为实现孔径和锥度可调的微孔加工，设计研制了一种基于双振镜组联动与Z轴上下移动的五轴四联动激光旋切系统。建立了微孔激光旋切物理模型，首先利用边缘轮廓确定微孔形状，再通过分层回型填充方法确定每个激光作用点的位置；然后基于聚焦光束不被遮挡和振镜偏转整体运动量少的原则，确定四个振镜的偏转角度；通过改变边缘轮廓端点数据，可分别实现方孔尺寸和锥度的灵活可控。采用15 W紫外皮秒激光器、两套相同的振镜和焦距为32 mm的远心透镜，配合三维平移工作台，搭建了激光旋切硬件系统，自主开发了多边形激光旋切控制软件。实验采用分层降焦打孔的方式，在厚度为250 μm的氮化硅材料上实现了55 μm×55 μm规格的正锥、零锥、负锥方形微孔的加工，并且还实现了不同孔径（30~80 μm）零锥方形微孔和三角形、五边形、六边形等其他形状微孔的加工。

飞秒激光加工具有精度高、无污染、材料适用性广、热效应小等特点，在加工微光学元件方面有着独特的优势。通过对飞秒激光进行时间和空间整形，调控电子动态及其后续的电子-声子作用过程，能够有效提高加工精度和加工效率，解决微光学元件在实际加工中的质量和成本问题。本文以微透镜、光栅和波带片为例，综述了常见微光学元件的飞秒激光加工现状，介绍了时空整形飞秒激光调控电子动态的基本原理，总结了飞秒激光进行时空整形的主要实现途径，展示了这些方法在加工微光学元件上的典型应用和研究进展，最后分析讨论了时空整形飞秒激光用于加工微光学元件所面临的挑战和今后的研究重点。

微孔作为一种常见结构，被广泛应用于生物医疗、航空航天、三维封装等领域。飞秒激光具有的超短脉冲持续时间和超高峰值功率特性使其在高质量微孔加工方面具有独特优势。本文综述了近年来飞秒激光时空整形微孔加工方法及其应用，包括飞秒激光时空整形方法、时域/空域整形的电子动态调控微孔加工以及微孔在增透减反、切割以及油水分离、雾气收集、气体收集等方面的应用，并讨论了时空整形飞秒激光微孔加工目前所面临的挑战和未来研究方向。

针对采用激光加工涡轮叶片等薄壁腔体微孔时存在背伤的问题,采用填充材料阻隔法切断激光能量传输路径的方式进行背伤防护。研究了激光能量密度、激光束扫描速度以及离焦量等加工参数对背伤的影响规律。通过品质关键因素(CTQ)验证实验优选6种可行的背伤防护材料:聚氨酯(PUR)、流动聚丙烯酰胺(PAM)、石蜡、石墨、二氧化硅(SiO₂)、碳化钨(WC)。选择PUR、PAM和石蜡三种防护材料填充7075铝合金薄壁腔体,进行微孔激光加工背伤防护实验研究。研究表明,填充防护材料的激光加工背伤坑深度相比未填充防护材料时有了大幅降低,流动PAM的背伤防护效果比PUR和石蜡的更好。当PAM的流速达到3.0 m/s时,所有0.5~3 mm间距的型腔在加工50 s以内都没有出现背伤。该研究成果可为后续进行激光打孔状态实时监测并及时关停激光的背伤防护方法提供依据,为实现涡轮叶片等薄壁腔体微孔的无背伤加工提供基础。

硬脆和复杂结构材料上的微孔加工是超快激光的主要应用之一。超快激光微孔加工的质量和加工效率受单脉冲能量、频率、脉宽、偏振等光束特性以及加工方式、被加工材料、辅助方式等多个因素的综合影响。不同的工艺参数组合将导致不同的孔圆度、孔锥度、加工缺陷以及侧壁和孔边缘的表面质量,对工艺参数进行研究是超快激光微孔加工的核心问题之一。本文从光束特性、加工及辅助方式、材料特性等方面综述了目前超快激光微孔加工工艺的研究进展,总结并对比了不同研究中对同一工艺参数的研究结果。最后,提出了目前研究存在的不足并展望了今后提升效率和加工质量的方向。

孔径和锥度的控制是超快激光微孔加工面临的难点之一,旋光钻孔是控制孔径和锥度的有效手段。因此,针对道威棱镜旋光钻孔系统,首先,从几何光学的角度研究了聚焦后激光出射角度和光斑旋转直径与可平移反射镜位置、楔形棱镜旋转角之间的关系。然后,利用CCD相机分别测量实际光斑在焦平面、焦平面上下±250 μm处的旋转直径,并在厚度为0.5 mm的黄铜板上进行钻孔实验,得到深径比为6∶1、锥度为-2.6°~2.3°的微孔。对比实验得到的微孔出入口直径与CCD相机的测量结果,得到孔径、锥度与光束旋转角之间的关系。结果表明,孔径主要由楔形棱镜旋转角决定,调整可平移反射镜的位置可得到不同锥度的微孔;激光能量的变化会影响材料的去除,因此,焦点位置、激光平均功率以及光斑重叠率也会在小范围内影响孔径和锥度。

采用Nd:YAG激光器对硼磷合金铸铁缸套试样进行激光微孔加工。研究了激光能量密度, 脉冲次数, 重复频率和聚焦条件等参数对微坑几何形貌的作用规律, 采用3D共聚焦显微镜及扫描电镜观察分析了微坑表面形貌和尺度随激光参数的变化。发现随着激光能量密度和脉冲次数的增加, 微坑的直径和深度均逐渐增大, 但增大幅度随能量密度增加而逐渐减小; 微坑直径随激光重复频率的增加而减小, 随着负离焦量的增加而增加; 微坑深度随负离焦量呈先增加后减小的趋势。对激光辐照硼磷合金铸铁的烧蚀阈值进行计算, 在单脉冲辐照条件下硼磷合金铸铁的烧蚀阈值为8.4 J/cm2, 脉冲次数对材料的烧蚀阈值产生累积效应, 烧蚀阈值随脉冲数量增加而减小, 累积系数为0.87。

飞秒激光加工技术是一种新型的材料微加工技术, 该技术在航空航天、生物医疗、电子制造等领域有广泛的应用前景。飞秒激光微孔加工技术可以用于航空发动机气膜冷却孔和无痛注射微针等的加工。但是加工质量和效率是制约该技术广泛应用的主要因素。实验研究了Burst模式和单脉冲模式条件下、不同脉冲能量时的微孔加工效果, 并观察了孔的微观形貌。结果表明, 增加能量对提高孔的大小和深度有利, 但不利于提高孔的圆度; 相比单脉冲模式, Burst模式下, 增加Burst内脉冲数, 孔变小变浅, 且圆度变差; 孔内壁上有出现亚微米波纹结构, 波纹上有纳米颗粒, 而孔口边缘出现烧蚀沉积。

针对准分子激光加工PMMA薄板上的微孔形貌进行研究, 首先分析了激光脉冲数目对微孔深度的影响, 进一步探究了激光脉冲数、激光单脉冲能量和激光脉冲频率等参数对微孔锥度的影响。利用光学显微镜和扫描电镜对打孔效果进行观察, 结果表明, 在一定范围内, 微孔深度随激光脉冲数目线性增加, 而微孔锥度随激光脉冲数目线性降低, 微孔锥度随激光单脉冲能量线性降低, 且影响效果显著; 激光脉冲频率对微孔锥度无影响。通过合理选择激光脉冲个数, 适当选择较低的单脉冲能量, 可以得到较大深度和一定锥度且加工质量良好的锥形微孔。