CN104439721B - 采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，提供采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法，包括以下步骤：使紫外激光器发出的激光聚焦到胶片的表面；使紫外激光器发出高平均功率、低峰值功率的激光以第一预设次数对胶片进行多次刻蚀，使胶片的上表面上形成凹坑，并使凹坑的底部与胶片的下表面的距离为第一预设值；使紫外激光器发出低平均功率、高峰值功率的激光对凹坑底部进行一次刻蚀，以击穿胶片。该采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法，采用紫外激光器即可在胶片上打出孔径为微米级别的孔，不需要采用皮秒激光器或飞秒激光器，因此可以节省打孔的加工成本，具有很高的应用价值。

Description

采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法。
背景技术
紫外激光加工具有精度高，成本低，速度快，可加工易熔性、脆性材料等优势而受到工业上的广泛关注。在加工时，紫外激光通过打断材料的化学键使分子剥离，从而在材料上形成待加工的形状。紫外激光在打断材料的化学键的时候只产生很低的热量，因此极大地减小热影响区。紫外激光的这种“冷加工”的特性使加工熔点低的材料变得非常容易，如在胶片上打孔时，可确保打孔边缘圆滑。
在医疗器械、生物工程、化工设备领域，经常需要用到过滤片对一些液体进行过滤，此类过滤片的材质有金属或胶片等，过滤孔的孔径有纳米级别或微米级别的。
由此，对于在胶片上加工孔径为微米级别的孔，如3μm，而且要保证孔的圆度，由于该孔径过小，现有技术一般采用的是皮秒激光器或飞秒激光器。皮秒激光器和飞秒激光器的结构复杂，器材昂贵，过高的成本让很多企业难以承受；而使用传统机械加工方式则无法实现。而对于结构简单、成本低的紫外激光器，虽然业界早已采用紫外激光器进行加工多种类型的材料、加工多种类型的工件，但尚未提供在胶片上加工孔径为微米级别的孔的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法。
本发明采用以下技术方案：
采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：
使紫外激光器发出的激光聚焦到胶片的表面；
使紫外激光器发出高平均功率、低峰值功率的激光以第一预设次数对胶片进行多次刻蚀，使胶片的上表面上形成凹坑，并使所述凹坑的底部与胶片的下表面的距离为第一预设值；
使紫外激光器发出低平均功率、高峰值功率的激光对凹坑底部进行一次刻蚀，以击穿胶片。
本发明提供的采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法，采用紫外激光器即可在胶片上打出孔径为微米级别的孔，不需要采用皮秒激光器或飞秒激光器，因此可以节省打孔的加工成本，具有很高的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的紫外激光系统的示意图；
图2为本发明实施例的采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法的流程图；
图3为本发明实施例的紫外激光在胶片上打凹坑的示意图；
图4为本发明实施例的高斯激光的能量分布示意图；
图5为本发明实施例的紫外激光击穿胶片的示意图；
图6为本发明实施例的胶片上打孔后的效果示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例的紫外激光系统的示意图。该紫外激光系统包括控制系统1、紫外激光器2、激光扩束镜3、振镜组4、光学聚焦镜5。
为了使紫外激光器2所发出的激光的光路可控，该紫外激光系统还包括激光反射镜。通过激光反射镜对紫外激光器2所发出的激光进行反射，即可控制激光的光路。图1所示实施例中，激光反射镜包括第一激光反射镜6、和第二激光反射镜7。
其中，控制系统1包括计算机、单片机系统、PLC控制系统等可对紫外激光器2的工艺参数进行调整、以及对振镜组4的摆动进行控制的控制系统。
本实施例中，光学聚焦镜5为f-θ聚焦镜，即采用f-θ镜头的聚焦镜。f-θ镜头与普通聚焦镜头不同，其可以将一束以不同角度入射的准直激光光束聚焦到一个焦平面，从而使激光便于在整块胶片8的平面上进行打孔。
以下对本实施例提供的采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法作进一步描述。
本实施例中，待打孔的胶片8的厚度为0.05mm、平面度保持在0.02mm、材质为PVC（聚氯乙烯）。在胶片8上打多个孔，只要保证胶片8下表面的孔的直径为3μm，胶片8上表面是否是3μm不重要，即保证的是下表面的圆度。
本实施例中，根据待打孔的胶片8的材质特性，包括对紫外激光的吸收特性以及易熔性，从而紫外激光器2选用波长355nm、输出功率为2～4W的全固体调Q紫外激光器。
在对胶片8进行打孔之前，为保证打孔的精确度，将胶片8置于加工平面上之后，还需要通过夹持器具对胶片8进行夹持固定，以确保该胶片8的平面度。
然后，紫外激光器2启动，通过控制系统1设定紫外激光器2的加工工艺参数。
接着，控制系统1控制紫外激光器2发出激光，发出的激光先通过第一激光反射镜6，激光传导方向改变后进入第二反射镜7，再通过激光扩束镜3扩束（本实施例中，扩束倍数为5倍），被扩束的激光通过振镜组4传导到光学聚焦镜5上。通过调节光学聚焦镜5到胶片8的距离，可使紫外激光器2发出的激光聚焦到胶片8的表面。在对胶片8打孔时，根据控制系统1的设定，紫外激光器2先后采用两种不同的工艺参数分别发出两种不同的能量分布的激光分两步对胶片8进行打孔。如图2。
其中，激光光斑直径在20～60μm之间。通过调节光学聚焦镜5的距离来实现光斑直径大小的调节。理论上，尽可能的调节光学聚焦镜5到胶片的距离使激光在胶片8上聚焦，此时在胶片8上聚焦的激光的光斑直径最小（即20um），单位面积内的光能量密度最大，利于打孔。
光学聚焦镜5选取160mm焦距的光学聚焦镜，160mm焦距的光学聚焦镜比较常用，容易获得。但由于制造误差，160mm焦距的光学聚焦镜的实际焦距在140～180mm之间。
该紫外激光器2分两步先后采用两种不同的工艺参数分别发出两种不同的能量分布的激光对胶片8进行打孔，具体为：
第一步：使紫外激光器2发出高平均功率、低峰值功率的激光以第一预设次数对胶片8进行多次刻蚀，使胶片8的上表面上形成凹坑，并使所述凹坑的底部与胶片8的下表面的距离为第一预设值。
由于激光在刻蚀胶片时所产生的热量会向四周发散，当激光对胶片8进行多次刻蚀后，从而凹坑的形状为倒锥形。该凹坑的底部与胶片的下表面的夹层为残留层81，该残留层81的厚度即为第一预设值。如图3，其中第一预设值为10～12μm。
设定紫外激光器2发出高平均功率、低峰值功率的激光的具体参数为：激光扫描速度450～550mm/s，激光脉冲频率为55～65kHz，Q释放时间为12～16μs，电流为25～27A。因为打孔的孔径为3μm，非常小，其对胶片8的平面度要求非常高；设定该参数，一方面，紫外激光器2发出的紫外激光的峰值功率低，从而对胶片8的冲击力较小，从而该打孔过程中胶片8仍保持较高的平面度；另一方面，平均功率高，可以保证打孔的效率，确保以最快的速度使胶片8的底部形成厚度为第一预设值的残留层81。
在胶片8的材质以及紫外激光器2所发出高平均功率、低峰值功率的激光的确定之后，第一预设次数即根据胶片8的厚度而定，具体为胶片8的厚度与残留层81的差值越大，第一预设次数就越大；反之越小。本实施例中的胶片8的厚度0.05mm，由于残留层81的厚度为10～12μm，而上述高平均功率、低峰值功率的激光每次蚀刻的厚度约为1.35μm，因此本实施例中第一预设次数为29次。在其他实施例如胶片8的厚度为0.08mm时，第一预设次数约为51次。
第二步：使紫外激光器2发出低平均功率、高峰值功率的激光对凹坑底部进行一次刻蚀，以击穿胶片8。
设定紫外激光器2发出低平均功率、高峰值功率的激光的具体参数为：激光扫描速度为450～550mm/s，激光脉冲频率为15～25kHz，Q释放时间45～50μs，电流为25～27A。设定该参数，紫外激光器2所发出的激光的能量分布为高斯分布，根据高斯激光能量分布特点，如图4，光斑中心位置的能量高，从而一次击穿残留层81并形成3μm孔径的孔9的效果，如图5。
如图6，胶片8上打孔后的效果示意图。由于孔径很小，采用数字显微镜来进行尺寸的测量与形状的观察。沿该孔9向四周延伸的灰度逐渐降低，即热影响逐渐减小。成型的该孔9形状均匀，圆度好，边缘毛刺稀少，整齐。
综上，本实施例提供的采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法，该方法一方面利用紫外激光的“冷加工”特性，另一方面使紫外激光器2分两步先后采用两种不同的工艺参数分别发出两种不同的能量分布的紫外激光对胶片8进行打孔：使紫外激光器2发出高平均功率、低峰值功率的激光以第一预设次数对胶片进行多次刻蚀，以在胶片的上表面上形成凹坑，并使所述凹坑的底部与胶片的下表面的距离为第一预设值；使紫外激光器2发出低平均功率、高峰值功率的紫外激光对凹坑底部进行一次刻蚀，以击穿胶片；两种不同的工艺参数分两步进行打孔，从而可在胶片8上打出孔径为微米级的孔9。
本发明提供的采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法，采用紫外激光器2即可在胶片8上打出孔径为微米级别的孔9，不需要采用皮秒激光器或飞秒激光器，因此可以节省打孔的加工成本，具有很高的应用价值。
上述为本发明优选实施例，并不用于限制本发明。

Claims (5)

1.采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：
使紫外激光器发出的激光通过光学聚焦镜聚焦到胶片的表面，所述光学聚焦镜为f-θ聚焦镜，调节光学聚焦镜的距离使激光在胶片上聚焦的光斑直径最小，即为20um；
使紫外激光器发出高平均功率、低峰值功率的激光以第一预设次数对胶片进行多次刻蚀，使胶片的上表面上形成凹坑，并使所述凹坑的底部与胶片的下表面的距离为第一预设值；
使紫外激光器发出低平均功率、高峰值功率的激光对凹坑底部进行一次刻蚀，以击穿胶片。
2.如权利要求1所述的采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法，其特征在于，所述紫外激光器选用波长355nm、输出功率为2～4W的全固体调Q紫外激光器。
3.如权利要求2所述的采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法，其特征在于，所述紫外激光器发出高平均功率、低峰值功率的激光的具体参数为：激光扫描速度450～550mm/s，激光脉冲频率为55～65kHz，Q释放时间为12～16μs，电流为25～27A。
4.如权利要求2所述的采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法，其特征在于，所述第一预设值为10～12μm。
5.如权利要求4所述的采用紫外激光器在胶片上打孔径为微米级别的孔的方法，其特征在于，所述紫外激光器发出低平均功率、高峰值功率的激光的具体参数为：激光扫描速度为450～550mm/s，激光脉冲频率为15～25kHz，Q释放时间45～50μs，电流为25～27A。
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