一种多波长非线性飞秒激光加工方法及系统

本发明涉及本发明涉及激光应用领域，具体涉及一种多波长非线性飞秒激光加工方法及系统。

背景技术：

1、与传统加工方式相比，激光加工具有加工效率高、速度快、质量好等诸多优势，在工业制造领域有广阔的应用前景和发展空间。

2、与连续光激光加工相比，飞秒激光加工峰值能量更高、能量输出更有序。这也意味着，使用飞秒激光对材料进行加工，可加工的材料种类更广，加工深度更大，材料加工区域外的热损伤更小、加工质量更高，加工速度与效率均可进一步提升。

3、目前，飞秒激光加工领域以使用单波长固体激光源的方案为主。与光纤飞秒激光器相比，固体飞秒激光器存在体积大、易损坏、维修难度高、成本高等一系列劣势。另一方面，以现有的技术手段使用单波长激光进行加工，也相应存在许多局限。例如：对不同材料的适应性差，只能选择对该波段吸收率高的材料进行加工；材料升温方式为线性升温，升温速度慢，热量易传导至加工区域周边，加工质量差；无法主动精确调制加工区域局部瞬态温度场；等等。

4、现有的多(双)波长激光加工方法，均通过单个激光器发出的基频光及对该基频光进行倍频实现。该方案在一定程度上改进了上述单波长激光加工方法的缺陷，但并未完全突破上述问题的制约。

5、现有技术中，《多波长激光加工装置》中提到的多波长激光加工装置，包括发射不同波长激光的多波长激光器、激光加工系统和激光合束装置；激光加工系统包括振镜组件，振镜组件包括扫描振镜和聚焦镜；激光合束装置包括第一色散补偿组件、第二色散补偿组件、第一反射镜、第二反射镜和第一多色合束镜；第一色散补偿组件包括第一直角镜和供第一种波长激光经过的第一棱镜；第二色散补偿组件包括第二直角镜和供第二种波长激光经过的第二棱镜；第一反射镜反射色散补偿后的第一种波长激光并与被色散补偿后的第二种波长激光在第一多色合束镜合束，合束后的激光由第二反射镜反射进入扫描振镜经由聚焦镜聚焦后加工工件。由于没有光程差与群延迟探测器，无法改变各个波长激光的相对时延，无法对材料进行高精度加工。使用的三种波长(红光、绿光、紫光)固定不变，难以适应不同材料的吸收特性(cn112091416a)。

技术实现思路

1、据此，本发明提出的一种多波长非线性飞秒激光加工方法，可以有效克服上述问题。使用多个不同输出波长的飞秒光纤激光器作为加工光源，并通过对各路激光进行时域调控，实现加工材料种类及材料加工精度、速度、深度、质量的提升。

2、本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种多波长非线性飞秒激光加工方法，包括以下步骤：

4、s1、使用一组高功率飞秒激光器产生多路至少包括两个不同波长的高功率飞秒激光；

5、s2、使步骤s1中得到的各路高功率飞秒激光分别经一对角度可调的薄膜反射镜，然后使用合束镜对各路反射光进行合束；

6、s3、使步骤s2中得到的经过合束后的光束入射分束镜，用于将各路高功率飞秒激光分为信号光和闲置光两路；

7、s4、使步骤s3中得到的信号光入射光电探测器，将光信号转为电信号，然后通过光程差与群延迟探测器，进而对薄膜反射镜对进行调控，控制各路高功率飞秒激光的光程差与群时延，对步骤s3中的闲置光进行调节；

8、s5、使经过步骤s4调节的闲置光通过光束聚焦模组，聚焦后的激光垂直照射至待加工样品的上表面，通过各路飞秒激光对加工样品的不同作用效果，实现对非线性温度场进行调控，最终完成加工。

9、进一步地，步骤s1中，所述一组高功率飞秒激光器包括两个或两个以上的可输出不同波长的高功率飞秒激光器，用于产生多路至少包括两个不同波长的高功率飞秒激光。

10、进一步地，各个高功率飞秒激光器输出的高功率飞秒激光重复频率一致，输出功率可调。

11、进一步地，步骤s4中，在所述光电探测器将各路信号光信号转为电信号后，光程差与群延迟探测器探测各路高功率飞秒激光之间的相对时延并计算出光程差，进而调整各个薄膜反射镜对的倾斜角，对各路高功率飞秒激光的光程差进行补偿，实现对闲置光的时域调节；

12、经过调节后，根据实际应用场景，精确分配各路激光作用在样品表面的时间，精确度达到fs量级。

13、进一步地，步骤s5中，所述光束聚焦模组固定在三维位移调整架上，构成三维位移聚焦模块，用于改变光束焦点与待加工样品表面的相对位置，调节待加工样品表面的光斑大小，适应不同待加工样品的加工需求。

14、进一步地，步骤s5中，所述温度场指的是经过光束聚焦模组聚焦后的激光照射在待加工样品处的局部温度场，所述非线性指的是待加工样品在温度上升期间，升温方式为非线性升温。

15、进一步地，步骤s5中，对非线性温度场进行调控的方式包括改变各个高功率飞秒激光器的输出功率。

16、进一步地，步骤s5中，对非线性温度场进行调控的方式包括通过光程差与群延迟控制模块控制不同高功率飞秒激光器发出的高功率飞秒激光的光程差与群延迟。

17、进一步地，步骤s5中，对非线性温度场进行调控的方式包括通过三维位移聚焦模块控制出射激光在待加工样品表面的作用面积。

18、一种多波长非线性飞秒激光加工系统，包括一组高功率飞秒激光器、一个光程差与群延迟控制模块和一个三维位移聚焦模块；

19、所述一组高功率飞秒激光器，包括两个或两个以上的可输出不同波长的高功率飞秒激光器；

20、所述光程差与群延迟控制模块包括两组角度可调的薄膜反射镜、一组合束镜、一个分束镜、一个光电探测器和一个光程差与群延迟控制器；

21、所述三维位移聚焦模块包括一个光束聚焦模组和一个三维位移调整架；

22、其中，一组高功率飞秒激光器产生多路至少包括两个不同波长的高功率飞秒激光；各路高功率飞秒激光分别经两组角度可调的薄膜反射镜反射后经过合束镜对各路反射光进行合束，得到的经过合束后的光束；经过合束后的光束入射至分束镜，将各路高功率飞秒激光分为信号光和闲置光两路；

23、信号光入射光电探测器，将光信号转为电信号，然后通过光程差与群延迟探测器，用于实现对薄膜反射镜进行精确调控，控制各路高功率飞秒激光的光程差与群时延，对闲置光进行调节；

24、经过调节的闲置光通过光束聚焦模组，聚焦后的激光垂直照射至待加工样品的上表面，最终完成加工。

25、相比于现有技术，本发明的优点在于：

26、本发明通过使用多个输出不同波长激光的高功率飞秒激光器，并采用一系列手段对样品加工区域的温度场进行调控，提升精密加工效率、质量和加工深度，拓展飞秒激光精密加工应用范围。

技术特征：

1.一种多波长非线性飞秒激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种多波长非线性飞秒激光加工方法，其特征在于，步骤s1中，所述一组高功率飞秒激光器包括两个或两个以上的可输出不同波长的高功率飞秒激光器，用于产生多路至少包括两个不同波长的高功率飞秒激光。

3.根据权利要求2所述的一种多波长非线性飞秒激光加工方法，其特征在于，各个高功率飞秒激光器输出的高功率飞秒激光重复频率一致，输出功率可调。

4.根据权利要求1所述的一种多波长非线性飞秒激光加工方法，其特征在于，步骤s4中，在所述光电探测器将各路信号光信号转为电信号后，光程差与群延迟探测器探测各路高功率飞秒激光之间的相对时延并计算出光程差，进而调整各个薄膜反射镜对的倾斜角，对各路高功率飞秒激光的光程差进行补偿，实现对闲置光的时域调节；

5.根据权利要求1所述的一种多波长非线性飞秒激光加工方法，其特征在于，步骤s5中，所述光束聚焦模组固定在三维位移调整架上，构成三维位移聚焦模块，用于改变光束焦点与待加工样品表面的相对位置，调节待加工样品表面的光斑大小，适应不同待加工样品的加工需求。

6.根据权利要求1所述的一种多波长非线性飞秒激光加工方法，其特征在于，步骤s5中，所述温度场指的是经过光束聚焦模组聚焦后的激光照射在待加工样品处的局部温度场，所述非线性指的是待加工样品在温度上升期间，升温方式为非线性升温。

7.根据权利要求1所述的一种多波长非线性飞秒激光加工方法，其特征在于，步骤s5中，对非线性温度场进行调控的方式包括改变各个高功率飞秒激光器的输出功率。

8.根据权利要求1所述的一种多波长非线性飞秒激光加工方法，其特征在于，步骤s5中，对非线性温度场进行调控的方式包括通过光程差与群延迟控制模块控制不同高功率飞秒激光器发出的高功率飞秒激光的光程差与群延迟。

9.根据权利要求1所述的一种多波长非线性飞秒激光加工方法，其特征在于，步骤s5中，对非线性温度场进行调控的方式包括通过三维位移聚焦模块控制出射激光在待加工样品表面的作用面积。

10.一种多波长非线性飞秒激光加工系统，其特征在于，包括一组高功率飞秒激光器、一个光程差与群延迟控制模块和一个三维位移聚焦模块；

技术总结本发明公开了一种多波长非线性飞秒激光加工方法及系统。本发明使用多个高功率飞秒激光器发射不同波长的高功率飞秒激光；通过光程差与群延迟控制模块对各个激光器发出激光的光程差和群延迟进行精确控制；将多波长飞秒激光入射三维位移聚焦模块；最终垂直入射待加工样品的上表面，完成飞秒激光加工。本发明通过精确调制各波长激光脉冲在时域上的相对位置，可以对样品加工区域的温度场实现动态非线性精准调控，提升精密加工效率、质量和加工深度，拓展飞秒激光精密加工应用范围。技术研发人员：杨中民,郝默雷,韦小明受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20