一种基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法及装置，包括将椭圆反射镜及待加工工件放置于工作液内；入射激光经过光路系统的反射且经过凸透镜的聚焦，其焦点作用于椭圆反射镜的近端焦点处；激光在近端焦点处诱导产生的等离子体冲击波及空化泡溃灭过程中产生的冲击波，以椭圆反射镜的近端焦点处为中心，球面向外传播；冲击波经过椭圆反射镜的反射，重新在椭圆反射镜的远端焦点处汇聚，重新汇聚增强的冲击波直接作用于工作液内的微细颗粒，将其植入工件表面。本发明使得激光诱导冲击波能量更为集中，提高激光诱导冲击波的利用效率，冲击波聚焦位置及其能量可调，更为有效地将工作液内的微细颗粒植入工件表面，提高靶材植入精度。

说明书

技术领域

本发明涉及微纳超精密加工技术领域，尤其涉及一种基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法及装置。

背景技术

微电路是指具有高密度等效电路元件和（或）部件，并可作为独立件的微电子器件。微机电系统(MEMS)是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产这几个特点。在电子、医学、工业、汽车和航空航天系统方面有着广泛的应用前景。

电化学沉积、特别是精密电铸技术在表面微细结构的制备中得到了非常成功的应用。郑晓虎等人(郑晓虎,朱获.金属微结构阵列的电铸成型.光学精密工程,2008,16(3):473-477.)利用金属离子的阴极沉积效应，结合使用导电芯模或绝缘掩摸等，达到选择性沉积的效果，可在基体表面制备出微凸阵列等微细结构。南京航空航天大学的朱获(D.Zhu,Y.B.Zeng.Microelectroformingofhigh-aspect-ratiometallicmicrostructuresbyusingamovablemask.)等提出移动掩膜电铸技术，不断向上移动掩膜，并连续进行可电铸加工，可在金属表面制备出具有高深宽比的微细结构。他们利用这种方法，成功制备了特征尺寸为数百微米，高度达到几个毫米且侧壁陡直的微细结构阵列。精密电铸通过离子沉积的方式制备构件，从原理上非常适于微细制造，而且不存在工具损耗与加工作用力等。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明解决的技术问题是提出一种基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法及装置，使得激光诱导冲击波能量更为集中，提高激光诱导冲击波的利用效率，并提高冲击波强化效果、靶材植入的精度。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供的基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法，包括以下步骤：

S1：将椭圆反射镜及待加工工件放置于工作液内；

S2：入射激光经过光路系统的反射且经过凸透镜的聚焦，其焦点作用于椭圆反射镜的近端焦点处；

S3：当激光能量大于液体的击穿阈值时，产生高温高压的等离子体，等离子体对外辐射冲击波；等离子体消失后诱导产生的空化泡溃灭时也对外辐射出冲击波；

S4：激光在近端焦点处诱导产生的等离子体冲击波及空化泡溃灭过程中产生的冲击波，以椭圆反射镜的近端焦点处为中心，球面向外传播；

S5：冲击波经过椭圆反射镜的反射，重新在椭圆反射镜的远端焦点处汇聚，重新汇聚增强的冲击波直接作用于工作液内的微细颗粒上，将其植入到工件的表面。

本发明的基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法中还包括设有调整装置，在步骤S2中可以通过调整装置移动凸透镜的位置来调整改变激光聚焦在椭圆形反射镜内的位置。

优选地，在步骤S5中，调整椭圆反射镜的结构参数，进而改变聚焦于远端焦点的冲击波强度以及远端焦点的位置。

优选地，在所述工作液内增加各向异性材料颗粒(比如碳纳米管)，利用冲击波推动各向异性材料植入到工件的表面。

相应的，实施本发明的基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入装置包括工件、工作液、椭圆反射镜、入射激光和光路系统，所述椭圆反射镜和工件位于所述工作液内，入射激光经过光路系统的反射且经过凸透镜的聚焦，其焦点作用于椭圆反射镜的近端焦点处，激光在近端焦点处诱导产生的等离子体冲击波及空化泡溃灭过程中产生冲击波，冲击波以椭圆反射镜的近端焦点处为中心，球面向外传播；冲击波经过椭圆反射镜的反射，重新在椭圆反射镜的远端焦点处汇聚，重新汇聚增强的冲击波直接作用于工作液内的微细颗粒上，将其植入到工件的表面。

本发明实施例提供的基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法及装置，具有如下有益效果：

本发明实施例提供的基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法及装置中的激光焦点作用于椭圆反射镜的近端焦点处，使用椭圆反射镜将冲击波反射且重新汇聚于椭圆反射镜的远端焦点处，利用远端焦点处汇聚的冲击波作用在工作液内的微细颗粒上，将其植入到工件的表面。本发明使得激光诱导冲击波能量更为集中，提高激光诱导冲击波的利用效率，更为有效地将工作液内的颗粒植入工件表面，提高靶材植入精度。本发明利用椭圆反射镜将冲击波能量汇聚于远端焦点处，能量更为集中，更能适用于结构复杂工件的靶材植入。本发明的基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法及装置采用了椭圆反射镜，利用椭圆反射镜的汇聚作用，将激光诱导产生的冲击波进行精确聚焦，这样就可以提高冲击波利用率、靶材植入精度，整个加工装置放置于工作液之中，植入的靶材颗粒由工作液不断供给，通过椭圆反射镜将冲击波聚焦之后再施加于工件表面，冲击波聚焦位置及其能量可调，能够适应各种结构复杂工件的靶材植入要求。

附图说明

图1是本发明优选实施例提供的基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法的植入原理图。

具体实施方式

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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明优选实施例提供的基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法的植入原理图，本发明的激光聚焦于工作液内，当激光能量大于液体的击穿阈值时，将会产生高温高压的等离子体。等离子体对外辐射冲击波，等离子体诱导产生的空化泡在溃灭时也能对外辐射冲击波。使用椭圆反射镜将冲击波重新汇聚增强于椭圆反射镜的远端焦点处，利用重新汇聚增强的冲击波作用在工作液内的微细颗粒上，将其植入到工件的表面。

具体地，本实施例的基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法中，椭圆反射镜5及待加工工件8放置于含有工作液内，入射激光1参数可调，并经过光路系统的反射且经过凸透镜（图中未标示）的聚焦，其焦点作用于椭圆反射镜5的近端焦点3处，激光在近端焦点3处诱导产生的等离子体冲击波及空化泡4溃灭过程中产生的冲击波2，将以椭圆反射镜5的近端焦点3处为中心，球面向外传播。冲击波经过椭圆反射镜5的反射，重新在椭圆反射镜5的远端焦点6处汇聚，汇聚增强的冲击波直接作用于工作液内的微细颗粒7上，将其植入到工件8的表面。

优选地，本发明可以通过调整装置（图中未标示）移动凸透镜的位置来调整改变激光聚焦在椭圆形反射镜5内的位置；并且椭圆反射镜5的结构参数可调，进而可以改变聚焦于远端焦点6的冲击波强度以及远端焦点6的位置。

本发明的基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法也可以在工作液内增加各向异性材料颗粒7(比如碳纳米管)，利用冲击波推动各向异性材料颗粒植入到工件的表面。

本发明实施例提供的基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法中的激光焦点作用于椭圆反射镜5的近端焦点3处，使用椭圆反射镜5将冲击波2反射且重新汇聚于椭圆反射镜5的远端焦点6处，利用远端焦点6处汇聚的冲击波作用于工作液内的微细颗粒7上，将其植入到工件8的表面。本发明使得激光诱导冲击波能量更为集中，提高激光诱导冲击波的利用效率，适应各种结构复杂工件的靶材植入要求，并且提高冲击波强靶材植入精度。本发明利用椭圆反射镜5将冲击波能量汇聚于远端焦点6处，能量更为集中，更能适用于结构复杂工件的靶材植入精度。

本发明实施基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入装置包括工件8、工作液、椭圆反射镜5、入射激光1和光路系统，所述椭圆反射镜5和工件8位于所述工作液内，入射激光1经过光路系统的反射且经过凸透镜的聚焦，其焦点作用于椭圆反射镜5的近端焦点3处，激光1在近端焦点3处诱导产生的等离子体冲击波及空化泡4溃灭过程中产生冲击波2，冲击波2以椭圆反射镜5的近端焦点3处为中心，球面向外传播；冲击波2经过椭圆反射镜5的反射，重新在椭圆反射镜5的远端焦点6处汇聚，重新汇聚增强的冲击波直接作用于工作液内的微细颗粒7上，将其植入到工件8的表面。

本发明的基于激光诱导冲击波聚焦的空化植入方法及装置采用了椭圆反射镜5，利用椭圆反射镜5的汇聚作用，将激光诱导产生的冲击波2进行精确聚焦，这样就可以提高冲击波利用率、靶材植入精度，整个加工装置放置于工作液之中，植入的靶材颗粒由工作液不断供给，通过椭圆反射镜5将冲击波聚焦之后再施加于工件表面，冲击波聚焦位置及其能量可调，能够适应各种结构复杂工件的靶材植入要求。

以上所述是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。