基于电子动态调控乙醇溶液辅助金属加工方法

摘要

本发明涉及一种基于电子动态调控乙醇溶液辅助金属加工方法，属于飞秒激光应用领域。针对飞秒传统激光空气环境中加工金属存在的低加工效率和质量问题，通过乙醇辅助加工可提高加工效率，同时，采用飞秒双脉冲代替传统飞秒激光，可控制飞秒激光与金属材料加工过程中的局域电子密度及后续相变过程，从而在某种程度上提高加工质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于电子动态调控乙醇溶液辅助金属加工方法，属于飞 秒激光应用领域。

背景技术

在金属材料的微纳加工制造中，获得高加工效率的同时得到更高的加工 质量，一直是所追求的。而在传统的空气环境加工中，由于飞秒激光能量 在金属样品表面上的沉积，激光烧蚀的过程中，较强的热效应以及烧蚀物 质的喷溅会导致加工样品表面重铸的积累，从而形成重铸层，进而影响加 工质量。

以往研究表明，飞秒双脉冲加工金属材料时，会明显的影响飞秒激光与 材料的相互作用过程，通过改变局域电子密度以及材料的相变过程可以获 得较好的加工质量，但是这使得加工效率大大降低。而当增加激光能量获 得较高的加工效率时，往往会使得加工质量降低。通过改变外界环境，如 将金属样品材料放置到乙醇溶液中并使用传统激光加工时，可以提高加工 效率，但是并没有很好的提高金属加工质量。

因此，当前迫切需要一种在相同激光能量下既可得到较好的表面加工质 量，又能提高加工效率的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有加工手段无法实现金属微纳加工质量和 效率兼顾的问题，提供一种基于电子动态调控乙醇环境辅助金属加工方法。 旨在通过时域整形的飞秒双脉冲在乙醇辅助下改变激光与物质相互作用过 程，进而提高金属表面加工质量的同时保证加工效率。

本发明的目的是通过以下技术来实现的。

基于电子动态调控乙醇环境辅助金属加工方法，具体步骤如下：

步骤一、通过脉冲整形器(pulse shaper)将传统的飞秒激光在时域上整 形为飞秒激光双脉冲，且两个子脉冲的时间间隔在0～3ps之间，且延迟时 间可调，使得在加工过程中可改变飞秒激光与材料作用过程中的瞬时局域 电子密度及后续相变过程；

步骤二、将金属样品固定放置于装有乙醇溶液中的容器中，使乙醇溶液 没过金属样品表面；

步骤三、采用步骤一所得的飞秒激光双脉冲对金属样品进行加工。

步骤二所述的乙醇溶液没过样品表面的距离为3毫米。

实现上述方法的装置，包括：超快激光器、半波片、偏振片、能量衰减 片、脉冲整形器、机械开关、反射镜、聚焦透镜、容器、待加工样品、移 动平台、计算机。

连接关系：飞秒激光器产生飞秒激光脉冲经过半波片、偏振片后，通过 能量衰减片调节激光能量，脉冲整形器将激光束分为能量比为1:1的两束 子脉冲。整形的激光脉冲经过反射镜改变激光传播方向，最后经物镜聚焦 到待加工样品上，待加工样品固定放置在可存储溶液的容器底部，将容器 固定在六维移动平台上。其中飞秒激光器、脉冲整形器、机械开关、移动 平台均由计算机控制。

工作过程为：

步骤一，设计飞秒激光双脉冲，通过脉冲整形器(pulse shaper)将传统 的飞秒激光在时域上整形为飞秒激光双脉冲，且两个子脉冲的时间间隔在 0～3ps之间，且延迟时间可调，使得在加工过程中可改变飞秒激光与材料 作用过程中的瞬时局域电子密度及后续相变过程。

步骤二，将样品材料固定放置于装有乙醇溶液中的玻璃器皿中，使乙 醇溶液没过样品表面；

步骤三，将步骤一得到的飞秒双脉冲入射到加工物镜中，并聚焦于样 品表面；

步骤四，通过调节脉冲整形器得到不同的延迟时间，且通过调节光学 器件来调整通过脉冲整形器的激光能量，进而对金属材料进行加工。

有益效果

1、本发明的基于电子动态调控乙醇环境辅助金属加工方法，使用时域 整形的飞秒双脉冲代替传统单脉冲，可通过调控加工过程中瞬时局域电子 密度及后续的相变过程,可以克服在加工过程中带来的低加工质量的问题， 可使加工区域周围重铸层高度降低约76％。

2、本发明的基于电子动态调控乙醇环境辅助金属加工方法，在使用飞 秒双脉冲的同时，通过乙醇溶液辅助加工，在提高加工质量的同时，相比 传统加工，相同能量下可大大提高加工效率，使加工弹坑深度提高至少1.4 倍。

附图说明

图1是本发明的实验光路示意图；

图2是具体实例1中，传统飞秒激光加工弹坑结构的三维实验效果图。

图3是具体实例1中，传统飞秒激光加工弹坑结构的实验轮廓图。

图4是具体实例1中，采用本发明方法加工弹坑结构的三维实验效果 图。

图5是具体实例1中，采用本发明方法加工弹坑结构的实验轮廓图。

其中，1—超快激光器、2—半波片、3—偏振片、4—能量衰减片、5 —脉冲整形器、6—机械开关、7—反射镜、8—聚焦透镜、9—容器、10— 待加工样品、11—移动平台、12—计算机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

基于电子动态调控乙醇环境辅助金属加工方法，具体步骤如下：

步骤一、通过脉冲整形器(pulse shaper)将传统的飞秒激光在时域上整 形为飞秒激光双脉冲，且两个子脉冲的时间间隔在0～3ps之间，且延迟时 间可调，使得在加工过程中可改变飞秒激光与材料作用过程中的瞬时局域 电子密度及后续相变过程；

步骤二、将金属样品铝固定放置于装有乙醇溶液中的容器中，使乙醇溶 液没过金属样品表面3mm；

步骤三、采用步骤一所得的飞秒激光双脉冲对金属样品进行加工。

实现上述方法的装置，包括：超快激光器1、半波片2、偏振片3、4- 能量衰减片、脉冲整形器5、电控开关6、反射镜7、聚焦透镜8、玻璃器 皿9、待加工样品10、移动平11台、计算机12。

飞秒激光系统采用飞秒激光为线偏振激光，中心波长为800nm，脉冲宽 度50fs，重复频率20Hz，脉冲个数20，加工样品为金属铝。

飞秒双脉冲是通过美国Biophotonic公司生产的MIIPSbox脉冲整形器 获得，将传统的单脉冲整形成两个子脉冲，子脉冲延迟时间可单独调节。

连接关系：飞秒激光器1产生飞秒激光脉冲经过半波片2、偏振片3后， 通过能量衰减片4调节激光能量，脉冲整形器5将激光束分为能量比为1:1 的两束子脉冲。整形的激光脉冲经过反射镜7改变激光传播方向，最后经 物镜8聚焦到待加工样品10上，待加工样品10固定放置在可存储溶液的 容器9底部，将容器9固定在六维移动平台11上。其中飞秒激光器1、脉 冲整形器5、机械开关6、移动平台11均由计算机12控制。

工作过程为：

步骤一，打开飞秒激光器产生传统的单脉冲，通过调节衰减片控制通过 脉冲整形器的能量在100mw以下，满足脉冲整形器入口功率的同时保护脉 冲整形器。

步骤二，设定脉冲整形器参数，将进入脉冲整形器的传统单脉冲激光整 形为时域双脉冲，能量分配比例为1:1，两个子脉冲间的延迟时间控制在 0-3ps。

步骤三，将金属样品铝固定放置在玻璃器皿的底部，将乙醇溶液倒入玻 璃器皿中，控制溶液高度没过样品表面3毫米位置即可，再将玻璃器皿固 定放置在移动平台上。

步骤四，将通过脉冲整形器的双脉冲激光引入到100毫米焦距的平凸透 镜中，并将其聚焦在金属样品的表面。

步骤五，将入射到样品表面的激光通量设置为0.6J/cm2，改变双脉冲 的延迟时间且通过电控开关控制入射脉冲个数为20，即可在金属铝表面形 成烧蚀的弹坑结构。

将放置于空气中的金属铝固定在移动平台上，按上述步骤(4)、(5) 进行加工，得到在空气中的加工结果。

在空气中使用传统单脉冲激光得到的弹坑，通过原子力显微镜测得烧蚀 深度为580nm，重铸层高度为312nm。而在乙醇环境中使用双脉冲延迟时 间为0-1ps之间时，得到的弹坑深度为1000-1500nm，重铸层高度为 200-300nm之间；双脉冲延迟时间1-2ps之间，烧蚀深度为810-1000nm， 重铸层高度为74nm左右；双脉冲延迟时间2-3ps之间，烧蚀深度为650-810 nm，重铸层高度为70nm左右。

实施例2

基于电子动态调控乙醇环境辅助金属加工方法，具体步骤如下：

步骤一、通过脉冲整形器(pulse shaper)将传统的飞秒激光在时域上整 形为飞秒激光双脉冲，且两个子脉冲的时间间隔在0～3ps之间，且延迟时 间可调，使得在加工过程中可改变飞秒激光与材料作用过程中的瞬时局域 电子密度及后续相变过程；

步骤二、将金属样品铜固定放置于装有乙醇溶液中的容器中，使乙醇溶 液没过金属样品表面3mm；

步骤三、采用步骤一所得的飞秒激光双脉冲对金属样品进行加工。

实现上述方法的装置，包括：超快激光器1、半波片2、偏振片3、4- 能量衰减片、5-脉冲整形器、6-电控开关、7-反射镜、8-聚焦透镜、9-玻 璃器皿、10-待加工样品、11-移动平台、12-计算机。

飞秒激光系统采用飞秒激光为线偏振激光，中心波长为800nm，脉冲宽 度50fs，重复频率20Hz，脉冲个数50，加工样品为金属铜。

飞秒双脉冲是通过美国Biophotonic公司生产的MIIPSbox脉冲整形器 获得，将传统的单脉冲整形成两个子脉冲，子脉冲延迟时间可单独调节。

连接关系：飞秒激光器1产生飞秒激光脉冲经过半波片2、偏振片3后， 通过能量衰减片4调节激光能量，脉冲整形器5将激光束分为能量比为1:1 的两束子脉冲。整形的激光脉冲经过反射镜7改变激光传播方向，最后经 物镜8聚焦到待加工样品10上，待加工样品10固定放置在可存储溶液的 容器9底部，将容器9固定在六维移动平台11上。其中飞秒激光器1、脉 冲整形器5、机械开关6、移动平台11均由计算机12控制。

工作过程为：

步骤一，打开飞秒激光器产生传统的单脉冲，通过调节衰减片控制通过 脉冲整形器的能量在100mw以下，满足脉冲整形器入口功率的同时保护 脉冲整形器。

步骤二，设定脉冲整形器参数，将进入脉冲整形器的传统单脉冲激光整 形为时域双脉冲，能量分配比例为1:1，两个子脉冲间的延迟时间控制在 0-3ps。

步骤三，将金属样品铜固定放置在玻璃器皿的底部，将乙醇溶液倒入玻 璃器皿中，控制溶液高度没过样品表面3毫米位置即可，再将玻璃器皿固 定放置在移动平台上。

步骤四，将通过脉冲整形器的双脉冲激光引入到100毫米焦距的平凸透 镜中，并将其聚焦在金属样品的表面。

步骤五，将入射到样品表面的激光通量设置为1J/cm²，改变双脉冲的 延迟时间且通过电控开关控制入射脉冲个数为50，即可在金属铜表面形成 烧蚀的弹坑结构。

将放置于空气中的金属铜固定在移动平台上，按上述步骤(4)、(5) 进行加工，得到在空气中的加工结果。

在空气中使用传统单脉冲激光得到的弹坑，通过原子力显微镜测得烧蚀 深度为822nm，重铸层高度为422nm。使用本发明方法在双脉冲延迟时间 2ps时，烧蚀深度为1229nm，重铸层高度为65nm。

由实施例一可知，使用本发明方法在双脉冲延迟时间为1-2ps之间时， 即可获得较高加工效率(烧蚀深度提高至少1.4倍)，也可获得较好的加 工质量(重铸层高度减小约76％)。

由实施例二可见，使用本方法加工金属铜时，在获得较高加工效率的同 时，加工质量也得到明显提高。