阅读说明：本技术 一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统 (Femtosecond laser precision forming processing system for complex hard and brittle material component ) 是由 雷名威 王军龙 李本海 江淮 高文焱 李广 李凯 侯振兴 张路 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统,包括飞秒激光器、激光调谐模块、机械光闸、激光偏振模块、可变倍扩束器、平面反射镜、光学衍射元件、成丝改质模块、成丝辅助件、装夹专用工装、多轴联动电控位移台、工控机、机械臂、化学腐蚀池和碱性中和池。通过可变倍扩束器、光学衍射元件和成丝改质模块调控飞秒激光成丝长度与直径,实现硬脆材料大深径比加工；通过成丝辅助件避免成丝前端加工一致性差的不良影响；通过机械光闸、多轴联动电控位移台和工控机等光机电协同控制,完成复杂构件激光改质功能；本发明具有加工深径比大、加工品质优良、可成型复杂构件、操作全自动化等优点,在航空航天、半导体、电子工业等领域具有广泛的应用前景。(The femtosecond laser precision forming processing system comprises a femtosecond laser, a laser tuning module, a mechanical optical gate, a laser polarization module, a variable-power beam expander, a plane reflector, an optical diffraction element, a filamentation modification module, a filamentation auxiliary part, a special clamping tool, a multi-axis linkage electric control displacement table, an industrial personal computer, a mechanical arm, a chemical corrosion tank and an alkaline neutralization tank. The length and the diameter of the femtosecond laser filamentation are regulated and controlled through a variable power beam expander, an optical diffraction element and a filamentation modification module, so that the processing of the hard and brittle material with large depth-diameter ratio is realized; the adverse effect of poor processing consistency of the front end of the filamentation is avoided through the filamentation auxiliary part; the laser modification function of the complex component is completed through the optical-mechanical-electrical cooperative control of a mechanical optical gate, a multi-axis linkage electric control displacement table, an industrial personal computer and the like; the invention has the advantages of large processing depth-diameter ratio, excellent processing quality, capability of forming complex components, full automation of operation and the like, and has wide application prospect in the fields of aerospace, semiconductors, electronic industry and the like.)

一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统

技术领域

本发明属于激光精密制造技术领域，具体涉及到一种基于成丝改质与化学腐蚀的硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统。

背景技术

凭借着性能稳定、机械强度大、绝缘性能强、光学特性好等一系列优势，铌酸锂晶体、石英晶体、石英玻璃、钢化玻璃等硬脆材料在航空航天、半导体、电子工业等领域占据着重要地位。随着上述应用领域迅猛发展，硬脆材料复杂构件成型尺寸精度和加工效率要求越来越高。

目前，硬脆材料复杂构件主要采用机械切屑、长脉冲激光热熔和飞秒激光改质的加工设备。机械切屑和长脉冲激光热熔的加工设备，存在着残余应力大、表面污染严重、尺寸精度差等技术瓶颈；另外飞秒激光成丝改质过程中非线性光学效应和等离子体效应，易造成亚表面损伤、微观缺陷、加工一致性差等品质问题。因此，迫切需要开发可适用于硬脆材料复杂构件的精密成型加工系统。

为了提升复杂构件成型加工精度，避免亚表面损伤和微观缺陷，提升加工一致性，需要研究一种基于成丝改质与化学腐蚀的硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于成丝改质与化学腐蚀的硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，解决现有技术中存在的目前设备成型加工尺寸精度低，加工品质差的问题。该系统具有成型尺寸精度高、加工品质优良、全自动化操作等优点。

本发明采用的技术方案为：

一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，包括飞秒激光器、激光调谐模块、机械光闸、激光偏振模块、可变倍扩束器、平面反射镜、光学衍射元件、成丝改质模块和成丝辅助件；

所述飞秒激光器用于产生飞秒激光脉冲光束，通过激光调谐模块调节所述飞秒激光脉冲光束的工作波长；机械光闸用于控制激光传输光路快速通断，激光偏振模块用于调节通过机械光闸后的飞秒激光脉冲光束的偏振状态；

所述可变倍扩束器用于连续调节飞秒激光脉冲光束的光束直径，再通过平面反射镜调节激光传输光路，使飞秒激光脉冲光束垂直入射光学衍射元件，光学衍射元件用于激光光束空间整形，调制激光空间光强分布并输出长焦深光束，之后通过成丝改质模块按固定比例整体缩小整形后光束，增强激光功率密度至待加工工件材料阈值，完成在待加工工件内部的成丝改质；

所述成丝辅助件覆盖于待加工工件表面，避免功率密度不稳定的飞秒激光成丝前端作用于待加工工件，提升待加工工件成丝改质一致性。

进一步的，本发明硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统还包括装夹专用工装、多轴联动电控位移台、工控机、机械臂、化学腐蚀池和碱性中和池；

通过装夹专用工装固定待加工工件，且装夹专用工装上表面中间镂空防止激光对装夹专用工装的损坏；再通过多轴联动电控位移台完成固定在其上的装夹专用工装的三维复杂路径的匀速运动，通过工控机协同控制机械光闸和多轴联动电控位移台，完成复杂构件激光加工；

所述机械臂用于激光加工完成后将待加工工件移动至化学腐蚀池内，进行飞秒激光成丝改质区域化学腐蚀去除材料，化学腐蚀完成后将待加工工件移动至碱性中和池内，中和待加工工件残余腐蚀液，完成硬脆材料复杂构件精密成型加工。

进一步的，飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲光束波长在750nm到1100nm范围内，脉冲宽度在10fs到900fs范围内，脉冲能量在10μJ到1mJ范围内，脉冲重复率在1KHz到1MHz范围内，激光光束质量M²≤1.5。

进一步的，所述激光调谐模块为光学参量放大器，其调谐后激光为波长在1300nm到2000nm范围内的差频信号光，所述机械光闸的开关响应时间≤1ms。

进一步的，所述激光偏振模块为半波片和四分之一波片的组合，且半波片放置于四分之一波片的前面，所述可变倍扩束器的最大放大倍率在2X到10X范围内；所述平面反射镜的入射角度为45°±5°。

进一步的，所述光学衍射元件为锥透镜，其锥角在1°到40°范围内。

进一步的，所述成丝改质模块为由大焦距透镜和小焦距物镜组成的倍率为5X-50X的显微聚焦系统，其中透镜焦距在100mm到500mm范围内，物镜焦距在10mm到40mm范围内，且透镜和物镜二者同轴共焦点放置。

进一步的，所述成丝辅助件为双面抛光的熔融石英片，其厚度在0.3mm到2mm范围内，其直径在15mm到310mm范围内。

进一步的，化学腐蚀池中的HF溶液浓度在1％到30％范围内，待加工工件在化学腐蚀池的浸泡时间在1h到120h范围内；

碱性中和池中的NaOH溶液浓度在0.1％到10％范围内，待加工工件在碱性中和池的浸泡时间在0.1h到1h范围内。

进一步的，所述多轴联动电控位移台为三轴运动平台,X/Y轴定位精度≤10μm，Z轴行程≥10mm，所述装夹专用工装的尺寸在10mm到300mm范围内。

本发明与现有技术相比带来的有益效果为：

(1)与当前硬脆材料复杂构件成型加工设备相比，本发明系统通过飞秒激光器，由于飞秒激光持续时间极短则热应力小，减小亚表面损伤和微观缺陷；同时通过激光调谐模块输出待加工工件高透过率激光，在材料内部成丝改质，避免工件表面污染。

(2)与当前硬脆材料复杂构件成型加工设备相比，本发明系统通过光学衍射元件将传统高斯光束整形为更长焦深的贝塞尔光束，有利于飞秒激光形成一段毫米量级光丝，将激光单次扫描加工深度由10μm增加至1mm，加工效率提升2个量级。

(3)与当前硬脆材料复杂构件成型加工设备相比，本发明系统通过可变倍扩束器和由大焦距透镜和小焦距物镜组成的成丝改质模块可按固定比例整体缩小焦点处光束直径进行改质，将激光成型加工精度提升1个量级至1μm，实现成型加工深径比达1000。

(4)与当前硬脆材料复杂构件成型加工设备相比，本发明系统利用成丝辅助件覆盖于待加工工件上面，将稳定性差的激光成丝前端作用于成丝辅助件而稳定性好的成丝中端用于待加工工件，避免由于成丝前端功率密度不稳定而造成待加工工件不良影响，确保飞秒激光成型加工一致性。

(5)与当前硬脆材料复杂构件成型加工设备相比，本发明系统集成装夹专用工装、化学腐蚀池和碱性中和池三个功能区于一体，通过机械臂装卸与转移待加工工件，实现激光成丝改质、酸液腐蚀成型和碱液中和清洗三个工序全自动运行，操作方便简易。

附图说明

图1是本发明硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统的示意图。

附图标号说明：

101-飞秒激光器；102-激光调谐模块；103-机械光闸；104-激光偏振模块；105-可变倍扩束器；106-平面反射镜；107-光学衍射元件；108-成丝改质模块；109-成丝辅助件；110-待加工工件；111-装夹专用工装；112-多轴联动电控位移台；113-工控机；114-机械臂，115-化学腐蚀池，116-碱性中和池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明公开了基于成丝改质与化学腐蚀的硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，属于激光精密制造技术领域。本发明所公开的硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，包括飞秒激光器、激光调谐模块、机械光闸、激光偏振模块、可变倍扩束器、平面反射镜、光学衍射元件、成丝改质模块、成丝辅助件、装夹专用工装、多轴联动电控位移台、工控机、机械臂、化学腐蚀池和碱性中和池。

通过可变倍扩束器、光学衍射元件和成丝改质模块调控飞秒激光成丝长度与直径，可实现硬脆材料大深径比加工；通过成丝辅助件避免成丝前端加工一致性差的不良影响，大幅提升硬脆材料加工品质；通过机械光闸、多轴联动电控位移台和工控机等光机电协同控制，完成复杂构件激光改质功能；通过机械臂、化学腐蚀池和碱性中和池，实现激光诱导化学腐蚀精密成型的全自动操作；本发明加工系统具有加工深径比大、加工品质优良、可成型复杂构件、操作全自动化等优点，在航空航天、半导体、电子工业等领域具有广泛的应用前景。

具体的，如图1所示，本发明提出的基于成丝改质与化学腐蚀的硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，包括飞秒激光器、激光调谐模块、机械光闸、激光偏振模块、可变倍扩束器、平面反射镜、光学衍射元件、成丝改质模块、成丝辅助件、装夹专用工装、多轴联动电控位移台、工控机、机械臂、化学腐蚀池和碱性中和池。

所述飞秒激光器用于产生超短脉冲激光光束；飞秒激光器的激光波长在750nm到1100nm范围内，脉冲宽度在10fs到900fs范围内，脉冲能量在10μJ到1mJ范围内，脉冲重复率在1KHz到1MHz范围内，激光光束质量M²≤1.5。由于飞秒激光持续时间极短则热应力小，可减小待加工工件亚表面损伤和微观缺陷。

所述激光调谐模块用于调节激光的工作波长，实现代加工工件高透射率激光输出，有利于激光在待加工工件内部进行加工，可避免待加工工件表面污染。激光调谐模块优选为光学参量放大器，其调谐后激光为波长在1300nm到2000nm范围内的差频信号光。

所述机械光闸用于控制激光传输光路的快速通断；机械光闸的开关响应时间≤1ms。

所述激光偏振模块用于调节激光偏振方向和椭偏度等偏振状态，避免激光加工过程其偏振状态引起微观缺陷；激光偏振模块优选为半波片和四分之一波片的组合，且半波片放置于四分之一波片的前面。

所述可变倍扩束器用于连续调节激光光束直径，有利于飞秒激光成丝长度的有效调控；可变倍扩束器的最大放大倍率在2X到10X范围内。

所述平面反射镜用于调节激光传输光路，使光束垂直入射光学衍射元件；平面反射镜的入射角度为45°±5°。

所述光学衍射元件用于激光光束空间整形，实现长焦深的均匀分布光束输出，有利于飞秒激光在材料内部成丝改质；光学衍射元件优选为锥透镜，其锥角在1°到40°范围内。通过锥透镜将传统高斯光束整形为更长焦深的贝塞尔光束，有利于飞秒激光形成一段毫米量级光丝，将激光单次扫描加工深度由10μm增加至1mm，加工效率提升2个量级。

所述成丝改质模块基于光学成像原理按固定比例整体缩小整形后光束，增强激光功率密度至硬脆材料阈值，完成在待加工工件内部成丝改质，其中激光成丝改质可增强化学反应活性，大幅提高改质区域化学腐蚀速率，实现激光诱导化学腐蚀的功能；

成丝改质模块优选为由大焦距透镜和小焦距物镜组成的倍率为5X-50X的显微聚焦系统，其中透镜焦距在100mm到500mm范围内，物镜焦距在10mm到40mm范围内，且透镜和物镜二者同轴共焦点放置。通过可变倍扩束器和成丝改质模块可按固定比例整体缩小焦点处光束直径进行改质，将激光成型加工精度提升1个量级至1μm，实现成型加工深径比达1000。

所述成丝辅助件覆盖于待加工工件表面，避免功率密度不稳定的飞秒激光成丝前端作用于待加工工件，提升待加工工件成丝改质一致性；成丝辅助件优选为双面抛光的熔融石英片，其厚度在0.3mm到2mm范围内，其直径在15mm到310mm范围内。利用成丝辅助件覆盖于待加工工件上面，将稳定性差的激光成丝前端作用于成丝辅助件而稳定性好的成丝中端用于待加工工件，避免由于成丝前端功率密度不稳定而造成待加工工件不良影响，确保飞秒激光成型加工一致性。

所述装夹专用工装用于固定待加工工件，且上表面中间镂空防止高功率密度激光对工装损坏；装夹专用工装的尺寸在10mm到300mm范围内。

所述多轴联动电控位移台用于三维复杂路径高精度匀速运动；多轴联动电控位移台优选为三轴高精密运动平台,X/Y轴定位精度≤10μm，Z轴行程≥10mm。

所述工控机用于机械光闸和多轴联动电控位移台协同控制，完成复杂构件激光加工；

所述机械臂用于激光加工完成后将待加工工件移动至化学腐蚀池内，以及化学腐蚀完成后将待加工工件移动至碱性中和池内；

所述化学腐蚀池由HF酸性溶液组成，配合成丝改质模块，完成飞秒激光成丝改质区域化学腐蚀去除材料，达到硬脆材料复杂构件精密成型目的；优选的，化学腐蚀池的HF溶液浓度在1％到30％范围内，待加工工件在化学腐蚀池的浸泡时间在1h到120h范围内。

所述碱性中和池由NaOH碱性溶液组成，用于化学腐蚀完成后中和待加工工件残余腐蚀液。优选的，碱性中和池的NaOH溶液浓度在0.1％到10％范围内，待加工工件在碱性中和池的浸泡时间在0.1h到1h范围内。

本发明公开系统集成装夹专用工装、化学腐蚀池和碱性中和池三个功能区于一体，通过机械臂装卸与转移待加工工件，实现激光成丝改质、酸液腐蚀成型和碱液中和清洗三个工序全自动运行，操作方便简易。

下面给出本发明实施例：

根据本发明实施例的一种基于成丝改质与化学腐蚀的硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，如图1所示。所述基于成丝改质与化学腐蚀的硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，包括：飞秒激光器101、激光调谐模块102、机械光闸103、激光偏振模块104、可变倍扩束器105、平面反射镜106、光学衍射元件107、成丝改质模块108、成丝辅助件109、装夹专用工装111、多轴联动电控位移台112、工控机113、机械臂114、化学腐蚀池115、碱性中和池116。

所述飞秒激光器的激光波长为1064nm，脉冲宽度为300fs，脉冲能量为100μJ，脉冲重复率为100KHz，激光光束质量M²≤1.1。由于所述飞秒激光器输出的飞秒激光持续时间极短则热应力小，可减小亚表面损伤和微观缺陷。

所述激光调谐模块为光学参量放大器，其调谐后激光为波长在1350nm的差频信号光。由于所述激光调谐模块输出待加工工件高透过率的激光可在材料内部成丝改质，可避免工件表面污染。

所述机械光闸的开关响应时间为0.1ms。

所述激光偏振模块为半波片和四分之一波片的组合，且半波片放置于四分之一波片的前面。

所述可变倍扩束器的最大放大倍率为5X。

所述平面反射镜的入射角度为45°。

所述光学衍射元件为锥透镜，其锥角为30°。通过所述光学衍射元件将传统高斯光束整形为更长焦深的贝塞尔光束，有利于飞秒激光形成一段毫米量级光丝，将激光单次扫描加工深度由10μm增加至1mm，加工效率提升2个量级。

所述成丝改质模块为由大焦距透镜和小焦距物镜组成的倍率为10X的显微聚焦系统，其中透镜焦距为200mm，物镜焦距为20mm，且透镜和物镜二者同轴共焦点放置。通过所述可变倍扩束器和所述成丝改质模块可按固定比例整体缩小焦点处光束直径进行改质，将激光成型加工精度提升1个量级至1μm，实现成型加工深径比达1000。

所述成丝辅助件为双面抛光的熔融石英片，其厚度为0.5mm，直径为100mm。通过所述成丝辅助件覆盖于待加工工件上面，将稳定性差的激光成丝前端作用于成丝辅助件而稳定性好的成丝中端用于待加工工件，避免由于成丝前端功率密度不稳定而造成待加工工件不良影响，确保飞秒激光成型加工一致性。

所述装夹专用工装的尺寸为95mm。

所述多轴联动电控位移台为三轴高精密运动平台,X/Y轴定位精度≤1μm，Z轴行程≥20mm。

所述化学腐蚀池的HF溶液浓度为20％，待加工工件在化学腐蚀池的浸泡时间为24h。

所述碱性中和池的NaOH溶液浓度为5％，待加工工件在碱性中和池的浸泡时间为0.5h。本发明所述系统集成装夹专用工装、化学腐蚀池和碱性中和池三个功能区于一体，通过机械臂装卸与转移待加工工件，实现激光成丝改质、酸液腐蚀成型和碱液中和清洗三个工序全自动运行，操作方便简易。

根据本发明实施例的一种基于成丝改质与化学腐蚀的硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统的工作过程：

开启飞秒激光器101输出波长1064nm的飞秒激光脉冲光束，再通过激光调谐模块102调节飞秒激光波长为1350nm。通过机械光闸103控制激光传输光路快速通断。通过激光偏振模块104，调节激光偏振状态为圆偏振。

飞秒激光通过可变倍扩束器105调节光束直径，有利于调控成丝长度与直径。再通过平面反射镜106调节激光传输光路，使光束垂直入射光学衍射元件107。通过光学衍射元件107调制激光空间光强分布并输出长焦深光束，有利于飞秒激光在材料内部成丝改质。然后通过成丝改质模块108增强激光功率密度并完成在硬脆材料内部成丝改质，大幅提高改质区域化学腐蚀速率。通过成丝辅助件109避免飞秒激光成丝前端作用于待加工工件110，提升待成丝改质一致性。

通过装夹专用111工装固定固定待加工工件110，再通过多轴联动电控位移台112完成三维复杂路径高精度匀速运动。通过工控机协113同控制机械光闸103和多轴联动电控位移台112，完成复杂构件激光加工。

通过机械臂114将待加工工件110移动至化学腐蚀池115内，进行飞秒激光成丝改质区域化学腐蚀去除材料。在由20％HF酸性溶液组成的化学腐蚀池内浸泡24h后，再通过机械臂114将待加工工件110移动至碱性中和池116内，中和待加工工件110残余腐蚀液。在由5％NaOH碱性溶液组成的碱性中和池内浸泡0.5h后通过机械臂114取出，完成硬脆材料复杂构件精密成型加工。

本发明系统通过飞秒激光器和激光调谐模块输出热应力小且高透过率的飞秒激光，待加工工件无亚表面损伤、微观缺陷和表面污染。本发明系统通过光学衍射元件将传统高斯光束整形为毫米量级焦深的贝塞尔光束，将激光单次扫描加工深度增加至1mm，加工效率提升2个量级。本发明系统通过可变倍扩束器和成丝改质模块可按10倍比例整体缩小焦点处光束直径进行改质，将激光成型加工精度提升至1μm，实现成型加工深径比达1000。本发明系统利用成丝辅助件覆盖于待加工工件上面，将稳定性差的激光成丝前端作用于成丝辅助件而稳定性好的成丝中端用于待加工工件，则飞秒激光成型加工一致性好。本发明系统集成装夹专用工装、化学腐蚀池和碱性中和池三个功能区于一体，通过机械臂装卸与转移待加工工件，实现激光成丝改质、酸液腐蚀成型和碱液中和清洗三个工序全自动运行，简化人员操作过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明的范围内对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，均落入本发明的保护范围。