基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工方法及系统与流程

1.本发明涉及超快激光加工技术领域，更具体地，涉及一种基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工方法及系统。


背景技术：

2.飞秒激光是一种具有极短脉冲的激光，峰值功率高，作用时间短，材料加工阈值低，聚焦光斑仅微米级别，可以在避免材料融化的情况下，瞬间将材料变成等离子体而挥发出去，在这极短的时间内，热量来不及在材料内部进行电子和晶格之间的传递，实现了激光的“冷”加工，由于极高的峰值功率密度，能够非常精确的控制加工尺寸精度，形状精度及一致性，飞秒激光加工的应用前景越来越广阔，包括微纳加工、增材制造以及微孔加工等领域；
3.飞秒激光在实际应用过程中，特别是高重频的超快激光微孔加工以及微纳加工等领域，由于瞬间极高的峰值功率会将加工材料电子激发出去，从而导致等离子体云的产生，在等离子云消散前，后续脉冲序列会与等离子体云相互作用，激光能量被等离子体云所吸收而转化为热，增大加工过程中的热效应，加工过程中温度过高导致材料发生熔融，降低加工精度。为了精确控制超快加工过程中温度的变化，需要抑制超快加工过程中等离子体云形成，主要方法是采用脉冲包加工的方式，超高重频子脉冲及khz脉冲包间距的脉冲包形式是最优选择，目前此类脉冲包的实现方法主要通过选频实现，选频主要使用超高重频种子源(ghz以上)，通过光开关选取特定频率和个数的子脉冲序列，然后经过放大而实现目标脉冲序列。但是，此种方法平均功率高、能量转换效率低且成本较高。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足，本发明提供了一种对低重频和低平均功率激光器脉冲序列进行“编码”控制的方法，在时域上将低重频、低脉冲能量的脉冲序列进行任意组合，实现特定的脉冲包子脉冲个数、子脉冲间隔、脉冲包间隔以及单脉冲能量的脉冲序列，实现脉冲包的“定制化”功能，从而控制超快加工过程中的温度变化，最终对加工温度进行精确控制，提高加工效率及加工质量。
5.具体地，本发明是通过以下技术方案来实现的：
6.第一方面，本发明提供了一种基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工方法，所述方法包括：
7.在时域上将低重频、低脉冲能量的脉冲序列进行任意组合，实现特定的脉冲包子脉冲个数、子脉冲间隔、脉冲包间隔以及单脉冲能量的脉冲序列，从而得到经过控制与设计的超高重频子脉冲序列及微秒级脉冲包间隔的脉冲包，包括：从低重频、低脉冲能量的脉冲序列选取特定个数的脉冲包子脉冲；控制所述脉冲包子脉冲的间隔，得到超高重频子脉冲序列；通过控制每个子脉冲的能量增益，来控制每个子脉冲的能量；
8.利用所述经过控制与设计的超高重频子脉冲序列及微秒级脉冲包间隔的脉冲包
进行脉冲串加工。
9.进一步地，将种子源作为光源，采用非线性偏振旋转技术或可饱和吸收体技术产生所述低重频、低脉冲能量的脉冲序列。
10.进一步地，所述选取特定个数的子脉冲，包括：通过光电开关选取特定个数的脉冲包子脉冲。
11.进一步地，所述控制所述脉冲包子脉冲的间隔，得到超高重频子脉冲序列，包括：通过调节相位延迟装置参数，利用相位延迟装置和合束装置控制所述特定个数的子脉冲的间隔，得到超高重频子脉冲序列。
12.进一步地，所述通过控制每个子脉冲的能量增益，来控制每个子脉冲的能量，包括：通过调节增益介质参数，利用光电调制器和增益介质控制每个子脉冲的能量增益，来控制每个子脉冲的能量。
13.第二方面，本发明提供了一种基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工系统，包括：
14.种子源光源，用于采用非线性偏振旋转技术或可饱和吸收体技术，产生低重频、低脉冲能量的脉冲序列，并通过光电开关选取特定个数的脉冲包子脉冲；
15.相位延迟模块，用于通过调节相位延迟装置参数，控制所述脉冲包子脉冲的间隔，得到超高重频子脉冲序列。
16.光电调制模块，用于通过控制每个子脉冲的能量增益，来控制每个子脉冲的能量，从而得到经过控制与设计的子脉冲序列；
17.飞秒加工系统，利用所述经过控制与设计的超高重频子脉冲序列及微秒级脉冲包间隔的脉冲包进行脉冲串加工。
18.第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面的任一项所述的基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工方法的步骤。
19.第四方面，本发明提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面的任一项所述的基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工方法的步骤。
20.本发明提供了一种对低重频和低平均功率激光器脉冲序列进行“编码”控制的方法，该方法在时域上将低重频、低脉冲能量的脉冲序列进行任意组合，实现特定的脉冲包子脉冲个数、子脉冲间隔、脉冲包间隔以及单脉冲能量的脉冲序列，实现脉冲包的“定制化”功能，从而精确控制超快加工过程中的温度变化，最终实现加工温度的精确控制，提高加工效率及加工质量。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是根据本发明的一个实施例的基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工方
法的流程图；
23.图2是根据本发明的一个实施例的仿真过程中的原始脉冲序列的波形图；
24.图3是根据本发明的一个实施例的仿真过程中的经过相位延迟之后的脉冲序列的波形图和光电调制之后的脉冲序列的波形图；
25.图4是根据本发明的一个实施例的仿真过程中的光电调制之后的脉冲序列的波形图；
26.图5是根据本发明的另一实施例的基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工系统的示意图；
27.图6是根据本发明的又一实施例的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。
29.图1是根据本发明的一个实施例的基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工方法的流程图。参照图1，该方法在时域上将低重频、低脉冲能量的脉冲序列进行任意组合，实现特定的脉冲包子脉冲个数、子脉冲间隔、脉冲包间隔以及单脉冲能量的脉冲序列，从而得到经过控制与设计的超高重频子脉冲序列及微秒级脉冲包间隔的脉冲包，可以包括如下步骤：
30.步骤101：从低重频、低脉冲能量的脉冲序列选取特定个数的脉冲包子脉冲；
31.步骤102：控制所述脉冲包子脉冲的间隔，得到超高重频子脉冲序列；
32.步骤103：通过控制每个子脉冲的能量增益，来控制每个子脉冲的能量；
33.步骤104：利用所述经过控制与设计的超高重频子脉冲序列及微秒级脉冲包间隔的脉冲包进行脉冲串加工。
34.在本实施例中，需要说明的是，在步骤101之前，可以将种子源作为光源，采用非线性偏振旋转技术或可饱和吸收体技术产生低重频、低脉冲能量的脉冲序列，然后在步骤101中通过光电开关从低重频、低脉冲能量的脉冲序列选取特定个数的脉冲包子脉冲。
35.在步骤102中，主要通过相位延迟方法设置特定子脉冲间隔。具体地，通过调节相位延迟装置参数，利用相位延迟装置(例如，偏振分光延迟器件)和合束装置可以精确地控制特定个数的子脉冲的间隔，从而得到超高重频子脉冲序列。
36.在步骤103中，主要通过光电调制器和增益介质来调节脉冲能量。具体地，可以通过调节或控制增益介质参数来精确地控制每个子脉冲能量的增益，进而可以精确控制单个子脉冲能量。
37.图2是仿真过程中原始脉冲序列的波形图，图3和图4分别是经过相位延迟之后的脉冲序列的波形图和光电调制之后的脉冲序列的波形图。在仿真过程中，基于一个脉冲包在不同的子脉冲间隔以及个数时，与铜箔相互作用，模拟电子、晶格的温度变化。其中脉冲序列在时域上重复频率f＝5mhz，脉冲能量为2uj，脉宽为500fs，平均功率为10w，在一个时间周期内，5e6个脉冲包在时域上任意组合，则脉冲包内子脉冲重复频率f0与子脉冲个数n
一定后，则脉冲包在时域上的形式则确定下来，其中脉冲包的重复频率为f1＝f/n。
38.不同脉冲串子脉冲间隔加工时电子、晶格温度变化：模拟仿真的脉冲串子脉冲重频为100ghz、200ghz、500ghz、1000ghz，即是子脉冲时间间隔为10ps、5ps、2ps、1ps四种，脉冲包子脉冲个数50个，脉冲宽度500fs。可以发现脉冲包子脉冲个数20时电子、晶格温度最低。子脉冲频率为1000ghz时，电子、晶格温度最高。
39.不同脉冲包内子脉冲个数加工时电子、晶格温度变化：仿真实验采用的脉冲串子脉冲重频为50ghz，即是子脉冲时间间隔为5ps，脉冲包子脉冲个数20、50、80、100，脉冲宽度500fs。可以发现脉冲包子脉冲个数100时，电子、晶格温度最高。
40.热累积温度与频率变化：利用玻耳兹曼运输方程简化得到的一维双温模型可对电子和声子耦合系统进行研究。在飞秒脉宽作用条件下将双温模型进行简化，并采用有限差分的方法得到表层电子与晶格的温度变化规律，并研究了采用不同脉冲串形式及不同重复频率的加工方式对加工过程温升的影响。实验以300nm厚的铜为例对其进行了模拟分析，平均功率不变，模拟重复频率51.5khz、脉冲能量为200uj，重复频率85khz、脉冲能量为120uj，重复频率125khz、脉冲能量为80uj三组不同脉冲包的表面加工平衡温度，可以发现模拟重复频率51.5khz、脉冲能量为200uj组的热累积温度最低，重复频率125khz、脉冲能量为80uj组的热累积温度最高。
41.加工效果对比：通过对比重复频率51.5khz、脉冲能量为200uj，重复频率85khz、脉冲能量为120uj，重复频率125khz、脉冲能量为80uj三组不同脉冲包的加工效果，可以发现，低重频、大能量的脉冲包加工效果最好，从而验证了本发明的可行性
42.综上所述，本发明可以通过对脉冲包重频、子脉冲重频以及单脉冲能量的控制，从而控制加工过程中材料的温度变化，可以提高加工效率及加工效果，降低激光器的平均功率，降低超快加工的成本；脉冲包设计可以避免超快加工过程中等离子体云的形成，并提高能量利用效率。
43.进一步地，图5是根据本发明的又一实施例的基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工系统的示意图。参照图5，基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工系统可以包括：种子源光源501，用于采用非线性偏振旋转技术或可饱和吸收体技术，产生低重频、低脉冲能量的脉冲序列，并通过光电开关选取特定个数的脉冲包子脉冲；相位延迟模块502，用于通过调节相位延迟装置参数，控制所述脉冲包子脉冲的间隔，得到超高重频子脉冲序列；光电调制模块503，用于通过控制每个子脉冲的能量增益，来控制每个子脉冲的能量，从而得到经过控制与设计的子脉冲序列；飞秒加工系统504，利用所述经过控制与设计的超高重频子脉冲序列及微秒级脉冲包间隔的脉冲包进行脉冲串加工。
44.由于本发明实施例提供的基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工系统，可以用于执行上述实施例所述的基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工方法，其工作原理和有益效果类似，故此处不再详述，具体内容可参见上述实施例的介绍。
45.在本实施例中，需要说明的是，本发明实施例的系统中的各个模块可以集成于一体，也可以分离部署。上述模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
46.基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种电子设备，参见图6，所述电子设备具体包括如下内容：处理器601、存储器602、通信接口603和通信总线604；其中，所述处理器601、存储器602、通信接口603通过所述通信总线604完成相互间的通信。
47.所述处理器601用于调用所述存储器602中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述过程：在时域上将低重频、低脉冲能量的脉冲序列进行任意组合，实现特定的脉冲包子脉冲个数、子脉冲间隔、脉冲包间隔以及单脉冲能量的脉冲序列，从而得到经过控制与设计的超高重频子脉冲序列及微秒级脉冲包间隔的脉冲包，包括：从低重频、低脉冲能量的脉冲序列选取特定个数的脉冲包子脉冲；控制脉冲包子脉冲的间隔，得到超高重频子脉冲序列；通过控制每个子脉冲的能量增益，来控制每个子脉冲的能量；利用经过控制与设计的超高重频子脉冲序列及微秒级脉冲包间隔的脉冲包进行脉冲串加工。
48.可以理解的是，所述计算机程序可以执行的细化功能和扩展功能可参照上面实施例的描述。
49.基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述过程：在时域上将低重频、低脉冲能量的脉冲序列进行任意组合，实现特定的脉冲包子脉冲个数、子脉冲间隔、脉冲包间隔以及单脉冲能量的脉冲序列，从而得到经过控制与设计的超高重频子脉冲序列及微秒级脉冲包间隔的脉冲包，包括：从低重频、低脉冲能量的脉冲序列选取特定个数的脉冲包子脉冲；控制脉冲包子脉冲的间隔，得到超高重频子脉冲序列；通过控制每个子脉冲的能量增益，来控制每个子脉冲的能量；利用经过控制与设计的超高重频子脉冲序列及微秒级脉冲包间隔的脉冲包进行脉冲串加工。
50.可以理解的是，所述计算机程序可以执行的细化功能和扩展功能可参照上面实施例的描述。
51.基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种计算机程序产品，所计算机程序产品包括有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述过程：在时域上将低重频、低脉冲能量的脉冲序列进行任意组合，实现特定的脉冲包子脉冲个数、子脉冲间隔、脉冲包间隔以及单脉冲能量的脉冲序列，从而得到经过控制与设计的超高重频子脉冲序列及微秒级脉冲包间隔的脉冲包，包括：从低重频、低脉冲能量的脉冲序列选取特定个数的脉冲包子脉冲；控制脉冲包子脉冲的间隔，得到超高重频子脉冲序列；通过控制每个子脉冲的能量增益，来控制每个子脉冲的能量；利用经过控制与设计的超高重频子脉冲序列及微秒级脉冲包间隔的脉冲包进行脉冲串加工。
52.可以理解的是，所述计算机程序可以执行的细化功能和扩展功能可参照上面实施例的描述。
53.此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所
述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
54.以上所描述的装置实施例仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
55.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的基于飞秒脉冲编码控制与设计的脉冲串加工方法。
56.此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
57.此外，在本发明中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
58.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。