CN102837128B - 采用液晶光阀整形的激光直写加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光直写加工的方法及装置，属于激光加工技术领域。该装置是由激光光源、反射镜组、前整形透镜组、液晶光阀、后整形透镜组、聚焦透镜、被加工材料、反射镜或者多面旋转反射镜构成的一个激光加工装置。所述的激光光源用来产生加工用的激光，加工用激光经过前透镜组扩束后，再经过液晶光阀整形，最后经过后透镜组扩束并汇聚到加工材料上，实现激光直写加工。本发明的加工装置可以在高速直写加工的同时满足特殊加工形状的需求，并能够实现宽范围的激光直写加工，具有很好的实际意义。

Description

采用液晶光阀整形的激光直写加工系统

技术领域

本发明涉及一种新型加工系统，特别是涉及一种激光直写加工的方法及装置，属于激光加工技术领域。

背景技术

激光直写是将激光聚焦在材料上，通过高温烧蚀，在被加工材料表面加工出所需图案的激光加工技术。现有的激光直写技术通常是通过将激光汇聚到一点实现加工。通过控制汇聚点的精确的、有规律的移动，直写出所需要的图形。但是受到激光烧蚀时间、聚焦点移动速度的影响，这种直写方案的效率低，加工成本高。

液晶光阀作为一种整形器件，能够实现对注入激光束的精确整形。液晶光阀是在两片透明电极基板之间充入10微米左右厚的向列扭转液晶，使液晶分子的长轴在基板间发生90°的扭曲。向列扭转液晶(twisted nematic liquid crystal，TNLC)分子材料没有电压加载时，光经过光阀后偏振态被旋转90°，如果有电压加载在向列扭转液晶上，分子的取向受到外加电场的影响，而通过光的偏振态会沿着分子取向而改变。这就使得外加电压能够精确控制透过光的偏振态。将这一结构放在两个正交的偏振片之间，就可以实现激光振幅的调制。液晶光阀就是由上述整形微元构成的阵列，每个微元的长和宽均在10微米至40微米之间，阵列横向包括紧密排布的1至2048个微元，纵向也可以包括1至2048个微元，这样的一个阵列可以将光束细分成微元数目的子光束，实现对光束的精确调制。通过快速更换加载的整形图形，可以对直写激光的能量(功率)分布进行整形，并且整形的速度可以达到微秒量级。液晶光阀包括透射式和反射式两种。透射式液晶光阀是对入射光束调制并散射和反射不必要的光，在透射方向上形成所需要的图形；反射式液晶光阀是对入射光束调制并散射不必要的光，在反射方向上形成所需要的图形。

微镜阵列(Digital micromirror array)基本结构是用微机电系统控制微小反射镜的反光位置，实现对图形的编码。每一个小镜子可以被控制朝向不同的方向，来调整反射后光的强度和方向。主要参数是每个微元的长和宽均在10微米至40微米之间，旋转时间小于10微秒，最大旋转角度20°，每个微镜阵列横向可以包括紧密排布的1至2048个微元，纵向也可以包括1至2048个微元。

在现有专利中，针对液晶光阀本身专利很多，比如美国专利US005283676A，阐述了一种液晶光阀的结构，主要是针对液晶光阀本身技术方案的保护；统宝光电股份有限公司申请的中国发明专利200410008599.X阐述了一种反射式液晶光阀结构。在激光直写方面，国内外也有一些专利，比如：中芯国际集成电路制造(上海)有限公司的中国专利200610030624.3保护了一种通过齿形反射镜折叠光束进行激光直写的装置及方法。但是在激光直写设备中采用液晶光阀整形在国内外的专利检索中并没有相关的专利，而本发明成功的实现了宽幅高速激光直写加工，能够快速调节来满足复杂图形直写的需求，具有很好的实际应用意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型的激光直写加工技术方案，通过置于系统内部的液晶光阀作为整形器件，实时控制加工光斑的大小，实现对加工槽(孔)的尺寸和侧壁倾角的精确控制。

本发明的目的是这样实现的：

本发明涉及的激光直写技术方案，如图1和图2所示，包括：激光光源1；一个反射镜组2；前整形透镜组3；液晶光阀4；后整形透镜组5；聚焦透镜6；被加工材料7；反射镜或者多面旋转反射镜8。

在所述的技术方案中，所述的激光光源1用来产生加工用的激光。

在所述的技术方案中，所述的反射镜组可以添加在激光直写装置的各个所需的位置，用来将所述的激光光源发出的光进行折转。

在所述的技术方案中，所述的前整形透镜组3用来对所述的激光光源发出的光进行初步整形，使所述的激光光源变成适当直径的平行光束。

在所述的技术方案中，所述的液晶光阀4置于所述的整形透镜组之后，用来对加工激光束进行实时的调制，满足加工需求。

在所述的技术方案中，所述的后整形透镜组5置于所述的液晶光阀之后，用来调整加工激光束的光学参数，满足加工需求。

在所述的技术方案中，所述的反射镜或者多面旋转反射镜8置于所述的后整形透镜组5之后，用来控制加工激光的汇聚位置。

在所述的技术方案中，所述的聚焦透镜6置于所述的反射镜或者多面旋转反射镜8之后，反射泵浦光和受激辐射产生的信号光，汇聚加工激光。

本发明与已有技术相比具有如下的优点：

通常的加工系统，不能够在一次扫描轨迹上加工变化的图形，而通过液晶光阀控制加工光斑的形状和能量(功率)分布，可以实现任意组合图形的加工，可以通过控制液晶光阀上面的透过光斑形状实现对加工凹槽侧壁陡峭程度的处理。

附图说明

图1是激光直写加工装置的技术方案原理图之一。

图2是激光直写加工装置的技术方案原理图之二。

图3是液晶光阀上加载的周期条纹结构。

图4是加载条纹结构时的加工效果。

图5是液晶光阀上加载的变边缘轨迹条纹结构。

图6是加载的变边缘轨迹条纹结构的加工效果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例将对本发明进一步详细说明。

实施例1

参考图1，制作一个包含液晶光阀实时整形的激光直写装置。该装置选用的激光光源1为Coherent公司生产的一个皮秒脉冲激光器，脉冲宽度15ps，脉冲重复频率15kHz。该激光光源1形成的输出通过反射镜组2进行光束的折转，反射镜组2包括3片反射镜，将激光光源1发出的激光折转到所需要的位置和角度，从中心通过前整形透镜组3。前整形透镜组3包括2片凸透镜和1片凹透镜，将激光光源1发出的激光扩束到直径15mm。从前整形透镜组3出射的直径15mm的激光束照射在液晶光阀4上。液晶光阀4为SONY公司的LCX016AL-6型透射液晶光阀产品，可用面积26.6mm×20.0mm，包含像素832×624个，像素间隔32微米。液晶光阀4上面加载周期为5mm的明暗相间的竖条纹，其中明暗条纹的占空比为50％。明条纹上的透过率设置为最大，暗条纹的透过率设置为最低，如图3所示。这样透过液晶光阀4的激光光束就被调制成为周期5mm的条纹。从液晶光阀4出射的激光束进入后整形透镜组5。后整形透镜组5包括1片凸透镜和1片凹透镜，将光束进一步扩束达到直径50mm。出射加工激光束再经过在本实施例中为反射镜的反射镜或者多面旋转反射镜8反射，经过聚焦透镜6汇聚到加工面上，将液晶光阀上的图像按照50：1缩束成像在加工面上。在实际的加工过程中，被加工材料7可以被每次沿垂直光斑条纹方向移动或者沿平行光斑条纹方向移动。在加工过程中，被加工材料7先沿着平行光斑条纹方向移动，加工出宽的条纹，然后再沿着垂直光斑条纹方向移动一定距离(比如3mm)，然后再沿着平行光斑条纹方向移动，加工出新的一组条纹，然后再沿着垂直光斑条纹方向移动一定距离(比如依然是3mm)，这样就可以快速的直写出大面积的所需要的结构。在直写过程中，周期型条纹可以实时的改变，配合被加工材料7的适当移动速度，就能够实现不同的加工效果。加载在液晶光阀上的条纹如果周期不同，就能够加工出不同的图形。比如在液晶光阀上加载如图5的图案，并且适当控制各个点的透过率，就会加工出不同边缘倾斜角度的凹槽。比如图5中31、32、33三个加载在液晶光阀4上不同的图形，就对应不同的加工边缘效果，其边沿效果如图6所示。

实施例2

参考图2，制作一个包含液晶光阀实时整形的激光直写装置。该装置选用的激光光源1为北京国科世纪激光技术有限公司生产的一个脉冲激光器，脉冲宽度20ns，脉冲重复频率1kHz。该激光光源1形成的输出通过反射镜组2进行光束的折转，反射镜组2包括2片反射镜，将激光光源1发出的激光折转到所需要的位置和角度，从中心通过前整形透镜组3。前整形透镜组3包括2片凸透镜和1片凹透镜，及其整形光阑。将激光光源1发出的激光整形到20mm×15mm，并消除像差。从前整形透镜组3出射的激光束照射在液晶光阀4上。液晶光阀4为SONY公司的反射型液晶光阀，可用面积13.6mm×10mm，像素间隔32微米。这里的反射型液晶光阀也可以替换成德州仪器公司生产的微镜阵列产品。液晶光阀4上面加载一个图片，控制液晶光阀上各个微元的透过率与图像的灰度值相同。这样透过液晶光阀4的激光光束就被调制成了图像的能量分布。从液晶光阀4出射的激光束经过反射镜折转后进入整形透镜组5。后整形透镜组5包括1片凸透镜和1片凹透镜，将光束扩束并汇聚到达200毫米以外。反射的加工激光束再经过在本实施例中为多面旋转反射镜的反射镜或者多面旋转反射镜8反射，汇聚到加工面上，将液晶光阀上的图像按照5∶1缩束成像在加工面上。在实际的加工过程中，被加工材料7可以被每次沿垂直光斑条纹方向移动或者沿平行光斑条纹方向移动。在加工过程中，多面旋转反射镜8旋转，控制加工点在加工材料7上移动，加工所需要的图案。

Claims (9)

1.一种采用液晶光阀整形的激光直写系统，包括：激光光源；反射镜组；前整形透镜组；液晶光阀；后整形透镜组；聚焦透镜；被加工材料；反射镜；

其中，所述的激光光源用来产生加工用的激光；

其中，所述的反射镜组设置于激光直写系统的各个所需的位置，用来将所述的激光光源发出的光进行折转；

其中，所述的前整形透镜组用来对所述的激光光源发出的光进行初步整形，使所述的激光光源变成平行光束；

其中，所述的液晶光阀置于所述的前整形透镜组之后，用来对加工激光束进行实时的调制，满足加工需求；

其中，所述的后整形透镜组置于所述的液晶光阀之后，用来调整加工激光束的光学参数，满足加工需求；

其中，所述的反射镜置于所述的后整形透镜组之后，用来控制加工激光的汇聚位置；

其中，所述的聚焦透镜置于所述的反射镜之后，汇聚加工激光。

2.按权利要求1所述的激光直写系统，其特征在于：

所述的激光光源为脉冲宽度为1飞秒至1秒的激光器，或低功率的连续激光器；

所述的反射镜组包含1至20个反射镜，用来折转激光到所需要的位置；

所述的前整形透镜组包含1至20个透镜，用来将激光束进行扩束和准直；所述的前整形透镜组包含凹透镜、凸透镜、平面透镜、非球面透镜、微透镜阵列；所述的前整形透镜组在实现扩束和准直的同时还具有消除像差的功能。

3.按权利要求1所述的激光直写系统，其特征在于，所述的液晶光阀通过在各个微元加载不同的透过率实现对用于激光直写激光光束的输出光斑调制；所述的液晶光阀将光斑调制成周期性的条纹，实现1至10mm范围的一次性直写；这些周期性的条纹为矩形、梯形或者曲线边缘的图形之一，来保证加工出凹槽的横截面形状和侧壁陡峭程度。

4.按权利要求3所述的激光直写系统，其特征在于，同时控制所述的液晶光阀与被加工材料二者的移动、只控制液晶光阀的移动或者只控制被加工材料的移动，实现直写激光光束从被加工材料表面扫过，同时形成多个被加工的痕迹；在加工过程中控制液晶光阀上各个点的透过率，实现不同激光强度的加工，来保证被加工痕迹的深度和形状。

5.按权利要求4所述的激光直写系统，其特征在于，所述的液晶光阀为透射式液晶光阀或反射式液晶光阀，其中，所述透射式液晶光阀的整形阵列面垂直于光束放置，所述反射式液晶光阀与入射激光光束方向成一定角度，将入射激光光束调制并反射到后整形透镜组所在的位置。

6.按权利要求1所述的激光直写系统，其特征在于，所述的后整形透镜组包含1至20个透镜，在将加工激光缩束汇聚到被加工材料表面上的同时，还能够将液晶光阀面上的光斑成像 在加工面上，保持成像图形与液晶光阀对光束调制结果相同。

7.按权利要求1所述的激光直写系统，其特征在于，所述的被加工材料受控上下左右移动，来保证直写激光束在被加工材料上汇聚的大小和时间长短。

8.按权利要求2所述的激光直写系统，其特征在于，置于所述的后整形透镜组之后的反射镜为多面旋转反射镜，所述多面旋转反射镜受控移动或旋转，来控制直写激光束在被加工材料上汇聚的位置和时间长短，结合液晶光阀上的透过光斑形状，实现变化图形的加工。

9.按权利要求1所述的激光直写系统，其特征在于，所述的液晶光阀为微镜阵列，实现对光束的强弱控制、整形控制。