一种动态调节脉冲能量与时间间隔的激光加工方法及装置与流程

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种动态调节脉冲能量与时间间隔的激光加工方法及装置。

背景技术：

激光与材料作用的基本过程可以分为两个过程：热力学过程和非热力学过程。当热能传播时间短于激光脉冲宽度时，在材料吸收激光能量的时间段内，就会发生电子受激过程、电子-声子弛豫过程、声子-声子弛豫过程等多种热传递和扩散过程。这样在灼烧时激光对材料熔化、气化、去除都是通过热效应实现的，这就使激光灼烧区域边缘受到严重的热影响和损伤。这就是长脉冲激光与材料相互作用的本质，当入射长脉冲能量足够强，材料也会直接电离成等离子体，造成材料的去除。而当激光脉冲宽度远小于电子-声子的弛豫时间时，在激光脉冲与材料相互作用时间段内不会发生能量以热能的形式存在和扩散，从而避免了热扩散造成的热影响和损伤，这就是超短脉冲激光与材料相互作用本质。飞秒脉冲激光辐射材料时，能量并不会以热能形式转移，而是在材料表面形成等离子体，这些等离子体由材料中的原子直接吸收高密度的激光脉冲能量形成的，等离子体的形成在加工过程中对材料的去除起到了很大的作用。因此相比于长脉冲激光加工，短脉冲激光加工的工件形貌更好，但是等离子体的产生会吸收一部分激光能量，并且由于光压材料汽化等过程的存在，在加工区域的材料与外界界面附近也会形成压力波，影响加工后材料的表面形貌。

激光与材料相互作用的过程跟多种因素有关，既与激光光源有关，又与作用材料及外部环境有关。材料本身的热耦合系数、热常数、吸收系数、反射系数等都会对作用过程产生影响；激光光源的因素主要有脉宽、能量、功率密度、激光波长、重复率、光强分布等，其中任何一种因素都会对作用过程产生重要影响。也正是激光参数的这种多样性给激光与物质相互作用这一研究领域增添了活力，进一步开拓激光的应用范围。

目前，脉冲激光加工的主要工艺参数包括激光功率(重复频率×脉冲能量)、重复频率(固定的脉冲时间间隔)、扫描速度等，现有的脉冲激光加工设备，对工艺参数调节一般是调重复频率、占空比来调激光功率，不能任意动态调节脉冲能量与时间间隔。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种动态调节脉冲能量与时间间隔的激光加工方法；本发明还同时提供了一种动态调节脉冲能量与时间间隔的激光加工装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种动态调节脉冲能量与时间间隔的激光加工装置，包括激光器、扩束准直镜、电动衰减片转轮、电动相位延迟片转轮、一个或多个反射镜和聚焦物镜；

所述电动衰减片转轮的结构与电动相位延迟片转轮的结构相同，两者均带有循环水冷机构和气帘风冷机构，同时还均与一电动旋转机构相连，所述电动旋转机构编程可控，用于分别驱动电动衰减片转轮以及电动相位延迟片转轮绕其中心轴线旋转；

所述电动衰减片转轮和电动相位延迟片转轮两者均呈圆盘形，圆盘的边沿内侧沿圆周方向均匀设置有多个尺寸相同的圆形安装孔，多个圆形安装孔的圆心位于同一圆周上；多个圆形安装孔的中心轴线与电动衰减片转轮以及电动相位延迟片转轮的中心轴线平行；

所述电动衰减片转轮的多个圆形安装孔上分别安装有多个激光衰减片，多个激光衰减片的安装方位使得所述多个激光衰减片的中心轴线，以及电动衰减片转轮的中心轴线均相互平行；所述多个激光衰减片的衰减值互不相同；

所述多个激光衰减片在多个圆形安装孔的安装顺序是：将多个激光衰减片按衰减值大小排序，即以顺时针方向按照衰减值从大到小或从小到大的次序依次安装在多个圆形安装孔上；

所述电动相位延迟片转轮的多个圆形安装孔上分别安装有多个相位延迟片，多个相位延迟片的安装方位使得所述多个相位延迟片的中心轴线，以及电动相位延迟片转轮的中心轴线均相互平行；所述多个相位延迟片的相位延迟值互不相同；

所述多个相位延迟片在多个圆形安装孔的安装顺序是：将多个相位延迟片按相位延迟值大小排序，即以顺时针方向按照相位延迟值从大到小或从小到大的次序依次安装在多个圆形安装孔上；

激光器发出的加工激光束入射至扩束准直镜，经扩束准直镜的扩束准直后，垂直入射至电动衰减片转轮上的一个衰减片，经衰减片的衰减后，垂直入射至电动相位延迟片转轮上的一个相位延迟片，经相位延迟片的延迟后，经反射镜反射后进入聚焦物镜，由聚焦物镜输出后聚焦在工件表面。

本发明还提供了一种动态调节脉冲能量与时间间隔的激光加工方法，包括如下步骤：

(1)根据激光加工要求，确定激光加工的多组参数，所述每组参数均包括脉冲能量与时间间隔；

(2)将多个衰减值互不相同的激光衰减片安装在电动衰减片转轮上，其安装方位是：多个激光衰减片在与电动衰减片转轮中心轴线距离为r1的圆周方向上均匀排布，多个激光衰减片按衰减值大小排序，以顺时针方向按照衰减值从大到小或从小到大的次序依次安装，所有激光衰减片的中心轴线均与电动衰减片转轮的中心轴线平行；其中，r1小于电动衰减片转轮的半径；

(3)将多个相位延迟值互不相同的相位延迟片安装在电动相位延迟片转轮上，其安装方位是：多个相位延迟片在与电动相位延迟片转轮中心轴线距离为r2的圆周方向上均匀排布，多个相位延迟片按相位延迟量大小排序，以顺时针方向按照衰减值从大到小或从小到大的次序依次安装，所有相位延迟片的中心轴线均与电动相位延迟片转轮的中心轴线平行；其中，r2小于电动相位延迟片转轮的半径；

(4)配置好激光器、加工激光束、扩束准直镜、电动衰减片转轮、电动相位延迟片转轮、一个或多个反射镜和聚焦物镜的空间方位，使得加工激光束的光轴、扩束准直镜的光轴、电动衰减片转轮上的某个衰减片的中心法线、电动相位延迟片转轮上的某个相位延迟片的中心法线均重合；

(5)将工件安装在工作台上，所述工件可由工作台带动做x-y两个方向的平移运动；

(6)开启激光器，激光器输出脉冲能量为e0、脉冲时间间隔为t0的加工激光束，所述加工激光束入射至扩束准直镜，经扩束准直镜的扩束准直后，垂直入射至电动衰减片转轮上的一个衰减片，经衰减片的衰减后，加工激光束的脉冲能量衰减为e1，之后垂直入射至电动相位延迟片转轮上的一个相位延迟片，经相位延迟片的延迟后，脉冲时间间隔变为t1，最后经反射镜反射后进入聚焦物镜，由聚焦物镜输出后聚焦在工件表面；

(7)关闭激光器，判断是否已满足加工要求，若满足，转入步骤(11)；否则，进入步骤(8)；

(8)通过电动旋转机构控制电动衰减片转轮旋转一个角度，使得当前衰减片移开，下一个衰减片移动到当前衰减片的位置，加入加工过程；

(9)通过电动旋转机构控制电动相位延迟片转轮旋转一个角度，使得当前相位延迟片移开，下一个相位延迟片移动到当前相位延迟片的位置，加入加工过程；

(10)返回步骤(6)；

(11)结束。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明可以实现脉冲能量的动态调节、脉冲时间间隔的任意动态调节以及二者的组合调节，解决了现有技术中二者不可任意调节的技术难题。

2、本发明可以将一系列均匀时间间隔、相同脉冲能量的激光脉冲，动态调制得到一系列不同时间间隔和脉冲能量的激光脉冲，从而可以实现对激光材料加工过程中能量输出的精密动态控制，用于实现多种特殊的加工效果，例如盲孔加工时获得孔深的精密控制和孔壁、孔底质量的精确控制，多层异种材料的精密刻蚀时在不同材料界面处的热输入精密控制等等。相比现有技术常用的占空比调节、低功率多次铣削的方式，具有控制精度高、响应快、加工效率高的优点。

附图说明

图1为本发明所述动态调节脉冲能量与时间间隔的激光加工装置的结构图；

图2为本发明所述电动衰减片转轮的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种动态调节脉冲能量与时间间隔的激光加工装置，包括激光器、扩束准直镜m1、电动衰减片转轮z1、电动相位延迟片转轮z2、一个或多个反射镜m2和聚焦物镜m3。

所述激光器用于输出脉冲能量为e0、脉冲时间间隔为t0的加工激光束l1。

所述电动衰减片转轮z1的结构与电动相位延迟片转轮z2的结构相同，两者均带有循环水冷机构和气帘风冷机构，同时还均与一电动旋转机构相连，所述电动旋转机构编程可控，用于分别驱动电动衰减片转轮z1以及电动相位延迟片转轮z2绕其中心轴线旋转一定角度。

如图2所示，所述电动衰减片转轮z1和电动相位延迟片转轮z2两者均呈圆盘形，圆盘的边沿内侧沿圆周方向均匀设置有多个尺寸相同的圆形安装孔11，多个圆形安装孔11的圆心位于同一圆周上；多个圆形安装孔11的中心轴线与电动衰减片转轮z1以及电动相位延迟片转轮z2的中心轴线平行。

所述电动衰减片转轮z1的多个圆形安装孔11上分别安装有多个激光衰减片，多个激光衰减片的安装方位使得所述多个激光衰减片的中心轴线，以及电动衰减片转轮z1的中心轴线均相互平行；所述多个激光衰减片的衰减值互不相同。

所述多个激光衰减片在多个圆形安装孔11的安装顺序是：将多个激光衰减片按衰减值大小排序，即以顺时针方向按照衰减值从大到小或从小到大的次序依次安装在多个圆形安装孔11上。

所述电动相位延迟片转轮z2的多个圆形安装孔11上分别安装有多个相位延迟片，多个相位延迟片的安装方位使得所述多个相位延迟片的中心轴线，以及电动相位延迟片转轮z2的中心轴线均相互平行；所述多个相位延迟片的相位延迟值互不相同。

所述多个相位延迟片在多个圆形安装孔11的安装顺序是：将多个相位延迟片按相位延迟值大小排序，即以顺时针方向按照相位延迟值从大到小或从小到大的次序依次安装在多个圆形安装孔11上。

所述加工激光束l1入射至扩束准直镜m1，经扩束准直镜m1的扩束准直后，垂直入射至电动衰减片转轮z1上的一个衰减片(即激光束光轴与衰减片的中心法线重合)，经衰减片的衰减后，加工激光束l1的脉冲能量衰减为e1，之后垂直入射至电动相位延迟片转轮z2上的一个相位延迟片(即激光束光轴与相位延迟片的中心法线重合)，经相位延迟片的延迟后，脉冲时间间隔变为t1，最后经反射镜m2反射后进入聚焦物镜m3，由聚焦物镜m3输出后聚焦在工件表面。

由于光速远远大于转轮转动速度，二者相比，可以视作激光束透射经过相对处于“准静止”状态的衰减片和相位延迟片。

可以通过程序控制电动衰减片转轮z1和电动相位延迟片转轮z2的转动，使得选定的某一个衰减片和某一个相位延迟片在下一个激光脉冲发出时，其中心法线转动到与激光束的光轴重合。

设激光脉冲重复频率为freq，脉冲时间间隔为t0，则freq＝1/t0。

设电动衰减片转轮z1上安装有n个均匀分布的激光衰减片，电动相位延迟片转轮z2上安装有n个均匀分布的相位延迟片，则片间夹角α＝360°/n或者α＝2π/n。

设当前刚刚有脉冲p1通过n1片，即n1片在光轴位置(n1法线与光轴重合)，由于光速远远超过转轮的线速度，二者相比，可视作当p1穿过时，n1处于“准静止”。

若让下一个脉冲p2通过nk片，则需求t0时长后，nk片转至其法线与光轴重合，为此，转速要求：(k-1)α＝ωt0，ω为平均转速(角速度)。

因此，对两个转轮的运动控制为“点位控制”，即如上所示。但其运动速度控制可以用过多种加减速+匀速段控制来实现。

本发明还提供了一种基于上述装置的动态调节脉冲能量与时间间隔的激光加工方法，具体包括如下步骤：

(1)根据激光加工要求，确定激光加工的多组参数，所述每组参数均包括脉冲能量与时间间隔；

(2)将多个衰减值互不相同的激光衰减片安装在电动衰减片转轮z1上，其安装方位是：多个激光衰减片在与电动衰减片转轮z1中心轴线距离为r1的圆周方向上均匀排布，多个激光衰减片按衰减值大小排序，以顺时针方向按照衰减值从大到小或从小到大的次序依次安装，所有激光衰减片的中心轴线均与电动衰减片转轮z1的中心轴线平行；其中，r1小于电动衰减片转轮z1的半径；

(3)将多个相位延迟值互不相同的相位延迟片安装在电动相位延迟片转轮z2上，其安装方位是：多个相位延迟片在与电动相位延迟片转轮z2中心轴线距离为r2的圆周方向上均匀排布，多个相位延迟片按相位延迟量大小排序，以顺时针方向按照衰减值从大到小或从小到大的次序依次安装，所有相位延迟片的中心轴线均与电动相位延迟片转轮z2的中心轴线平行；其中，r2小于电动相位延迟片转轮z2的半径；

(4)按照图1配置好激光器、加工激光束l1、扩束准直镜m1、电动衰减片转轮z1、电动相位延迟片转轮z2、一个或多个反射镜m2和聚焦物镜m3的空间方位，使得加工激光束l1的光轴、扩束准直镜m1的光轴、电动衰减片转轮z1上的某个衰减片的中心法线、电动相位延迟片转轮z2上的某个相位延迟片的中心法线均重合；

(5)将工件安装在工作台上，所述工件可由工作台带动做x-y两个方向的平移运动；

(6)开启激光器，激光器输出脉冲能量为e0、脉冲时间间隔为t0的加工激光束l1，所述加工激光束l1入射至扩束准直镜m1，经扩束准直镜m1的扩束准直后，垂直入射至电动衰减片转轮z1上的一个衰减片(即激光束光轴与衰减片的中心法线重合)，经衰减片的衰减后，加工激光束l1的脉冲能量衰减为e1，之后垂直入射至电动相位延迟片转轮z2上的一个相位延迟片(即激光束光轴与相位延迟片的中心法线重合)，经相位延迟片的延迟后，脉冲时间间隔变为t1，最后经反射镜m2反射后进入聚焦物镜m3，由聚焦物镜m3输出后聚焦在工件表面。

(7)关闭激光器，判断是否已满足加工要求，若满足，转入步骤(11)；否则，进入步骤(8)；

(8)通过电动旋转机构控制电动衰减片转轮z1旋转一个角度，使得当前衰减片移开，下一个衰减片移动到当前衰减片的位置，加入加工过程；

(9)通过电动旋转机构控制电动相位延迟片转轮z2旋转一个角度，使得当前相位延迟片移开，下一个相位延迟片移动到当前相位延迟片的位置，加入加工过程；

(10)返回步骤(6)；

(11)结束。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。