随着科学技术与生产的发展,微孔在表面微纳结构、微流体装置、微传感器、航天、航空、汽车、生物、医学等领域得到了广泛的应用,微孔零件在现代科学技术中扮演的角色越来越重要。随着机械产品性能的不断提高,对微孔的质量以及精度等方面提出了越来越高的要求;除此之外微孔也被应用到高温合金、硬质合金、陶瓷、金刚石等高硬度、高韧性、高耐磨性的难加工材料中,如航空发动机涡轮叶片上的气膜冷却孔。微孔加工技术面临着迫切的需求,科研人员在完善传统的加工技术的同时不断开拓创新,探求出一些新的微孔加工的方法。不同于传统的微孔加工方法,飞秒激光具有超快、高能量密度和非线性等特点,再加上飞秒激光加工属于非接触的加工,这使得飞秒激光微孔加工具有材料范围广、热影响区小、精度高、质量高等特点,并在金属材料微孔加工方面展现出了巨大的潜力。本文针对于国家重大需求中对于在难加工金属材料上加工大孔径、高质量的垂直微孔为背景,结合国内外微孔加工的发展情况,将飞秒激光脉冲序列应用于大孔径垂直微孔的加工中。在大量实验的基础上,揭示飞秒激光烧蚀金属材料形成的微孔的加工过程中规律以及主要加工参数对于微孔加工的影响机理,从而能够帮助进一步优化飞秒激光微孔加工的工艺方法,提升微孔加工的可控性,拓展微孔孔径范围并降低微孔的锥度,为我国未来重大应用提供了强有力的技术支持。本论文的主要工作内容以及创新点如下:1、本论文在飞秒激光传统脉冲的基础上,用飞秒激光脉冲序列(双脉冲)对金属材料进行烧蚀加工,双脉冲意为由分束镜将一个激光脉冲分成两个子脉冲,子脉冲脉冲延时可以控制在飞秒量级,通过对加工过程中能量传输的调控,以调控金属材料的相变过程,可有效降低加工过程中的热效应,进而提高微孔的质量。2、在实验的基础上,比较系统地研究了在金属材料上用飞秒激光叩击式制备微孔的方法并着重研究了微孔孔径及锥度的变化规律。通过对加工结果的表征以及对于微孔加工结果的规律分析,探索了飞秒激光与金属材料相互作用过程中主要参数(飞秒激光能量、离焦量、脉冲个数、双脉冲延时)对于烧蚀面积以及微孔锥度的影响规律。相对于飞秒激光传统脉冲,飞秒激光脉冲序列烧蚀金属材料,想同能量下得到的微孔直径跟微孔锥度更小;微孔锥度随着飞秒激光(双脉冲)脉冲延时呈震荡减小趋势,增加飞秒激光(双脉冲)脉冲延时,能够有效降低微孔锥度。3、叩击式微孔加工,微孔直径有一定的局限,而且微孔的直径主要取决于激光能量,较大的微孔锥度是另外一个不足之处。针对于直径较大的微孔,在研究叩击式微孔加工的基础上,采用实验室的六维平移台的螺旋扫描功能,使得激光相对与材料产生一个圆轨迹运动,并研究了传统脉冲螺旋扫描微孔加工中改变主要参数(激光能量、扫描半径、步距、扫描速度、扫描深度、层间隔深度)得到的微孔锥度变化规律:改变扫描速度能够使金属材料的同位置累积更多的激光脉冲,多脉冲的积累可以降低金属材料的烧蚀率,使得金属材料去除量增大;降低层间隔深度能够将激光能量密度最强的焦点在微孔内部停留更长的时间,能够对材料产生更强烈的烧蚀,加工得到的微孔锥度小于5°。当激光能量30mW,扫描半径为40μm,扫描速度10μm/s,层间隔深度为10μm时,加工得到的微孔孔径约为170μm,微孔锥度约为3.93°。4、微孔出口处复杂的加工环境是影响微孔出口质量的重要原因,创新性设计了一种飞秒激光螺旋扫描微孔加工新方法并与飞秒激光脉冲序列结合起来。将螺旋扫描微孔加工过程分为三个阶段,先导孔阶段叩击式钻孔形成通孔,扩孔阶段通过螺旋扫描增加微孔的出口直径,都为优化第三个加工过程中的加工环境做了铺垫,使得在休整微孔锥度的加工过程中,减小了环境对于加工过程的影响,增强了飞秒激光脉冲与金属材料的相互作用,能够去除更多的金属材料,增加微孔出口直径,提高微孔出口的加工质量以及圆度,优化微孔锥度。在激光能量100mW,扫描半径为100μm,扫描速度20μm/s,层间隔深度为10μm,脉冲延时为5ps时加工得到的微孔孔径约为270μm,微孔锥度达到3.48°。