CN104148802B - 光束形成装置及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光束形成装置及其形成方法，该光束形成装置包括沿光轴方向依次布置的一激光器、一对透镜、一道威棱镜、一平面反射镜、一正轴棱锥和一聚焦透镜；所述透镜之间的距离可调，用以调整激光器出射光束的光斑尺寸和发散角；所述道威棱镜安装在空心轴旋转电机中，以光轴为中心旋转，从所述道威棱镜出射的光束也将随着旋转；所述平面反射镜用于偏转光束的传输方向；所述聚焦透镜在光束传输方向上的位置可调，经所述聚焦透镜后的出射光束为一束旋转的空心环形光束。

Description

光束形成装置及其形成方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，涉及激光打孔设备中的一种光束形成装置及其方法，特别适用于高硬脆材料的微孔加工。
背景技术
激光加工技术已经渗透于各行各业，尤其是在微电子，航空航天等高精度行业中，对加工尺寸的要求越来越小，精度越来越高，激光加工已成了一项无可替代的方法。在对材料的加工类型中，打孔占据了很大部分的比例。激光打孔一般有四种类型：单脉冲打孔，多脉冲打孔，旋转打孔，螺旋打孔。
目前比较优的技术是螺旋打孔，激光通过聚焦透镜聚焦之后，作用在工件表面上，光束在沿着加工轨迹运动，剥蚀掉一层材料后，激光光束的焦点就不在工件新的表面上，处于离焦状态。此时将激光光束的焦平面下移至工件的表面，或者激光光束焦平面保持不动，将工件上移，保证新的表面在激光光束的焦平面上。这样能够保证激光光束永远正焦，一层层逐渐剥蚀掉所需要加工的材料。
螺旋打孔能够保证加工孔质量精细，孔壁光滑，无熔融物和重铸层。
螺旋打孔的缺点是加工效率比较低，而且需要熔融掉孔内的所有材料，对于能量的利用率低下。
目前有一种打孔方式是利用空心环形光束，将能量集中在光斑的环形区域内，而不是分布在整个光斑面积中，提升能量利用率。利用空心环形光束进行单脉冲打孔时，需要很大的能量才能在一个脉冲的作用下完成打孔。当能量一定时，可以用多脉冲打孔的方式进行打孔，这样激光能量长时间作用在工件上时，孔的边缘会出现熔融物，孔壁粗糙，有重铸层。
发明内容
为了解决激光打孔中存在的上述问题，本发明提出了激光打孔设备中的一种光束形成装置及其方法，提高能量的利用率，打孔质量精细，无熔融物和重铸层，孔壁光滑。本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种光束形成装置，其包括沿光轴方向依次布置的一激光器、一对透镜、一道威棱镜、一平面反射镜、一正轴棱锥和一聚焦透镜；所述透镜之间的距离可调，用以调整激光器出射光束的光斑尺寸和发散角；所述道威棱镜安装在空心轴旋转电机中，以光轴为中心旋转，从所述道威棱镜出射的光束也将随着旋转；所述平面反射镜用于偏转光束的传输方向；所述聚焦透镜在光束传输方向上的位置可调，经所述聚焦透镜后的出射光束为一束旋转的空心环形光束。
一种光束形成方法，其包括：激光器的出射光束经过光斑尺寸和发散角的调整后入射到以光轴为中心旋转的道威棱镜；从所述道威棱镜出射的光束也以光轴为中心旋转，然后通过平面反射镜偏转光束的传输方向，光束依次通过正轴棱锥和聚焦透镜后，形成一束旋转的空心环形光束。
附图说明
图1为本发明第一种光束形成装置的结构图；
图2为本发明形成的空心环形光束的示意图；
图3为本发明第二种光束形成装置的结构图；
图4为本发明第三种光束形成装置的结构图；
图5为本发明第四种光束形成装置的结构图；
图6为本发明激光器出射光束的能量密度分布图；
图7为本发明第一种至第四种光束形成装置形成的空心环形光束的能量密度分布图；
图8为本发明第五种光束形成装置的结构图；
图9为本发明第五种光束形成装置形成的空心环形光束的能量密度分布图；
图中各标记的含义如下：
1， 激光器
2， 光闸
31 透镜1
32， 透镜2
4， 道威棱镜
41 光楔
42 光楔
5， 平面反射镜；
61， 负轴棱锥；
62， 正轴棱锥；
7， 聚焦透镜；
81， 聚焦透镜的焦平面；
82， 光束作用面
9， 高斯光束整形元件
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述：
如图1所示，激光器1出射的光束通过光闸2来控制是否继续传输。透镜31和透镜32之间的距离相对可调，用来调整激光出射光束的发散角和光斑尺寸。道威棱镜4安装在空心轴旋转电机中，让道威棱镜以光轴为中心旋转R，从道威棱镜4出射的光束也将随着旋转。旋转的激光光束进入平面反射镜5中，激光的传播方向变更为垂直传播。垂直传播的激光光束进入正轴棱锥62和聚焦透镜7，出射光束为一束旋转的环形光束，如图2所示，环形光束的光斑半径OS2，环形宽度S1S2都将随着传播距离的增加而改变。可以根据所需要打孔的孔径来选择聚焦透镜7的焦距和工件表面距离聚焦透镜的位置。81表示聚焦透镜7的焦平面，82表示光束作用面，为光束传播方向上的某一横截面，该横截面如图2所示，S1S2和S3S4表示光束的环形宽度，S2S3为空心区域。通过调整透镜组31和32之间的相对距离可以调整光束的环形宽度S1S2和S3S4。
图1中所示的旋转机构、道威棱镜4，也可以用一对光楔来代替。如图3所示，光束从透镜32中出射后进入光楔41和42，41和42的光楔角度和尺寸都相同，中心对称放置，相对位置固定，并一起放置在空心轴旋转电机中。光束从41和42出射后，将以光轴为中心旋转。
图1中所示，从聚焦透镜7出射的环形光束随着传输距离的增加，其尺寸在随之改变，因此对加工孔的孔径有一定的调节范围，但是在相同焦距的情况下，当工件表面离焦平面81太远，能量也会减弱，能量密度下降，也会导致孔的尺寸不精确，质量差。图1中有一个正轴棱锥62，再添加一个负轴棱锥61，如图4所示，负轴棱锥61和正轴棱锥62的相对距离可调，通过调整61和62之间的相对距离，结合调整聚焦透镜7在光的传播方向上的位置来调整聚焦后的环形光束半径OS1，达到实时调整光斑尺寸的目的。同样，调整透镜组31和32之间的相对距离可以调整光束的环形宽度S1S2和S3S4。同样地，图4中的道威棱镜也可以由一对光楔来代替，如图5所示。
众所周知，激光器1出射的光束在与传播方向垂直的横截面上的能量密度分布为高斯分布，如图6所示。如上图1、3、4和5中出射的环形光束的能量密度分布如图7所示，离中心远的位置，能量降低。这样在加工孔的边缘位置，激光能量不足时，会使孔边出现熔融物，孔壁质量不好。因此在其中加入高斯光束整形元件，使光束的能量密度分布为平顶，则加工出来的孔无能量梯度差，无熔融物和重铸层，孔壁光滑。如图8所示，在图4中的平面反射镜5之后加入一块高斯光束整形元件9，则出射的环形光束在与传播方向垂直的平面上的能量密度分布为平顶，如图9所示。可以通过微透镜阵列或衍射光学元件来实现上述高斯光束整形。
以波长为1064nm的激光器为例，使用的聚焦镜的焦距为50mm，入射到聚焦镜之前的光斑直径为10mm(本实施例中仅以圆形光斑为例，但其形状并不限于圆形，还可以是方形或其他形状，垂直光束入射到高斯光束整形元件5，将高斯特性的圆形光斑转换为能量密度均匀的平顶光斑，光斑的形状可以为方形、矩形、线形或者椭圆形等任意形状，根据实际微加工需求来选择，这些形状由高斯光束整形元件的设计来决定)，以图1所示的装置为例.当加工孔径为100um时，孔的周长为314um，若平台的运动速度为20mm/s，激光器的重复频率为1500Hz，则发出单脉冲的时间为0.67ms，空心轴电机的转速若设置在1000圈/s，则1ms即可完成一个孔的加工；而运动平台走一个100um直径的圆，即加工一个孔所需的时间为15.7ms。从这方面来讲时间提高了数十倍。
另外，由于加入了平顶整形元件，结合空心光束的旋转，跟传统装置相比，所得到的孔壁光滑，无明显的熔融物和重铸层。
本发明并未做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质进行的简单修改，等同变化和修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种光束形成装置，其包括沿光轴方向依次布置的一激光器、一对透镜、一道威棱镜、一平面反射镜、一正轴棱锥和一聚焦透镜；所述的一对透镜之间的距离可调，用以调整激光器出射光束的光斑尺寸和发散角；所述道威棱镜安装在空心轴旋转电机中，以光轴为中心旋转，从所述道威棱镜出射的光束也将随着旋转；所述平面反射镜用于偏转光束的传输方向；所述聚焦透镜在光束传输方向上的位置可调，经所述聚焦透镜后的出射光束为一束旋转的空心环形光束，其特征在于；所述道威棱镜被一对光楔替代，两个光楔的角度和尺度都相等，中心对称放置且相对位置固定，并一起放置在空心轴旋转电机中，以光轴为中心旋转，从这两个光楔出射的光束也将随着旋转，并且还包括布置在所述平面反射镜和所述正轴棱锥之间的一高斯光束整形元件，所述激光器的出射光束在与传输方向垂直的横截面上的能量密度分布为高斯分布，所述空心环形光束在与传输方向垂直的横截面上的能量密度分布为能量密度均匀的平顶分布。
2.如权利要求1所述的光束形成装置，其特征在于：还包括布置在所述激光器和所述一对透镜之间的一光闸，用于控制所述激光器的出射光束是否继续传输。
3.如权利要求1所述的光束形成装置，其特征在于：还包括布置在所述平面反射镜和所述正轴棱锥之间的一负轴棱锥，所述负轴棱锥和所述正轴棱锥之间的距离可调，通过调整所述负轴棱锥和所述正轴棱锥之间的距离以及所述聚焦透镜在光束传输方向上的位置来调整所述空心环形光束的光斑尺寸。
4.如权利要求3所述的光束形成装置，其特征在于：所述高斯光束整形元件为微透镜阵列或衍射光学元件。
5.一种光束形成方法，其包括：激光器的出射光束经过光斑尺寸和发散角的调整后入射到以光轴为中心旋转的道威棱镜；从所述道威棱镜出射的光束也以光轴为中心旋转，然后通过平面反射镜偏转光束的传输方向，光束依次通过正轴棱锥和聚焦透镜后，形成一束旋转的空心环形光束，其特征在于：所述道威棱镜被一对光楔替代，两个光楔的角度和尺度都相等，中心对称放置且相对位置固定，以光轴为中心旋转，从这两个光楔出射的光束也以光轴为中心旋转。
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Patentee after: Beijing Zhongke Radium Electronics Co., Ltd.

Address before: 100176 Beijing Economic and Technological Development Zone, 1st Floor C, No. 14 Building, 156 Jinghai Fourth Road, Beijing

Patentee before: BEIJING WANHENG LEITE MECHANICAL AND ELECTRICAL EQUIPMENT CO., LTD.

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Denomination of invention: Beam forming device and method

Effective date of registration: 20190213

Granted publication date: 20170125

Pledgee: Beijing Zhongke micro Intellectual Property Service Co., Ltd.

Pledgor: Beijing Zhongke Radium Electronics Co., Ltd.

Registration number: 2019990000122

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Date of cancellation: 20220614

Granted publication date: 20170125

Pledgee: Beijing Zhongke Micro Intellectual Property Service Co.,Ltd.

Pledgor: BEIJING ZHONGKE LEITE ELECTRONICS Co.,Ltd.

Registration number: 2019990000122