CN103801838B - 一种变线宽激光振镜扫描快速刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变线宽激光振镜扫描快速刻蚀方法，本发明利用激光束离焦后功率密度梯度变小光斑变大的原理以及高速振镜扫描误差精确矫正方法，通过设置不同的在焦和离焦激光加工距离及对应功率参数和激光振镜扫描参数来控制激光光斑大小，对图形填充区采用离焦后的大光斑光栅扫描填充，然后对图形轮廓进行矢量扫描勾勒。本发明针对不同的工作距离预先进行振镜扫描误差矫正，生成高精度振镜扫描定位表，确保在不同激光加工距离获得同等高精度的振镜扫描定位效果。本发明能实现不同粗细线宽图形的快速精密刻蚀，兼顾了刻蚀精度和加工速度，可广泛应用于平面刻蚀系统和三维激光刻蚀系统，提高装备的加工效率。

Description

一种变线宽激光振镜扫描快速刻蚀方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，涉及激光振镜扫描精密加工技术，具体为一种变线宽激光振镜扫描快速刻蚀方法。

背景技术

在激光先进制造领域，人们越来越多地通过将激光振镜扫描加工头串接到机器人或机床运动轴上组成更为灵活的三维激光加工系统，以完成更复杂的三维激光加工功能。如公开号为CN201881047U发明名称为“一种多轴数控激光加工装置”的中国专利文献，通过将激光加工头并接到数控机床的末端，从而完成对更大尺寸零件的加工。专利申请号为CN102151984A发明名称为“一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置”的中国专利，通过将具备两轴激光振镜和Z轴移动的激光加工头并接到五轴联动机床，完成对自由曲面的表面激光加工。

然而通常的激光精密刻蚀加工方法是对利用焦点处的最小光斑来对零件表面进行刻蚀。如公开号为CN101138926A，发明名称为“一种仿形激光雕刻加工方法及其激光雕刻机”的中国专利文献，通过PID控制激光头的位置，确保激光焦点位于被加工零件表面，实现对异型材料进行激光切割和雕刻。公开号为CN101419336A，发明名称为“一种振镜多激光三维扫描系统”的中国专利文献，通过固定在可沿Z轴方向上下移动的Z轴移动机构的扫描聚焦透镜以调节激光聚焦点在Z轴方向的位置，实现三维立体加工功能。公开号为CN101786200A，发明名称为“一种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法”的中国专利文献，利用激光振镜和三轴坐标定位技术相结合，基于激光加工在聚焦镜焦深范围内光斑形状尺寸、能量分布等加工特性保持不变的特点，实现自由曲面上的投影式激光刻蚀方法。公开号为CN103358028A，发明名称为“水射流激光刻划脆性材料超薄片的方法及系统”的中国专利文献，利用水射激光刻划脆性材料超薄片的方法，激光束聚焦于工件表面进行加工。公开号为CN103358027A，发明名称为“水射流和气流复合辅助激光加工的方法和系统”的中国专利文献，也是利用水射流束气体的扩张，将激光束聚焦于工件表面进行刻蚀加工。

但是随着激光器功率的提高，激光器能量密度越来越高，利用激光焦点对一些多层复合材料进行加工刻蚀时激光功率密度不能太大，否则容易损伤基底材料。如何充分利用大功率激光器的能量提高激光加工效益一直是激光先进制造技术领域的前沿课题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种变线宽激光振镜扫描快速刻蚀方法及装置，目的在于利用振镜反射聚焦后的高斯激光束焦点附近不同宽度的激光“刀锋”实现更快速高效的精密激光刻蚀(变锋光刻)。

本发明提供的一种变线宽激光振镜扫描快速刻蚀方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)将要刻蚀的图案制作成图形文件，并设置图形的激光刻蚀线宽，确定其对应的激光加工距离及其激光功率和振镜扫描参数；

(2)将待加工工件放置在激光刻蚀的工作平台上并定位；

(3)通过控制系统移动激光加工头与工件表面相对距离到某一激光刻蚀线宽对应的激光加工距离处，调用该激光加工距离对应的激光功率和振镜扫描参数以及振镜扫描定位表，精确控制振镜扫描图形文件中对应该激光刻蚀线宽的图形，线条图形直接采用矢量扫描，填充图形的刻蚀路径采用光栅扫描；

(4)通过控制系统调整激光加工头到下一激光刻蚀线宽对应的激光加工距离处，调用对应的振镜扫描参数和激光功率参数以及振镜扫描定位表，对该激光加工距离处的所有加工图形进行扫描刻蚀；

(5)重复步骤(4)直至所有图形全部加工完毕。

本发明提供的变线宽激光振镜扫描快速刻蚀装置，其特征在于，该装置包括激光器、导光系统、激光加工头、工作台、控制系统和上下移动机构；

工作台安装在上下移动机构上，控制系统用于控制激光器和激光加工头工作；激光加工头由X轴扫描振镜、Y轴扫描振镜和扫描聚焦透镜组成；

激光器工作时，发出激光束，激光束经导光系统通过X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜，经聚焦透镜汇聚到工作台上的待加工工件的表面；控制系统控制上下移动机构以调节激光加工头与待加工工件表面之间的激光加工距离。

本发明所述的激光离焦刻蚀方法具有如下有益效果：

(1)利用振镜反射聚焦后的高斯激光束焦点附近不同激光束宽进行不同粗细线宽精密刻蚀，提高了设备的加工灵活性和加工效率。

(2)通过在不同激光加工距离处进行振镜扫描误差矫正行程精确的振镜扫描定位表，实现了多工作距离处的激光束的精确扫描定位，保证了不同离焦位置处振镜扫描激光束的定位精度相同。

(3)对图形填充区采用离焦后的大光斑光栅扫描填充提高了刻蚀速度，在相同的刻蚀区域内用不同线宽激光束填充扫描刻蚀次数对比如图4a和图4b所示。而且通过对图形轮廓进行矢量扫描勾边保证了边沿刻蚀精度，这样既加快了填充速度又保证了图形边界的光滑度。

(4)通过离焦降低了激光束功率密度梯度，使刻蚀线条边界温度梯度减小，对容易崩边的材料具有加工工艺优势。

(5)本发明可以与多轴数控机床和工业机器人技术相结合，提高平面和三维激光加工系统加工能效。

总之，本发明兼顾了刻蚀精度和加工速度，可广泛应用于平面刻蚀系统和三维激光投影式刻蚀系统，提高装备的加工效率。

附图说明

图1为本发明提供的多线宽激光刻蚀加工流程图。

图2为本发明装置提供的一种具体实施方式的结构示意图；

图3a为功率补偿前光斑半径为束腰2倍处的激光功率密度分布与束腰位置的激光功率密度分布对比示意图；

图3b为功率补偿后光斑半径为束腰2倍处的激光功率密度分布与束腰处功率密度分布对比示意图；

图4a和图4b分别为不同线宽激光扫描填充刻蚀相同区域对比图；

图3a中参数说明：波长1064nm，激光功率10W，焦斑半径14.4μm，最大功率密度为3.07×10⁶W／cm²；离焦位置1.06mm处光斑半径为28.8μm，激光功率10W时，最大功率密度为7.675×10⁵W／cm²。

图3b中参数说明：波长1064nm，激光功率10W，焦斑半径14.4μm，最大功率密度为3.07×10⁶W／cm²；离焦位置1.06mm处光斑半径为28.8μm，激光功率补偿到40W时，最大功率密度为3.07×10⁶W／cm²。

图4a中，线宽w1对应填充扫描次数n₁＝h／W₁，图4b中，线宽w2对应填充扫描次数n₂＝h／w₂。

具体实施方式

本发明利用激光束离焦后功率密度梯度变小光斑变大的原理以及高速振镜扫描误差精确矫正方法，对图形填充区采用离焦后的大光斑光栅扫描填充，然后对图形轮廓进行矢量扫描勾勒。本发明通过设置不同的在焦和离焦激光加工距离及对应功率参数和激光振镜扫描参数来控制激光光斑大小，通过理论计算和实验测试对离焦后大尺寸激光光斑总功率进行补偿，以保证离焦大光斑的激光能量密度满足材料刻蚀阈值。

本发明利用振镜扫描技术高速的优点，针对不同的工作距离，预先进行振镜扫描误差矫正，生成高精度振镜扫描定位表，确保在不同激光加工距离获得同等高精度的振镜扫描定位效果。

本发明能实现不同粗细线宽图形的快速精密刻蚀，尤其适用于具有实填充图案的刻蚀加工，采用离焦后的大光斑对图形填充区进行光栅扫描刻蚀，可成倍减少填充扫描次数，对图形轮廓进行矢量扫描勾勒，保证图形边沿刻蚀质量。

本发明兼顾了刻蚀精度和加工速度，可广泛应用于平面刻蚀系统和三维激光刻蚀系统，提高装备的加工效率。特别适用于采用激光振镜加工头与多轴数控机床或工业机器人相结合的系统，实现更高效的三维激光加工系统。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的一种变线宽激光振镜扫描快速刻蚀方法，包括下列步骤：

(1)将要刻蚀的图案制作成图形文件，并导入激光刻蚀加工控制软件，设置图形的激光刻蚀线宽，激光刻蚀软件自动选择对应激光加工距离及其激光功率和振镜扫描参数(包括开激光、关激光、扫描速度等参数)，若存在多个激光加工距离选择，则可通过操作人员人为设置。

(2)将待加工工件放置在激光刻蚀的工作平台上并定位；

(3)通过控制系统移动激光加工头与工件表面相对距离到某一线宽对应的激光加工距离h处，调用该激光加工距离对应的激光功率和振镜扫描参数以及振镜扫描定位表，精确控制振镜按照图形文件确定的刻蚀路径进行激光扫描。线条图形直接采用矢量扫描，填充图形的刻蚀路径采用光栅扫描图形填充区，矢量扫描勾勒图形轮廓以保证光滑的边沿刻蚀效果。

激光刻蚀线宽与激光加工距离的对应关系是通过高斯激光束传输方程理论计算得到，并通过刻蚀实验进一步修正来最终确定的。

高斯光束束宽ω(z)随激光传输距离z变化规律如下：

$\mathrm{\ω}\left(z\right)={\mathrm{\ω}}_0\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\λz}}{\mathrm{\π}{{\mathrm{\ω}}_0}^2}\right)}^2}$ (公式1)

式中，ω₀为激光焦点半径，λ为激光波长，z为加工位置离焦点的距离，h＝f+z，f为扫描聚焦透镜的焦距。

由公式1可知随着z的增大光束半径将增大，如图2所示，因此设计不同的激光加工距离就可以获得不同的激光加工束宽。但实际的激光刻蚀线宽除了受到激光束宽影响外，还跟激光功率、扫描速度以及材料的热物理性能参数相关，因此某一刻蚀线宽除了对应工作距离外，还要对应设置一组激光功率和振镜扫描参数，以保证离焦大光斑的激光能量密度满足材料刻蚀阈值。材料刻蚀阈值是指能够将材料刻蚀去除的最小激光功率密度。

在垂直于光轴的截面上，基模高斯光束功率密度的分布为：

$I(r,z)=I_0{\left[\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}\right]}^2\exp \left[\frac{-2r^2}{{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)}\right]$ (公式2)

式中，I₀为焦点中心激光最大功率密度，r为离光斑中心的半径。

光斑半径为ω(z)时最大激光功率密度I_w(z)与激光功率P计算公式为：

$I_{\mathrm{\ω}\left(z\right)}=\frac{2P}{\mathrm{\π\ω}{\left(z\right)}^2}$ (公式3)

调整激光加工头与工件表面之间的激光加工距离h，可以通过刻蚀实验获得不同加工距离处对应的激光刻蚀线宽，记录保存相应激光功率参数和振镜扫描参数。

不同激光加工距离处需要通过实验测试得到精确的振镜扫描定位表，该表精确记录了该激光加工距离处振镜扫描激光点的位置和控制数据的对应关系。振镜式激光加工系统的加工精度受加工距离、振镜系统、控制系统和安装误差等多种因素影响，纯理论计算的校正方法在实际应用中其校正效率和精度难以达到较好的校正效果，理想的校正方法是通过实验建立某加工距离h处激光扫描位置与控制数据之间的一一对应关系存放到振镜扫描定位表，因此，本发明的实施还需要针对不同的激光加工距离建立对应的振镜扫描定位表，以确保在不同加工距离时都能获得高精度的激光振镜扫描定位。

(4)通过控制系统调整激光加工头到下一线宽对应的激光加工距离处，调用对应线宽的振镜扫描参数和激光功率参数和振镜扫描定位表，对该激光加工距离处的所有加工图形进行精确扫描刻蚀；

(5)重复步骤(4)直至所有图形全部加工完毕。

实现本发明方法的示例装置如图2所示，包括激光器1、导光系统2、激光加工头6、工作台7、控制系统8和上下移动机构9。

工作台7安装在上下移动机构9上，控制系统8用于控制激光器1和激光加工头6工作。激光加工头6由X轴扫描振镜3、Y轴扫描振镜4和扫描聚焦透镜5组成。其工作原理是：激光器1发出激光束，激光束经导光系统2通过X轴扫描振镜3和Y轴扫描振镜4，经聚焦透镜5汇聚到工作台7上的待加工工件的表面。控制系统8控制上下移动机构9以调节激光加工头6与工件表面之间的激光加工距离。

利用上述装置实现本发明方法的过程为：

(1)通过高斯激光束传输方程计算不同激光束宽处对应工作距离及功率密度分布，预先设定多个激光加工距离，记录刻蚀线宽和对应的激光扫描参数。

如图3a所示，焦点位置处激光功率10W，光束半径14.4um对应的最大激光功率密度为30.700mW／um²；当离焦位置1060um时，光束半径增大到28.8um，激光功率10W对应最大功率密度仅为7.675mW／um²。因此为获得与焦点处相同到最大功率密度，当用离焦位置进行加工时需要进行功率补偿，如图3b所示，激光功率补偿为40W时，离焦位置1060um处的最大激光功率密度为30.700mW／um²。

(2)通过控制系统8来控制上下移动机构9，调整激光加工头6定位到不同的激光加工距离h，实验测试各工作距离处激光束宽以及相应的激光参数。

(3)在不同工作位置进行振镜扫描校正，获得对应每个工作位置的精确扫描定位表，以实现精确的激光振镜扫描定位。

(4)整个扫描刻蚀加工流程如图1所示。首先将要刻蚀的图形制作成图形文件，并导入激光刻蚀软件，设置图形的加工线宽，刻蚀控制软件自动选择对应激光加工距离及其功率和振镜扫描参数，若存在多个激光加工距离选择，则可通过操作人员人为设置。

(5)将待加工工件放置在激光刻蚀的工作台7上并定位；

(6)通过控制系统8来控制上下移动机构9调整激光加工头6到最粗线宽对应的激光加工距离，调用对应线宽的振镜扫描参数和激光功率参数，并通过该激光加工距离处的振镜扫描定位表精确控制振镜扫描激光束。线条图形直接采用矢量扫描，填充图形的刻蚀路径采用光栅扫描图形填充区，矢量扫描勾勒图形轮廓以保证光滑的边沿刻蚀效果。

(7)通过控制系统8来控制上下移动机构9调整激光加工头6定位到与工件表面之间距离到下一线宽对应激光加工距离处，对该工作位置的所有加工图形进行步骤6中的扫描刻蚀，直至所有图形全部加工完毕。

以上所述为本发明的一个具体实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。本发明核心思想是利用聚焦激光束焦点附近的不同束宽位置进行变线宽振镜扫描激光刻蚀加工，所述方法在实际应用中通常可通过多轴机床或者工业机器人带动激光加工头6的运动来实现激光加工距离的调整。也可以通过动态聚焦装置以调节激光焦点与工件表面距离实现变线宽刻蚀。这些方案都属于本发明思想的具体实施。所以凡是不脱离本发明所公开的精神而仅做局部调整或修改完成的装置，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种变线宽激光振镜扫描快速刻蚀方法，其特征在于，该方法利用激光束离焦后功率密度梯度变小光斑变大的原理以及高速振镜扫描误差精确矫正方法，对图形填充区采用离焦后的大光斑光栅扫描填充，然后对图形轮廓进行矢量扫描勾勒，该方法具体包括下述步骤：

(1)将要刻蚀的图案制作成图形文件，并设置图形的激光刻蚀线宽，确定其对应的激光加工距离及其激光功率和振镜扫描参数；

(2)将待加工工件放置在激光刻蚀的工作平台上并定位；

(3)通过控制系统移动激光加工头与工件表面相对距离到某一激光刻蚀线宽对应的激光加工距离处，调用该激光加工距离对应的激光功率和振镜扫描参数以及振镜扫描定位表，精确控制振镜按照图形文件确定的刻蚀路径进行激光扫描，线条图形直接采用矢量扫描，填充图形的刻蚀路径采用光栅扫描图形填充区；

(4)通过控制系统调整激光加工头到下一激光刻蚀线宽对应的激光加工距离处，利用对应线宽的振镜扫描参数和激光功率参数，以及该激光加工距离处的振镜扫描定位表，对该激光加工距离处的所有加工图形进行扫描刻蚀；

刻蚀过程中通过设置不同的在焦和离焦激光加工距离及对应功率参数和激光振镜扫描参数来控制激光光斑大小，通过理论计算和实验测试对离焦后大尺寸激光光斑总功率进行补偿，以保证离焦大光斑的激光能量密度满足材料刻蚀阈值；

(5)重复步骤(4)直至所有图形全部加工完毕。

2.根据权利要求1所述的变线宽激光振镜扫描快速刻蚀方法，其特征在于，步骤(1)中，所述激光刻蚀线宽与激光加工距离的关系设置是通过高斯激光束传输方程理论计算得到不同激光束宽处对应工作距离及功率密度分布的计算公式，并通过刻蚀实验进一步确定激光功率与振镜扫描参数。