, 牛建设, 陈在维, 陈平安 申请人:陕西午禾科技有限责任公司