激光减材加工方法和激光加工设备与流程

1.本技术涉及激光加工的技术领域，特别是一种激光减材加工方法和激光加工设备。


背景技术：

2.皮秒激光、飞秒激光等超快激光制造以其独有优势，成为一种精密、柔性、具有材料普适性的加工光源，尤其是在面对特殊材料、特殊性能、特殊尺度、特殊精度、跨尺度制造方面独具优势，已在航空航天、生物与医疗、兵器、消费电子、汽车等多个领域得到越来越广泛的应用。
3.一方面，虽然超快激光平均功率正在由几十瓦向千瓦甚至万瓦的水平迅速迈进，但与连续激光和毫秒至纳秒的长脉冲传统激光相比，其功率水平仍然普遍低，这导致其最大的短板在于材料去除率影响的加工产品尺度、加工效率等方面。因此，超快激光制造技术虽然已经能够达到厘米甚至米级尺度的宏观制造的门槛，但目前仍主要用于微细和微纳结构制造；另一方面，随着平均功率达千瓦甚至万瓦级的尖端超快激光器设备的诞生及其在宏观尺度结构加工的应用，如何高效利用高功率的超快激光实现高效的材料去除也成为一项受到广泛关注的问题。因此，无论是超快激光微细、微纳结构加工还是宏观制造，实现激光能量的高效利用都已成为一个极具科学和工程意义的问题。
4.为了克服超快激光减材加工效率偏低的问题，现有方法一般是通过增大脉冲能量或增加平均功率，利用高脉冲能量或高功率特性增大加工效率。但由于一台激光器设备可输出的最高功率有限，增大脉冲能量一般意味着降低可使用的脉冲重复频率。当脉冲重复频率分布特性保持不变时，增大脉冲能量意味着增加激光器的输出功率，这将导致器件成本的提高。
5.实践中，对于依靠重复脉冲在材料上空间交叠加工出体积或深度大于单个脉冲去除体积或深度的应用(例如大于聚焦光斑尺寸的微细或宏观切割、铣盲孔)，或对于依靠重复脉冲在材料上空间离散分布的应用(例如加工群微坑结构)，单位时间内材料的去除量是由单个脉冲去除量和脉冲重复频率共同决定的。考虑到脉冲去除深度或体积随脉冲能量在大脉冲能量时存在近饱和效应，因此，对于激光源平均功率有限的加工系统，单纯的提高脉冲能量虽然有利于单脉冲下材料去除量的增加，但其代价是会降低脉冲重复频率(即单位时间内重复单个脉冲去除行为的脉冲个数)，因此可能导致材料的总体去除率并没有明显增加甚至反而降低。虽然也可通过直接提高激光源平均输出功率以提升单位时间内材料去除量，但提高平均功率至少意味着光源成本或开销的增加。
6.如何利用超快激光有限的功率，提高单位光源功率下的材料总体去除效率，成为生产中加工参数优化的迫切需求。


技术实现要素：

7.本技术提供一种激光加工方法和激光加工设备，目的是通过综合优化脉冲能量、
重复频率、聚焦光斑尺寸、扫描速度，提高单位光源功率下的材料总体去除效率，进而提升激光加工的效率。
8.第一方面，提供了一种激光加工方法，包括：
9.获取待加工材料在等效辐照总脉冲数n下的去除能量通量的阈值f
th
(n)；
10.按照目标功率p、目标光斑尺寸d
opt
及目标脉冲重复频率f
opt
，对所述待加工材料激光加工，其中，所述目标功率p、所述目标光斑尺寸d
opt
及所述目标脉冲重复频率f
opt
满足：
11.f
opt
＝p/e
opt
且p≤p
max
，f
opt
≤f
max
，e
opt
为目标脉冲能量，p
max
为激光加工设备的额定目标功率，f
max
为所述激光加工设备的最大脉冲重复频率；其中，
12.所述目标脉冲能量e
opt
由所述目标脉冲能量通量f
opt
、所述目标光斑尺寸d
opt
确定，目标脉冲能量e
opt
与所述目标脉冲能量通量f
opt
、所述目标光斑尺寸d
opt
均正相关；
13.所述目标脉冲能量通量f
opt
为去除能量通量的阈值f
th
(n)的2～10倍；
14.所述目标光斑尺寸d
opt
满足：d
opt
≥d
min
，d
min
为所述激光加工设备的最小加工光斑尺寸。
15.现有超快激光减材加工方法中，仅通过提高功率或脉冲能量，或仅考虑脉冲能量、脉冲重复频率、平均功率中任意两个因素。与现有技术相比，本技术提供的方案至少包括以下有益技术效果：
16.(1)本技术提供的激光加工方法，是一种对激光加工中的基本参量，即平均功率、脉冲重复频率、加工用光斑尺寸及其径向能量分布特点、光斑相对被加工材料的速度v等特性综合全局优化的方法。与以往的仅用提高平均功率或脉冲能量的单因素优化方法、仅考虑脉冲能量、脉冲重复频率、平均功率中任意两个因素的二元变量优化方法相比，通过超快激光加工中的基本参量，有利于实现减材加工效能(即脉冲单位能量下的材料去除量)的最大化。因此，本技术提供的激光加工方法，是一种高效能的多参量参数选择优化的流程方法。
17.(2)本技术提供的激光加工方法，是一种对超快激光加工中的基本参量进行有序、可靠优化的方法。本方法从超短脉冲激光与材料相互作用原理出发，利用可定量控制每脉冲刻蚀深度及宽度、群体脉冲对材料的整体去除时间效率、定性影响加工热损伤程度的基本物理量的核心参数，即材料的“去除能量通量的阈值”这一参量出发，利用脉冲能量通量、脉冲能量、脉冲重复频率等两两相邻物理量之间的关系，形成了“通量阈值-能量阈值-最优能量-目标脉冲重复频率-光斑相对被加工材料的速度范围”这一有序确定基本参量的方法，并通过错焦这一易实现的调整光斑尺寸的方法，使得“能量阈值-最优能量-目标脉冲重复频率”这一参数链条可通过反馈迭代实现收敛自洽。与以往方法相比，基本参量集合中的所有元素有序输出，避免了对基本参量集合中元素序列的乱序、跳序、缺元素导致的难以实现稳定、可靠、最大化的优化材料去除效能的不足。
18.(3)本技术提供的激光加工方法，对超快激光加工中的基本参量进行量化约束且兼顾除“高效”性能以外的其他相关制造性能。
19.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，对于1/e2型的圆形聚焦光斑，e
opt
＝π
×
ω2×fopt
/2；对于圆柱形聚焦光斑，e
opt
＝π
×
ω2×fopt
；其中，ω为光斑半径。
20.本技术提供的激光加工方法适用于最常见的1/e2型的圆形聚焦光斑和圆柱形聚焦光斑，对于光束特点适用性强，且方法步骤简单，流程清晰，计算过程简便，易于实现。
21.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，对于径向能量分布为高斯分布的加工光斑，f
opt
＝(e2±
2.5)
×fth
(n)；对于径向能量分布为平顶分布的加工光斑，f
opt
＝(e
±
0.8)
×fth
(n)。
22.本技术提供的激光加工方法适用于最常见的高斯或平顶形状的光斑能量空间分布，对于光束特点适用性强，且方法步骤简单，流程清晰，计算过程简便，易于实现。通过有效约束高斯光斑或平顶光斑的脉冲能量通量值分别在约5～10倍(最优值为约7.4倍)、约2～3.5倍(最优值为约2.7倍)，利用了超快激光在大于去除阈值的中低通量时可保持较高精度和低热损伤的特性，实现了高效材料去除下的高质量加工，因此是一种高效率高质量的减材加工参数窗口选择方法。
23.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，加工光斑相对于所述待加工材料的速度v满足：d
opt
×fopt
/150≤v≤v
max
，其中v
max
为所述激光加工设备的最大加工速度。
24.与以往方法相比，保障了聚焦光束可以一遍扫过被加工区域，减少重复加工或过量灼烧的可能性。
25.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，f
opt
＝(1/3～2/3)f0，f0为在所述额定目标功率p
max
、所述最大脉冲重复频率f
max
和所述最小加工光斑尺寸d
min
下的脉冲能量通量。
26.f
opt
可以小于f0，降低出现能量过量饱和效应的可能性，例如使能量恰好饱和，或能量近似饱和。
27.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，n取值50～150。
28.光斑尺度内的等效辐照总脉冲数控制在小于50～150个的范围，这避免了去除深度在单道次扫描加工时的饱和，从而确保其他优化参数(目标脉冲重复频率f
opt
、目标脉冲能量通量f
opt
、加工用光斑尺寸)优化的效果。
29.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，激光的单个脉冲持续时间t满足：t≤50ps。
30.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述激光加工方法应用于以下中的一个或多个：激光铣、激光表面刻除、激光切割、单个孔位的脉冲累计辐照个数小于或等于150次的激光钻、激光车。
31.本技术提供的激光加工方法，能够适用于多种减材加工工艺，对于加工工艺适用性强，且方法步骤简单，流程清晰，计算过程简便，易于实现。
32.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述激光加工方法应用于以下中的一个或多个：金属材料、类金属材料、半导体材料、绝缘材料、复合材料。
33.本技术提供的激光加工方法，能够适用于金属或类金属材料、半导体材料、绝缘材料、复合材料等多种材料的多种减材加工工艺。对于被加工材料适用性强，且方法步骤简单，流程清晰，计算过程简便，易于实现。
34.第二方面，提供了一种激光加工设备，所述激光加工设备用于执行如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的激光加工方法。
附图说明
35.图1为本技术实施例提供的一种激光加工方法的示意性流程图；
36.图2为本技术实施例提供的一种计算激光加工参数的方法的示意性流程图。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步详细的描述。
38.本技术实施例公开一种激光加工方法，参照图1。
39.110，获取待加工材料在等效辐照总脉冲数n下的去除能量通量的阈值f
th
(n)。
40.120，按照目标功率p、目标光斑尺寸d
opt
及目标脉冲重复频率f
opt
，对待加工材料激光加工，其中，目标功率p、目标光斑尺寸d
opt
及目标脉冲重复频率f
opt
满足：f
opt
＝p/e
opt
且p≤p
max
，f
opt
≤f
max
，e
opt
为目标脉冲能量，p
max
为激光加工设备的额定目标功率，f
max
为激光加工设备的最大脉冲重复频率；其中，目标脉冲能量e
opt
由目标脉冲能量通量f
opt
、目标光斑尺寸d
opt
确定，目标脉冲能量e
opt
与目标脉冲能量通量f
opt
、目标光斑尺寸d
opt
均正相关；目标脉冲能量通量f
opt
为去除能量通量的阈值f
th
(n)的2～10倍；目标光斑尺寸d
opt
满足：d
opt
≥d
min
，d
min
为激光加工设备的最小加工光斑尺寸。
41.下面结合图2，通过以下步骤介绍上述参数的计算方法。
42.步骤1：根据待加工材料在光斑尺度内的等效辐照总脉冲数n，确定在等效辐照总脉冲数n下待加工材料的去除能量通量的阈值f
th
(n)。
43.等效辐照总脉冲数n可以取值1～200，进一步地，可以取值50～150，进一步地，可以取值100。待加工材料的去除能量通量的阈值f
th
(n)可以通过现有的实验或理论推导方式得到。
44.步骤2：根据加工光斑的径向能量分布形式，确定目标脉冲能量通量f
opt
。
45.加工光斑的径向能量分布形式例如可以为高斯分布、平顶分布。优选地，对于径向能量分布为高斯分布的加工光斑，f
opt
＝(e2±
2.5)
×fth
(n)，即f
opt
的取值范围为(e
2-2.5)
×fth
(n)～(e2+2.5)
×fth
(n)；进一步地，f
opt
的取值范围为(e
2-0.2)
×fth
(n)～(e2+0.2)
×fth
(n)。对于径向能量分布为平顶分布的加工光斑，f
opt
＝(e
±
0.8)
×fth
(n)，即f
opt
的取值范围为(e-0.8)
×fth
(n)～(e+0.8)
×fth
(n)。进一步地，f
opt
的取值范围为(e-0.2)
×fth
(n)～(e+0.2)
×fth
(n)。其中，e为自然常数。
46.表1示出了铝合金、氧化铝陶瓷、高模量碳纤维树脂复合材料在不同脉冲能量通量f下的材料去除效能，即单位时间内单位平均功率去除掉的材料体积(单位：mm3/min/w)。表1的行表示脉冲能量通量f与去除能量通量的阈值f
th
(n)的比值；表1的列表示材料类型。实验光源参数为：脉冲持续时间1ps、中心波长532nm、脉冲重复频率50khz-2mhz，最大平均功率为60w。
47.[0048][0049]
在一些实施例中，在加工光斑的径向能量分布形式为高斯分布的情况下，目标脉冲能量通量f
opt
可以为去除能量通量的阈值f
th
(n)的5～10倍；在加工光斑的径向能量分布形式为平顶分布的情况下，目标脉冲能量通量f
opt
可以为去除能量通量的阈值f
th
(n)的2～3.5倍。
[0050]
步骤3：调整光斑尺寸d
opt
，并计算与目标脉冲能量通量f
opt
对应的目标脉冲能量e
opt
。
[0051]
光斑尺寸d
opt
可以大于或等于激光加工设备的最小加工光斑尺寸d
min
。通常而言，在脉冲能量通量不变的情况下，光斑尺寸越大，脉冲能量越高；在光斑尺寸不变的情况下，脉冲能量通量越大，脉冲能量越高。脉冲能量还与光斑的形状有关。对于1/e2型的圆形聚焦光斑，e
opt
＝π
×
ω2×fopt
/2；对于圆柱形聚焦光斑，e
opt
＝π
×
ω2×fopt
；其中，ω为光斑半径。
[0052]
步骤4：选定目标功率p，并判断目标脉冲重复频率f
opt
＝p/e
opt
是否满足条件：若f
opt
≤f
max
，则取f
opt
作为后续加工用脉冲频率；若f
opt
＞f
max
，则跳转至步骤3，在新的步骤3中，可以选用更大的光斑尺寸d
opt
，并重新计算目标脉冲能量e
opt
、重新选定目标功率p，直到满足目标脉冲重复频率f
opt
≤最大脉冲重复频率f
max
。在加工工程中，膨大光斑尺寸可以通过错焦或更换聚焦镜等光学手段实现。
[0053]
之后，可以根据计算或选定得到的上述参数，对待加工材料进行激光加工。
[0054]
在一些实施例中，f
opt
＝(1/3～2/3)f0，f0为在额定目标功率p
max
、最大脉冲重复频率f
max
和最小加工光斑尺寸d
min
下的脉冲能量通量。其中，f
max
＝p
max
/e0，f0为在额定目标功率p
max
、最大脉冲重复频率f
max
下的脉冲能量。以1/e2型的圆形聚焦光斑为例，e0＝π
×
ω2×
f0/2。由于在较小的光斑尺寸下，脉冲能量通量可能过大，从而容易造成能量过量饱和效应。结合本技术实施例提供的方案，通过膨胀光斑尺寸，有利于在使用激光加工设备的额定参数执行激光加工时，降低光斑的脉冲能量通量，因此f
opt
可以小于f0，降低出现能量过量饱和效应的可能性，例如使能量恰好饱和，或能量近似饱和。根据大量实验验证，经过优化，f
opt
可以约为f0的1/2。
[0055]
在一些实施例中，加工光斑相对于待加工材料的速度v满足：d
opt
×fopt
/150≤v≤v
max
，其中v
max
为激光加工设备的最大加工速度。
[0056]
在一些实施例中，激光的单个脉冲持续时间t满足：t≤50ps。进一步地，激光的单个脉冲持续时间t满足：1～10ps。
[0057]
在一些实施例中，激光加工方法应用于以下中的一个或多个：激光铣、激光表面刻除、激光切割、单个孔位的脉冲累计辐照个数小于或等于150次的激光钻、激光车。
[0058]
在一些实施例中，激光加工方法应用于以下中的一个或多个：金属材料、类金属材料、半导体材料、绝缘材料、复合材料。
[0059]
本技术实施例还提供一种激光加工设备，执行如图1所示的激光加工方法。
[0060]
下面结合以下内容对本技术作进一步详细说明。
[0061]
具体实施例一：钽片300μm宽缝隙的平顶光束微细切割(铣透式切割)
[0062]
加工目标为通过单道微铣削及其轨迹填充，在300μm厚的钽片上形成宽度在300μm左右的缝隙。加工方式为振镜扫描式加工。所用激光源的脉冲宽度为800fs、中心波长为1030nm，可支配的平均功率p＝100w，且此时可支配的脉冲能量最大值为50μj、可支配最大脉冲重复频率f
max
＝2mhz，加工光斑为最小直径2ω＝80μm的圆柱形聚焦光斑，且尺寸可调。
[0063]
首先，测定材料的多脉冲去除阈值。激光扫过材料表面的速度v设定为：在脉冲重复频率f下，使得单次扫描加工的等效脉冲数n＝2ω
×
f/v不大于102个这一数量级。因此，扫描速度v取值灵活，有极广的取值区间。借助1000倍显微镜放对于扫描加工微划痕的程度，可判材料的去除能量通量的阈值f
th
(n)约为0.15j/cm2。考虑到根据金属材料阈值孵化效应的特点，100个脉冲辐照的材料去除加工阈值已经进入近饱和状态，即当n＝100，500，2000时，材料去除阈值已经几乎无差异，且几千个甚至几万个脉冲的加工阈值接近。故在此等效脉冲数下测出的加工阈值，已经于能够代表材料在多道次往复去除过程中的材料去除通量阈值。
[0064]
其次，计算取得目标脉冲能量通量f
opt
时对应的脉冲能量e
opt
。由于使用的是平顶圆光斑，故目标脉冲能量通量f
opt
＝(e
±
0.8)
×fth
(n)＝(0.41
±
0.12)j/cm2，其中常数e≈2.72为自然对数的底数。取中心值0.41j/cm2作为f
opt
的取值。对于平均半径为ω＝40μm的平顶聚焦光斑，利用e
opt
＝π
×
ω2×fopt
可得目标脉冲能量e
opt
＝21μj。
[0065]
再次，先令目标脉冲重复频率f
opt
＝p/e
opt
＝100w/21μj＝4.76mhz，发现f
opt
大于可支配最大脉冲重复频f
max
＝2mhz，说明此时设定的目标脉冲重复频率f
opt
不可行(即太大)。于是可令f
opt
＝f
max
＝2mhz，同时跳转至上一步，通过调整光学器件使得光斑直径膨大为至少2ω＝80μm
×
sqrt(4.76mhz/f
max
＝2mhz)≈123.4μm。此时，若就考虑光斑直径2ω＝123.4μm，则利用e
opt
＝π
×
ω2×fopt
可得目标脉冲能量e
opt
＝50μj(即可支配的脉冲能量最大值50μj)。也可考虑更大直径光斑，例如2ω＝160μm的光斑，依然满足条件。
[0066]
最后，利用上面输出的平均功率p＝100w、光斑直径d
opt
≈123μm及其对应的目标脉冲重复频率f
opt
＝2mhz，使用v＝25m/s、10m/s、5m/s(此时均满足v≥d
opt
×fopt
/150)等可宽裕选择的参数，并使得对应的轨迹填充线间距分别为12.5μm、5.0μm和2.5μm(从而实现沿着填轨迹和垂直于轨迹这两个垂直的方向的等间距点阵去除，进而保证每一层的均厚去除)，对长
×
宽
×
厚＝1000μm
×
300μm
×
300μm的区域进行微细切割(铣透式切割)。为了避免其他因素(例如加工喷发飞溅物对于入射光速能量的屏蔽)对于方法结果的判断分析，采用辅助吹气的效果以尽可能吹走喷发物。经对加工过程测量统计，每扫描一遍去除的材料深度几乎正比例增加，对于v＝25m/s、10m/s、5m/s三种扫描速度，分别平均去除了厚度300μm方向的9.7μm、30.0μm、112.0μm(即分别去除了2.9
×
10-3
mm3、9.0
×
10-3
mm3、3.4
×
10-2
mm3)，平均用时分别为1.97μs、6.0μs、24.0μs，折合材料去除率为88mm3/min、90.0mm3/min、85mm3/min，
即在误差范围内材料去除率几乎不依赖设定的扫描速度范围。考虑到所施加功率均为100w，因此材料去除效能均在0.88-0.90mm3/min/w的范围内。
[0067]
作为对比，即采用传统方法设置的没有全局统筹光斑尺寸、脉冲重复频率、脉冲能量的加工方法，加工效率均明显低于上述0.88-0.90mm3/min/w的材料去除效能，例如，若采用原始的没有膨大的光斑(即直径2ω＝80μm的平顶聚焦光斑)，采用平均功率p＝100w、最大可支配脉冲能量50μj(由此产生的脉冲重复频率f＝2mhz、脉冲能量通量约为f＝1.0j/cm2)，设定类似的可比较的大范围扫描速度v，经类似的测算方法，材料去除效能仅有0.32-0.36mm3/min/w，即材料去除率为32-36mm3/min。可见，对于传统方法，虽然施加的平均功率(均为100w)、脉冲能量(均为50μj)、重复频率(均为2mhz)与本实施例方法相同，但由于光斑尺寸并非为最小光斑尺寸，即光斑经过一定程度膨胀，因此材料去除效率及材料去除效能仅有上述实施例中的40％左右。
[0068]
具体实施例二：80μm厚卫星用碳纤维复合材料预浸料的高斯光束宏观切割(原位往复刻蚀式切割)
[0069]
所用激光源的脉冲宽度为10ps、中心波长为532nm、最大脉冲重复频率1mhz。根据激光器特性和现场条件，在最大脉冲重复频率1mhz时可支配的平均功率值p＝60w，且此时可支配的脉冲能量为60μj。若降低脉冲频率至1mhz以内，可支配的平均功率也可成为p＝60w，此时脉冲能量可在60-200μj之间。加工光斑为最小直径(即聚焦光束束腰直径)2ω＝45μm(1/e2型定义)的高斯聚焦光斑，且尺寸可通过错焦进行调整。考虑到料厚度与光斑尺寸相当，属于厚度远远小于高斯光束焦深(在5mm量级)，故采用不填充形式的原位往复刻蚀式切割方法实现切割。
[0070]
首先，测定材料的多脉冲去除阈值。激光扫过材料表面的速度v设定为：在脉冲重复频率f下，使得单次扫描加工的等效脉冲数n＝2ω
×
f/v不大于102个这一数量级。因此，扫描速度v取值灵活，有极广的取值区间。类似上述具体实施例一的方法，可判材料在多道次往复去除过程中的材料去除通量阈值f
th
(n)约为0.70j/cm2。
[0071]
其次，计算取得目标脉冲能量通量f
opt
时对应的脉冲能量e
opt
。由于使用的是高斯圆光斑，故目标脉冲能量通量f
opt
＝(e2±
2.5)
×fth
(n)＝(5.2
±
1.8)j/cm2，其中常数e≈2.72为自然对数的底数。取中心值5.20j/cm2作为f
opt
的取值。对于平均半径为ω＝45μm的聚焦光斑，利用e
opt
＝π
×
ω2×fopt
/2可得目标脉冲能量e
opt
＝41μj。
[0072]
再次，先令目标脉冲重复频率f
opt
＝p/e
opt
＝60w/41μj＝1.46mhz，发现f
opt
大于可支配最大脉冲重复频f
max
＝1mhz，说明此时设定的目标脉冲重复频率f
opt
不可行(即太大)。于是可令f
opt
＝f
max
＝1mhz，同时跳转至上一步，通过错焦使得光斑直径膨大为至少2ω＝45μm
×
sqrt(1.46mhz/f
max
＝1mhz)≈54μm。
[0073]
最后，利用上面输出的平均功率p＝60w、光斑直径d
opt
＝54μm及其对应的目标脉冲重复频率f
opt
＝1mhz，使用v＝25m/s(此时满足v≥d
opt
×fopt
/150)等可选择的条件，对目标料的结构(即80μm厚卫星用碳纤维复合材料上的若干个通孔)用扫描振镜加工头进行圆孔切割。经对加工过程测量统计发现，对于每个目标结构，沿尺度为的轨迹往复切约270-290圈(平均用时约0.70s)可实现材料的刚好切透，且深度随往复加工的圈数几乎成正比，即平均每圈加工完后切缝增加约1.4μm。考虑到
孔周长约为62.8mm，用时0.70s，折合等效切割速度90mm/s。
[0074]
作为对比，即采用传统方法设置的没有全局统筹光斑尺寸、脉冲重复频率、脉冲能量的加工方法，加工效率均明显低于上述90mm/s的材料切割速度，例如，加工同样材料的同样目标结构，若采用原始的没有膨大的光斑(即直径2ω＝45μm的高斯聚焦光斑)，采用同样的平均功率p＝60w、脉冲重复频率f＝1mhz下的最大可支配脉冲能量60μj(由此产生的脉冲能量通量约为f＝12.6j/cm2)，设定类似的可比较的光斑重叠率并经过仔细优化，经类似的测算方法发现，折合等效切割速度≤70mm/s。此时，切缝入口及截面尺寸略小于上述基于优化流程的结果(这说明材料切缝中的去除体积小于上述优化结果)，但依然至少低于上述基于优化流程的结果中等效切割速度90mm/s至少20％。虽然20％的差异并不算很明显，但这是因为，一方面，这里未优化的加工方法(使用聚焦光束束腰处的光斑，亦即整个光束的最小直径2ω＝45μm光斑加工材料)使用的基本加工参数与优化后的差距并不是很明显，另一方面，考虑到等效切割速度至少低于上述优化结果20％、切缝中的去除体积略小于上述优化结果，说明材料去除效率及材料去除效能要明显低于上述优化结果。尤其是当被切割对象不是此处的80μm薄壁结构，而是卫星上常用的亚毫米和毫米尺度的薄板时，原位往复刻蚀式切割将变得愈加困难甚至不可行(加工碎屑因切缝太窄无法排出从而影响切割加深等原因造成)，采用轨迹填充铣透式切割将不可避免，本技术提供的方法将变得必要且具有明显优势。值得一提的是切割质量：虽然采用未优化的加工方法(即使用聚焦光束束腰处的光斑)加工效率仅低了20％，但是由于其脉冲能量通量(f＝12.6j/cm2)远高于材料的去除加工阈值(约为其18倍)，也远高于上述基于优化流程结果中的5.20j/cm2，切割边缘产生的热变质层尺度比上述基于优化流程结果大了2倍，出现明显的树脂过烧和碳化现象，这说明采用本技术提供的优化加工方法，不仅提高了材料去除效率及效能，而且能兼顾加工质量。
[0075]
综上，本技术提供的激光加工是一种针对超快激光加工中的基本参量，即在一定许用平均功率下的脉冲重复频率、加工用光斑尺寸、光斑相对被加工材料的速度v等特性综合全局优化的方法。作为一种多参量参数选择优化流程方法，避免了传统方法难以实现材料去除效能最大化优化的不足，兼顾了最优材料去除率下的高质量加工，方法步骤简单，流程清晰，易于实现。
[0076]
本技术虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本技术，任何本领域技术人员在不脱离本技术的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本技术的保护范围应当以本技术权利要求所界定的范围为准。