一种基于飞秒激光分布调控的大深径比微孔制备方法及系统

本发明属于激光微纳加工，具体涉及一种基于飞秒激光分布调控的大深径比微孔制备方法及系统。

背景技术：

1、飞秒激光加工工艺在航空叶片气膜冷却孔的制备等领域有着巨大的应用潜力。而光束的分布调控和激光与材料的能量耦合作用等多方面因素都会影响飞秒激光的微孔加工深度。在微孔加工中激光自身的分布性质会对于烧蚀现象产生重要的影响；另外，激光在孔壁的多重反射严重影响激光和材料的能量耦合，使得在深孔加工阶段激光束无法有效地去除材料，从而进一步影响加工效率和微孔的极限深度；因此，对于飞秒激光加工深孔，加工难度随着加工深度的增大而增大。

2、为了提高飞秒激光加工微孔的深径比，可以从光场调控、增强排屑和光束运动控制等方面来实现，如：

3、g.kam l age等人用飞秒激光在不锈钢上制备微孔深径比达到10:1。

4、夏国才将焦场纵横比控制技术应用在大深径比金属微孔加工中，通过光阑调控增大了微孔的深径比。

5、re i chardt等人通过辅助气体配合多轴激光加工系统实现了不锈钢6mm的微孔加工。

6、synova公司提出了水射流激光加工，利用全反射效应，将水柱作为光纤用于光束的传导，使镍基合金上微孔深径比达到20:1。

7、然而，这些技术仍然难以满足行业领域对于更大深径比(如深径比大于20:1)和更高孔型精度气膜冷却孔的加工需求。

8、但飞秒激光制孔效率较低，与材料的能量耦合效率限制其应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光分布调控的大深径比微孔制备方法及系统，解决了现有的飞秒激光制孔效率较低的缺陷。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明提供的一种基于飞秒激光分布调控的大深径比微孔制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，对飞秒激光进行分布调控，得到径向偏振光；

5、步骤2，利用径向偏振光在目标工件待加工的微孔位置处进行预制孔加工；

6、步骤3，利用径向偏振光对得到的预制孔进行修型，得到加工完成的大深径比微孔。

7、优选地，步骤2中，预制孔的加工工艺条件是：

8、飞秒激光的脉冲重复频率1000-2000hz、单脉冲能量3-5/mj3、脉冲宽度120-180fs；

9、所述径向偏振光的扫描路径为同心圆，扫描速度300-500mm/s。

10、优选地，步骤3中，预制孔进行修型的工艺条件是：

11、飞秒激光的重复频率500-1000hz、单脉冲能量1-2/mj3、脉冲宽度120-180fs；

12、所述径向偏振光的扫描路径为等直径同心圆，扫描速度300-500mm/s。

13、优选地，步骤3中，采用z轴进给方式对预制孔进行修型，其中，z轴进给方式的进给量δz为1-3μm/r。

14、优选地，步骤2中，利用径向偏振光在目标工件待加工的微孔位置处进行预制孔加工之前，还包括确定飞秒激光的入射角和方位角。

15、优选地，确定飞秒激光的入射角和方位角的具体方法是：

16、设定飞秒激光加工的入射角和反射角；

17、根据得到的入射角和反射角结合目标工件的材料相关特性，获取得到目标工件的复折射率；

18、根据得到的目标工件的复折射率计算得到目标工件任意方位角对应的反射率；

19、利用得到的目标工件任意方位角对应的反射率确定目标工件待加工微孔时飞秒激光对应的最优的入射角和方位角。

20、一种基于激光分布调控的大深径比微孔制备系统，包括：

21、用于产生飞秒激光的飞秒激光器、

22、用于对飞秒激光进行矢量光调控的光束整形器件、

23、用于利用得到的矢量光对目标工件进行路径扫描加工的振镜系统，以及用于控制飞秒激光器的启停、参数设置的控制器。

24、优选地，所述控制器还连接有用于实现目标工件z轴进给和位姿调控的驱动组件。

25、优选地，所述控制器还连接有用于采集目标工件背散光信号的采集单元，所述控制器用于根据接收到的背散光信号判断预制孔是否穿透。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、本发明提出了一种基于激光分布调控的大深径比微孔制备方法，利用飞秒激光的矢量光进行大深径比气膜冷却孔加工，通过对飞秒激光的分布调控，不仅可以提高激光-材料能量耦合效率，从而提高微孔加工的穿透效率，而且可以通过对于飞秒激光的分布调控能够提高微孔出口的圆度和孔型精度，具体地：

28、由于径向偏振光光斑上每个点的光矢量的振动方向都是沿着半径方向的，因此在进行圆孔加工时光斑上的每个点都具有最高的宏观激光吸收率。并且由于是柱对称分布的一种光束，其微孔的出口圆度也较高；另外由于径向偏振光独特的“紧聚焦”特性，它能够在焦点处形成面积更小的聚焦光斑，因此也能够加工出直径更小的微孔，从而一定程度上提高微孔的深径比。

29、同时，本发明利用两步法加工大深径比微孔，首先是用大能量激光烧蚀效率高、烧蚀深度大的特点先进行通孔的加工，预制孔的加工可以为后续的激光烧蚀提供通畅的排屑通道，极大的降低了碎屑和等离子体对于激光能量的衰减。然后通过小能量激光对预制孔进行二次修型，可以有效去除预留的加工余量部分，对孔中部的束腰部分进行去除，同时修整孔壁表面的微沟道和烧蚀产物堆积，去除孔壁表面的过烧蚀等烧蚀缺陷，提高孔壁表面的光洁度。

30、因此，本发明能够提高微孔加工的穿透效率，而且可以通过对于飞秒激光的分布调控能够提高微孔出口的圆度和孔型精度。

技术特征：

1.一种基于飞秒激光分布调控的大深径比微孔制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光分布调控的大深径比微孔制备方法，其特征在于，步骤2中，预制孔的加工工艺条件是：

3.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光分布调控的大深径比微孔制备方法，其特征在于，步骤3中，预制孔进行修型的工艺条件是：

4.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光分布调控的大深径比微孔制备方法，其特征在于，步骤3中，采用z轴进给方式对预制孔进行修型，其中，z轴进给方式的进给量δz为1-3μm/r。

5.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光分布调控的大深径比微孔制备方法，其特征在于，步骤2中，利用径向偏振光在目标工件待加工的微孔位置处进行预制孔加工之前，还包括确定飞秒激光的入射角和方位角。

6.根据权利要求5所述的一种基于飞秒激光分布调控的大深径比微孔制备方法，其特征在于，确定飞秒激光的入射角和方位角的具体方法是：

7.一种基于激光分布调控的大深径比微孔制备系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的一种基于激光分布调控的大深径比微孔制备系统，其特征在于，所述控制器还连接有用于实现目标工件z轴进给和位姿调控的驱动组件。

9.根据权利要求7所述的一种基于激光分布调控的大深径比微孔制备系统，其特征在于，所述控制器还连接有用于采集目标工件背散光信号的采集单元，所述控制器用于根据接收到的背散光信号判断预制孔是否穿透。

技术总结本发明提供的一种基于飞秒激光分布调控的大深径比微孔制备方法及系统，包括以下步骤：步骤1，对飞秒激光进行分布调控，得到径向偏振光；步骤2，利用径向偏振光在目标工件待加工的微孔位置处进行预制孔加工；步骤3，利用径向偏振光对得到的预制孔进行修型，得到加工完成的大深径比微孔；本发明能够提高微孔加工的穿透效率，而且可以通过对于飞秒激光的分布调控能够提高微孔出口的圆度和孔型精度。技术研发人员：裴智明,凡正杰,孙晓茂,梅雪松,王文君,崔健磊受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11