飞秒激光时空聚焦金属表面高通量加工装置和方法

摘要

一种飞秒激光时空聚焦金属表面高通量加工装置和方法，本方面的核心是利用时空聚焦技术对飞秒激光脉冲进行空间整形，操控飞秒激光聚焦光斑实现较大尺寸并且有效避免空气电离，在金属材料表面实现高通量结构加工。与普通的空间聚焦相比，时空聚焦整形后的飞秒激光脉冲与材料相互作用能有效地抑制焦点处飞秒光束的非线性自聚焦效应，从而避免自聚焦和光电离等非线性过程对金属材料表面结构加工质量的影响。本发明具有简单、有效、高速的特点，能够实现高通量精密结构加工，在激光表面加工和打标等领域有重要的潜在应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光金属表面加工,特别是一种飞秒激光时空聚焦金属表面高通量加工装置和方法。

背景技术

激光表面结构制备是激光材料加工的重要应用之一，其优势在于飞秒激光脉冲超短的脉冲持续时间和超高的峰值强度使得飞秒激光微加工可以实现高精度和低热扩散的表面结构。近年来，随着飞秒激光材料加工的快速发展，飞秒激光表面结构制备由于可以实现几乎所有材料表面的高质量去除(Vorobyev A Y,Guo C.Laser&Photonics Reviews,7,3,2013)，已成为一种极具吸引力的加工手段。然而在工业生产中，激光逐点直写的方式必然导致低的生产效率。该问题虽然可以通过增加焦点的数目(例如，一个数组的焦点)或重复率的激光脉冲来部分解决，但是都有其局限性。在实际激光加工中，人们往往通过松散聚焦扩展焦斑尺寸来提高表面加工的效率。目前，这种松散聚焦飞秒激光脉冲的方法很容易在到达几何焦点前，自聚焦地形成光丝，从而严重影响材料表面结构的加工质量。

发明内容

本发明旨在提供一种飞秒激光时空聚焦实现金属表面高通量加工装置和加工方法，该装置具有简单、有效、高速的特点，能够实现高通量精密结构加工，在激光表面加工和打标等领域有重要的潜在应用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种飞秒激光时空聚焦金属表面高通量加工装置，其特点是该装置包括缩束、空间色散、聚焦加工和成像监测四部分：

所述的缩束部分由沿飞秒激光脉冲的光路上依次放置的展宽器、放大器、凸透镜和凹透镜组成，由展宽器、放大器出射的飞秒激光脉冲经过所述的凸透镜和凹透镜后光束变小，缩束比由所述的凸透镜和凹透镜的焦距和两透镜间的距离决定；

所述的空间色散部分包括第一光栅和第二光栅，第一光栅和第二光栅平行且相对放置，通过调节第一光栅的入射角和两面光栅间的距离来调节激光的时间和空间色散，激光经过所述的空间色散部分后，时间啁啾被补偿，产生空间啁啾；

所述的聚焦加工部分由二向色镜、聚焦透镜、金属材料、三维移动平台和计算机组成，所述的金属材料位于所述的三维移动平台上，飞秒激光脉冲经过二向色镜反射经所述的聚焦透镜，聚焦在所述的三维移动平台上的金属材料表面，所述的计算机控制所述的三维移动平台移动；

所述的成像系统由聚焦透镜、成像透镜和CCD组成，对整个激光加工过程实施实时监测。

利用上述飞秒激光时空聚焦金属表面高通量加工装置进行金属表面的加工方法，其特点在于该方法包括以下步骤：

①将金属材料固定在所述的三维平移台上；

②调整光路：由所述的展宽器和放大器发出的中心波长为800nm的飞秒激光脉冲，经所述的凸透镜和凹透镜组成的缩束系统缩小光束尺寸后，缩束后的飞秒激光脉冲经第一光栅、第二光栅，由所述的二向色镜反射后经所述的聚焦透镜聚焦照射在所述的金属材料的表面；

③将需要加工的三维图案输入所述的计算机，该计算机控制所述的三维平移台运动，实现飞秒激光金属表面加工，所述的金属材料反射的激光经所述的聚焦透镜、二向色镜、成像透镜，被所述的CCD接收，对整个激光加工过程实时监测，直至所述的金属材料的表面加工结束。

本发明的技术效果如下：

缩束后的飞秒激光脉冲在经过光栅对色散后产生空间色啁啾，不同频率的光通过聚焦透镜聚焦后只在焦点处重合。缩束系统可以控制焦点区域的横向光斑尺寸，因此可以实现较大的聚焦光斑；同时由于时空聚焦技术的特性，在偏离焦点的地方，不同频率的光在时间和空间上不重合，使得脉冲宽度迅速增加，激光强度急剧下降，瑞利长度减小，从而有效地避免了非线性自聚焦效应的产生，这一特性对金属表面结构加工具有重要意义。

本发明装置和加工方法具有简单、有效、高速的特点，能够实现高通量精密结构加工，在激光表面加工和打标等领域有重要的潜在应用价值。

附图说明

图1是本发明飞秒激光时空聚焦金属表面高通量加工装置的光路图。

图2是传统激光加工与通过本发明方法加工的金属表面结构对比的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1为本发明飞秒激光时空聚焦金属表面高通量加工装置具体实施的光路图。由图可见，本发明飞秒激光时空聚焦金属表面高通量加工装置包括缩束、空间色散、聚焦加工和成像监测四部分：

所述的缩束部分由沿飞秒激光脉冲的光路上依次放置的展宽器1、放大器2、凸透镜3和凹透镜4组成，由展宽器1、放大器2出射的飞秒激光脉冲经过所述的凸透镜3和凹透镜4后光束变小，缩束比由所述的凸透镜3和凹透镜4的焦距和两透镜间的距离决定；

所述的空间色散部分包括第一光栅5和第二光栅6，第一光栅5和第二光栅6平行且相对放置，通过调节第一光栅5的入射角和两面光栅间的距离来调节激光的时间和空间色散，激光经过所述的空间色散部分后，时间啁啾被补偿，产生空间啁啾；

所述的聚焦加工部分由二向色镜7、聚焦透镜8、金属材料9、三维移动平台10和计算机13组成，所述的金属材料9位于所述的三维移动平台10上，飞秒激光脉冲经过二向色镜7反射经所述的聚焦透镜8，将飞秒激光聚焦在所述的三维移动平台10上的金属材料9表面，所述的计算机13控制所述的三维移动平台10移动；

所述的成像系统由聚焦透镜8、成像透镜11和CCD12组成，对整个激光加工过程实施实时监测。

利用上述飞秒激光时空聚焦金属表面高通量加工装置进行金属表面的加工方法，包括以下步骤：

①将金属材料9固定在所述的三维平移台10上；

②调整光路：由所述的展宽器1和放大器2发出的中心波长为800nm的飞秒激光脉冲，经所述的凸透镜3和凹透镜4组成的缩束系统缩小光束尺寸后，经第一光栅5、第二光栅6，由所述的二向色镜7反射后经所述的聚焦透镜8聚焦照射在所述的金属材料9的表面；

③将需要加工的三维图案输入所述的计算机13，该计算机13控制所述的三维平移台10运动，实现飞秒激光金属表面加工，所述的金属材料9反射的激光经所述的聚焦透镜8、二向色镜7、成像透镜11，被所述的CCD12接收，对整个激光加工过程实时监测，直至所述的金属材料9的表面加工结束。

所述的凸透镜3和凹透镜4的缩束比为凸透镜3和凹透镜4的焦距比，凸透镜3和凹透镜4间的距离为两者焦距之差，该缩束部分可以实现不同光束宽度的激光脉冲，从而控制聚焦透镜8焦点处聚焦光斑的横向尺寸。

缩束后的飞秒激光脉冲经过第一光栅5和第二光栅6色散后被二向色镜7反射到聚焦透镜8，在聚焦透镜8后聚焦于三维移动平台10上的金属材料9表面。第一光栅5和第二光栅6平行放置，入射角度和距离取决于飞秒激光脉冲的时间啁啾。飞秒激光脉冲经过第一光栅5和第二光栅6光栅对后产生空间啁啾，不同频率的光在空间展开，再经过聚焦透镜8聚焦后只在聚焦透镜8的几何焦点处实现时间和空间上重合，而在偏离焦点的地方，不同频率的光在时间和空间上散开，导致激光脉冲宽度迅速增加，激光峰值强度急剧下降，使得激光的瑞利长度减小，从而有效地抑制了几何焦点附近非线性自聚焦效应。所述的三维移动平台10移动速度和移动路径由计算机8控制。结合三维移动平台10的高速扫描，实现飞秒激光在金属材料表面高通量精密结构加工。

图2是传统激光加工与通过本发明方法加工的金属表面结构加工对比的扫描电镜图。图2左是传统激光加工的金属表面结构加工对比的扫描电镜图，图2右是本发明方法加工的金属表面结构加工对比的扫描电镜图。由图2可见，本发明能够实现高通量精密结构加工，实验表明本发明装置和加工方法具有简单、有效、高速的特点，能够实现高通量精密结构加工，在激光表面加工和打标等领域有重要的潜在应用价值。