利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置和方法与流程

本发明涉及材料激光微区加工和处理技术领域，具体涉及一种利用微束激光对熔点较低的晶体/非晶体或薄膜材料进行精细加工和激光微区照射处理的装置和方法，可以按图纸编程加工各种材料，也可以对某些材料的特定区域，选取特定的激光参数进行照射处理，可针对各类材料利用光斑大小、功率可调控的激光进行微区切割和处理。

背景技术：

激光加工和激光处理在当代人们生活、工业和工程上的应用日益广泛，激光加工是激光系统最常用的应用。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。光是从组成物质的原子中发射出来的，原子获得能量后处于不稳定状态(也就是激发状态)，它会以光子的形式把能量发射出去。而激光，就是被引诱(激发)出来的光子队列，这光子队列中的光子们，光学特性一样，步调极其一致。

光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。而激光加工主要是利用激光热效应和光化学反应两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光镭射打标和激光钻孔等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程，包括光化学沉积、立体光刻、激光雕刻刻蚀等。激光加工有诸多优点，它不需要工具、加工速度快、表面变形小，且可加工各种材料。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用经过高度汇聚的微束激光对材料进行精细加工和处理的装置和方法，可以按图纸编程，数控加工各种材料，且加工精度可达微纳米级，且在保证加工精度的情况下，进行较大尺寸的图形加工。也可以对材料特定区域进行可选择的激光集中照射，使其特定的区域发生光化学反应，且该区域尺寸可小到几个微米。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，该装置包括：激光汇聚及显微观察系统、激光光源、普通光光源、气泵、气浮减震平台、样品台机械数控移动系统、CCD摄像头、激光汇聚模块机械移动系统、运动控制器、计算机，具体结构如下：

激光光源和普通光光源分别通过接口以同轴光的形式，通过光缆接入激光汇聚及显微观察系统，并且激光光源和普通光光源手动选择切换光源；激光汇聚及显微观察系统与CCD摄像头的输入端连接，CCD摄像头的输出端与运动控制器的输入端通过USB线与计算机连接，进行显微观察定位和数控编程；激光汇聚及显微观察系统设置于激光汇聚模块机械移动系统上，运动控制器的输出端与样品台机械数控移动系统连接，样品台机械数控移动系统设置于气浮减震平台上，气浮减震平台的进气端与气泵连接。

所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，该装置的激光汇聚及显微观察系统设置共轴光路系统，共轴光路系统包括一个激光光缆接口、一个普通光光缆接口、一个激光CCD摄像头、一组激光汇聚镜头、普通显微镜目镜、物镜和一组不同倍率的超长焦距物镜，对激光进行汇聚，以便满足加工和处理精度的要求。

所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，激光汇聚模块机械移动系统带动激光汇聚及显微观察系统在x、y、z三维空间内任意移动，用于显微镜的聚焦和光斑的移动；样品台机械数控移动系统带动样品台在x、y、z三维空间内任意移动，其重复定位精度达0.1μm，样品台机械数控移动系统实现面内样品的旋转和倾转，且实现数控和实时状态监测；激光汇聚及显微观察系统配备放大倍率可调的显微成像系统及同轴光源，用于对激光光斑定位和样品的观察、加工和处理，观察分辨率达0.5μm，切割分辨率达4μm，激光光斑达4μm。

所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，通过计算机控制软件实现对机械位移进行数控和实时监控，重复定位精度为0.5μm，移动速度1mm/min～1000mm/min连续可调；通过计算机的显微镜成像软件窗口将显微图像在计算机上成像，方便进行实施观察、测量和精确定位；通过计算机的位移控制软件窗口输入需要加工的图形程序，对电动样品台进行数控。

所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，激光汇聚及显微观察系统、激光汇聚模块机械移动系统和样品台机械数控移动系统安置于气浮减震平台之上，以提高加工和处理的精度和稳定性。

所述的利用微束激光对材料进行精细加工和处理的装置，该装置的运动控制器，用于将计算机的程序命令存储和转化发送给电机驱动器；该装置的电机驱动器，用于对电动样品台的步进电机发射脉冲电信号。

所述装置对材料进行精细加工的方法，该方法包括如下步骤：

(1)显微定位步骤，确定加工区域；

(2)加工图形编程步骤，编辑加工参数；

(3)选择激光参数步骤，选择满足加工要求的激光参数；

(4)启动步骤，启动机械移动系统和激光器；

(5)检测步骤，实时监测加工进程。

所述的对材料进行精细加工的方法，该方法进一步包括显微聚焦步骤，选择合适倍数的物镜进行显微观察和汇聚激光；该方法进一步包括存储步骤，存储所编辑的加工图纸；该方法进一步包括导入步骤，导入之前保存的加工图纸；该方法进一步包括激光光斑调节步骤，调节激光光斑的大小，以满足加工要求。

所述装置对材料进行精细处理的方法，该方法进行精准定位微区激光照射处理，包括如下步骤：

(1)显微定位步骤，确定处理区域；

(2)处理区域图形编程步骤，编辑需照射处理的时间、区域范围参数；

(3)选择激光参数步骤，选择满足相应材料处理要求的激光参数；

(4)启动步骤，启动机械移动系统和激光器；

(5)检测步骤，实时监测照射处理的结构形貌变化，以及处理进程。

所述的对材料进行精细处理的方法，该方法进一步包括显微聚焦步骤，选择合适倍数的物镜进行显微观察和汇聚激光；该方法进一步包括存储步骤，存储所编辑的处理区域图形图纸；该方法进一步包括导入步骤，导入之前保存的处理区域图形图纸；该方法进一步包括激光波长选择步骤，根据需要处理材料的特性和处理要求，选择相应的激光波长的激光器；该方法进一步包括激光光斑调节步骤，调节激光光斑的大小，以满足处理要求。

本发明设计思路如下：

首先，在微纳米级尺寸加工材料，就需要经过高度汇聚后足够小的激光光斑。所以本发明选取了出口光斑和发散角较小的激光器，再经过多组激光组合镜头和高倍长焦显微镜的汇聚，已得到足够小的光斑。并且，在对材料进行加工处理的过程中需要数控机械移动系统的配合，所以本发明设计把组合镜头以及样品台安装在可三维平移、旋转和倾转等手动、电动组合样品台上，配合相应的驱动器、控制器和计算机，以实现激光光斑、样品的全方位移动。再次，由于加工尺寸十分小，需要配合显微镜进行观察和定位测量，所以本发明设计了同一组显微镜头同时连接激光和普通光两种同轴光缆，并且可以实现二者间的切换，同时利用专门选配的激光成像CCD摄像头成像在计算机的软件操作窗口上，方便进行实时观察、定位和测量等操作。

正是基于以上三点主要的设计指导思想，本发明成功的实现了对各种材料微纳米级精度的数控激光加工，同时也实现了对某些材料进行特定波长激光精确定位、高度汇聚的可控光照处理，利用某一材料在特定激光照射下的光化学反应，进行精确定位的微区材料改性等。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明所使用的装置和激光方法适用于各种材料，如：碳纳米薄膜、聚酰亚胺、焊锡、硅胶、聚醚醚酮等。

2、本发明所使用的装置和方法的加工精度高，激光经过多级汇聚后，在样品上得到尺寸足够小、能量高度集中的光斑，造成局部的高温，使样品局部区域气化。因为激光光斑很小，可以实现几个微米的图形加工。

3、本发明所使用的装置和方法材料损耗量小，对环境无污染。

4、本发明所使用的装置和方法可以实现数控加工，多轴联动，计算机编程集中控制，自动化程度较高。

5、本发明所使用的装置和方法利用专配的激光显微组合透镜和摄像头，可以实时观察加工进程。

6、本发明所使用的装置和方法使用订做的接口，可以同时接入激光和普通光两种同轴光缆，并且可以实现二者间的切换，这样能保证激光光斑与普通光光斑在同一位置，方便定位测量和加工控制。

7、本发明所使用的装置和方法所采用的激光器功率可调，也可快速更换其他波长的激光器，以满足不同材料加工处理要求。

8、本发明所使用的装置和方法将激光汇聚系统、显微观察系统和机械移动系统置于气浮减震平台上，与震动单元隔离，减少或消除环境震动带来的加工误差。

附图说明

图1为本发明所做的实验装置结构图。图中，1激光汇聚及显微观察系统；2激光光源；3普通光光源；4气泵；5气浮减震平台；6样品台机械数控移动系统；7、CCD摄像头；8激光汇聚模块机械移动系统；9运动控制器；10计算机。

图2为制作聚酰亚胺掩膜板的流程图。图中，11聚酰亚胺胶带；12单晶Si基底；13激光束。

图3为焊接电极的流程图。图中，14银导线；15焊锡粒。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明的核心是提供一种利用高度聚焦的激光对材料进行精细加工和处理的装置，该装置利用了激光的光热效应和光化学反应，可以对材料进行数控加工或局部区域激光照射处理；本发明的另一个目的是提供一种利用高度聚焦的激光对材料进行精细加工和处理的方法。

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

参照图1，图1给出了本发明实施例提供的一种利用高度聚焦的激光对材料进行精细加工和处理的装置结构图，该装置主要包括以下几个系统：激光汇聚及显微观察系统、样品台机械数控移动系统、显微观察定位系统、计算机集中数据监控及可视化系统和减震系统等。

其中，激光光源2和普通光光源3分别通过一个订制的接口以同轴光的形式，通过光缆接入激光汇聚及显微观察系统1，并且激光光源2和普通光光源3可以手动选择切换光源。激光汇聚及显微观察系统1与CCD摄像头7的输入端连接，CCD摄像头7的输出端和运动控制器9的输入端通过USB线与计算机10连接，进行显微观察定位和数控编程。激光汇聚及显微观察系统1配备了不同倍数的长焦物镜，方便针对不同样品和加工要求进行观察选择。激光汇聚及显微观察系统1设置于激光汇聚模块机械移动系统8上，运动控制器9的输出端与样品台机械数控移动系统6连接，样品台机械数控移动系统6设置于气浮减震平台5上，气浮减震平台5的进气端与气泵4连接。该装置的运动控制器，用于将计算机的程序命令存储和转化发送给电机驱动器；该装置的电机驱动器，用于对电动样品台的步进电机发射脉冲电信号。

该装置的激光汇聚及显微观察系统设置共轴光路系统，共轴光路系统包括一个激光光缆接口、一个普通光光缆接口、一个激光CCD摄像头、一组激光汇聚镜头、普通显微镜目镜、物镜和一组不同倍率的超长焦距物镜，对激光进行汇聚，以便满足加工和处理精度的要求。激光汇聚模块机械移动系统8带动激光汇聚及显微观察系统1在x、y、z三维空间内任意移动，用于显微镜的聚焦和光斑的移动；样品台机械数控移动系统6带动样品台在x、y、z三维空间内任意移动，其重复定位精度可达0.1μm，样品台机械数控移动系统6实现面内样品的旋转和倾转，且实现样品的数控和实时状态监测。激光汇聚及显微观察系统配备放大倍率可调的显微成像系统及同轴光源，用于对激光光斑定位和样品的观察、加工和处理等，观察分辨率可达0.5μm，切割分辨率可达4μm，激光光斑可达4μm。并且，通过计算机控制软件实现对机械位移进行数控和实时监控，重复定位精度为0.5μm，移动速度1mm/min～1000mm/min连续可调。

如图1所示，本发明提供了一种材料加工方法，该方法利用上述实验装置，根据材料的光热效应，经过显微定位，选择激光参数、激光聚焦、数控编程等步骤对材料进行激光加工，具体包括以下步骤：

(S1)分析需要加工的材料，选择配备合适的激光器，并且测试出合适的激光功率、所采用的显微物镜的倍数、加工时样品台机械数控移动系统6的样品台移动速度等参数，将选择好的激光器光缆接入激光汇聚及显微观察系统1。

所用激光器的出口光斑大小、激光光波波长、激光器功率和激光发生器类型等参数，可以根据实际加工和处理要求以及材料种类等进行选择。利用激光镜头、显微镜等光路系统，对激光进行汇聚，以便满足加工和处理精度的要求。

(S2)将样品固定在样品台上，打开普通光光源3，调整激光汇聚及显微观察系统1中显微镜的高度，进行调焦，通过观察CCD摄像头7在计算机10的显微镜成像软件窗口成像进行定位，并选择需要加工的位置，由于激光与普通光均为同轴光，所以激光光斑位于CCD摄像头7成像的正中心。

(S3)打开计算机10的位移控制软件窗口，在其中输入需要加工的图形及加工参数或者导入已保存的图形加工文件，此时可以试运行一下，确保激光加工过程中不会因为样品台超量程等原因而中断。

(S4)关上激光防护罩，以防激光外漏对操作者或他人造成伤害。

(S5)关闭普通光光源3，并将同轴光光源切换为激光，启动激光器，调到已选择好的功率。启动已编好的机械运动程序，进行加工操作。此时可以通过计算机上的显微镜成像软件窗口和位移控制软件窗口对加工进程进行实时监控。

(S6)待加工程序运行结束，关闭激光器，打开防护罩，即可取出加工完成的样品。

如图1所示，本发明还提供了一种材料激光照射处理的方法，该方法利用上述实验装置，根据材料的光化学反应，经过显微定位，选择激光参数、激光聚焦、数控编程等步骤对材料进行激光照射处理，具体包括以下步骤：

(S1)分析需要处理的材料，根据要发生的光化学反应式，选择配备相应波长的激光器，并且通过参阅文献、理论计算和实际测试等方法得出合适的激光功率。依据所需处理的区域面积，选取激光汇聚及显微观察系统1合适的显微物镜的倍数和激光汇聚模块机械移动系统8的样品台移动速度等参数，将选择好的激光器光缆接入激光汇聚及显微观察系统1。

(S2)将样品固定在样品台上，打开普通光光源3，调整激光汇聚及显微观察系统1中显微镜的高度，进行调焦，通过观察CCD摄像头7在计算机10的显微镜成像软件窗口成像进行定位，并选择需要反应的位置，由于激光与普通光均为同轴光，所以激光光斑位于CCD摄像头7成像的正中心。再通过移动激光汇聚模块机械移动系统8的样品台，将激光光斑对准需要处理的微区。

(S3)打开计算机10的位移控制软件窗口，在其中输入需要处理的图形及参数或者导入已保存的图形文件，此时可以试运行一下，确保激光处理过程中不会因为样品台超量程等原因而中断。

(S4)关上激光防护罩，以防激光外漏对操作中后他人造成伤害。

(S5)利用计算机软件调整显微镜支架到合适的位置，以得到合适的光斑大小。

(S6)关闭普通光光源，并将同轴光光源切换为激光，启动激光器，调到已选择好的功率。启动已编好的机械运动程序，进行处理操作。此时可以通过计算机上的显微镜成像软件窗口和位移控制软件窗口对处理进程进行监控。

(S7)待程序运行结束。关闭激光器，打开防护罩，即可取出反应结束的样品。

以下通过实施例进一步解释或说明本发明内容。

实施例1制作聚酰亚胺掩膜板

如图1所示，加工所用装置如前所述。

加工方法：参照图2，制作聚酰亚胺掩膜板的流程如下，将购买的商用聚酰亚胺胶带11置于需要沉积特定形状薄膜的单晶Si基底12上，之后将其固定在样品台上，在激光束13的作用下，进行上述的材料加工方法的细节步骤，可以得到特定图形的掩膜板。沉积薄膜后，将剩余胶带撕下，就得到了特定形状的薄膜样品，此方法可以快捷的制备出特定图形形状的薄膜样品。操作成本低廉，精度高，可以在一定程度上替代光刻技术。

实施例2微小结点焊接

加工方法：参照图3，焊接电极的流程如下，在显微镜下选好需要焊接的位置，将购买的100μm的银导线14的一端和焊锡粒15置于焊点位置，在显微镜下调整样品位置，使激光光斑落在焊点上。打开激光，将焊锡颗粒融化后快速关闭激光，银导线便与样品电极焊接在一起。

实施例3硅胶局部变质稳定化处理

处理方法：在显微镜下找准需要处理的区域，利用经高度汇聚、且可以精确定位的激光照射目标区域，通过调控激光器功率、光斑大小和照射时间，使硅胶表面发生不同程度光化学反应。

处理结果：不同处理条件下，经照射后的局部区域的硅胶会有不同程度的、不可恢复的膨胀变形，表面能降低。在之后的升温、沉积薄膜和宏观变形等过程中，表现出更强的稳定性。

实施例结果表明，利用本发明装置可以快速、方便的利用激光对各种材料，如：聚酰亚胺、硅胶、碳纳米管薄膜等，进行样品尺寸小于10cm×10cm的精细加工和精确定位处理。同时，可以通过调节激光功率、光斑大小、机械平台移动速度等，来获得不同加工精度和激光处理面积。从而，通过本发明可以对材料进行大范围、高精度和低损耗的数控加工，对某些材料进行特定激光、特定区域、能量可控的照射处理等，具有定位精度高、能量高度集中、加工损耗小、可视化程度高、自动化程度高、无噪音、无污染等优点。并且，结合显微镜数码成像，可以实现对材料进行微纳米级尺度加工和处理，应用前景非常广泛。

以上对本发明所提供的利用激光对材料进行精细加工和处理的装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。