CN104785923A - 一种多焦点聚焦的激光加工装置 - Google Patents

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邹武兵
段家露
邓春华
张德安
罗会红
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light

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Abstract

本发明提供了一种多焦点聚焦的激光加工装置，其特征在于，包括激光发生器、衍射分光元件、物距调节模块和聚焦模块，所述激光发生器发射的激光依次通过所述衍射分光元件、物距调节模块和聚焦模块到达被加工的物体上；本发明结构紧凑、分光效率高、激光加工效率高。

Description

一种多焦点聚焦的激光加工装置
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种多焦点聚焦的激光加工装置。
背景技术
激光加工水平日益发展的今天，绝大部分激光加工局限于高斯光束扩束准直聚焦的加工方式，对于薄材料（200微米以内），还可以满足要求，对于更厚的材料，只能用焦点上下移动的方法多次切割才可以材料切断。原因就是在一定线宽前提下，激光焦深太短，必须采用多次切割才可以解决问题，导致加工效率下降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种结构紧凑、分光效率高、激光加工效率高的多焦点聚焦的激光加工装置。
本发明是这样实现的：一种多焦点聚焦的激光加工装置，包括激光发生器、衍射分光元件、物距调节模块和聚焦模块，所述激光发生器发射的激光依次通过所述衍射分光元件、物距调节模块和聚焦模块到达被加工的物体上。
进一步地，所述衍射分光元件为二元光学分束器。
进一步地，所述衍射分光元件为一维衍射分束光学元件。
进一步地，所述激光发生器和所述衍射分光元件之间还设有激光扩束单元。
进一步地，所述衍射分光元件与所述聚焦模块之间的距离可调。
进一步地，所述聚焦模块为静态聚焦镜。
进一步地，所述激光发生器发射的激光经所述聚焦模块聚焦后的聚焦焦点的焦深小于聚焦焦点光斑直径的五倍。
进一步地，还包括与所述聚焦模块光轴同轴的视频监控系统。
进一步地，所述激光发生器发射的激光脉冲宽度小于10纳秒，脉冲重复频率在1千赫兹到100兆赫兹之间。
本发明提供一种多焦点聚焦的激光加工装置，在激光发生器发射的激光光路上依次设置衍射分光元件和聚焦模块，由于衍射分光元件可以把激光发生器发射的激光分束成系列非平行光，再通过聚焦模块聚焦，可以获得多个焦点，且各个焦点都位于所述聚焦模块的光轴上，由于衍射分光元件对激光的分束具有高效紧凑的特点，聚焦的多焦点特别适合较厚材料的激光加工，且加工效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多焦点聚焦的激光加工装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的工作原理为：对于静态聚焦镜而言，光轴平行于所述静态聚焦镜的准直光束，都会聚焦于所述静态聚焦镜的焦平面与光轴的交点，就是所述静态聚焦镜的焦点；光轴平行于所述静态聚焦镜的发散光束，都会聚焦于所述静态聚焦镜的焦平面下方；光轴平行于所述静态聚焦镜的汇聚光束，都会聚焦于所述静态聚焦镜的焦平面上方，但还是与所述静态聚焦镜光轴的相交；所述发散光束与汇聚光束，可以称之为非准直光束。从几何光学理解，每束进入所述的静态聚焦镜的光束，可以理解为无数光线组成，平行于所述静态聚焦镜光轴的光线，会通过所述静态聚焦镜的焦点，不平行于所述静态聚焦镜光轴的光线，不会通过所述静态聚焦镜的焦点，但是会与光轴相交，相交的地方就是该光线的聚焦位置。为了获得多焦点聚焦，需要引入系列非平行光束，而一维或者二维衍射分光元件的衍射光束刚好可以把扩束准直光分束为系列非平行光，这样，可以在所述静态聚焦镜下面获得系列聚焦焦点，这些聚焦焦点都位于所述静态聚焦镜的光轴上。
如图1，本发明实施例提供一种多焦点聚焦的激光加工装置，包括激光发生器17、衍射分光元件20、物距调节模块18和聚焦模块26，所述激光发生器17发射的激光依次通过所述衍射分光元件20、物距调节模块18和聚焦模块26到达被加工的物体上，所述物距调节模块18用于调节激光经所述聚焦模块26后焦点之间的间距，所述激光发生器17发射的激光为高斯激光束，为激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布遵守高斯函数，优选地，所述聚焦模块26为静态聚焦镜，焦距为50mm；所述激光发生器17发射的激光脉冲宽度小于10纳秒，脉冲重复频率在1千赫兹到100兆赫兹之间。本发明的一种多焦点聚焦的激光加工装置，在激光发生器17发射的激光光路上依次设置衍射分光元件20和聚焦模块26，由于衍射分光元件20可以把激光发生器17发射的激光分束成系列非平行光，再通过聚焦模块26聚焦，可以获得多个焦点，且各个焦点都位于所述聚焦模块26的光轴上，由于衍射分光元件20对激光的分束具有高效紧凑的特点，聚焦的多焦点特别适合较厚材料的激光加工（切割、焊接、打孔），以及第激光波长透明、半透膜的材料的内部改性与切割，且加工效率高，。
在本发明一种多焦点聚焦的激光加工装置的实施例中，所述衍射分光元件20为二元光学分束器，二元光学分束器是一种纯相位衍射的分束器，具有接近100%的衍射效率，同时体积小、重量轻、容易复制，本发明中使用二元光学分束器可非常容易得到高效紧凑的激光束，有效减少衍射过程中的激光能量损失。在本发明其他实施例中，所述衍射分光元件20也可为一维衍射分束光学元件，例如，所述衍射分光元件20可采用石英透明玻璃，在石英透明玻璃表面制作有一维衍射光栅。
进一步地，所述激光发生器17和所述衍射分光元件20之间还设有激光扩束单元，优选地，所述激光扩束单元的扩束倍率为10倍，所述激光扩束单元用于对所述激光发生器17发射的激光进行扩束准直，提高后续衍射效率，减少能量损失。
进一步地，所述衍射分光元件20与所述聚焦模块26之间的距离可调；所述激光发生器17发射的激光经所述聚焦模块26聚焦后的聚焦焦点的焦深小于聚焦焦点光斑直径的五倍，这样能更有效集中激光能量，提高激光加工效率。
在本发明一种多焦点聚焦的激光加工装置的实施例中，所述激光加工装置还包括与所述聚焦模块26光轴同轴的视频监控系统，通过视频监控系统监控激光焦点的位置，提高激光加工的准确度。
如图1所示，本发明的一种多焦点聚焦的激光加工装置的光路流程如下：所述衍射分光元件20把激光光束19衍射分束为系列不平行光束经所述物距调节模块18射出，包括5束光束（在其他实施例中也可为7束、9束或者更多），分别为光束21、光束22、光束23、光束24和光束25，再经所述聚焦模块26聚焦，所述光束23为0级衍射光束，聚焦后对应的光束是光束29，聚焦点为32，所述光束22与光束24为所述衍射分光元件20的正负1级衍射光束，经所述聚焦模块26聚焦，由于两光束不平行于所述聚焦模块26的光轴，对应于所述光束22与所述光束24的聚焦光束是光束28和光束30，聚焦点为34，位于所述焦点32下方，所述光束21和光束25为所述衍射分光元件20的正负2级衍射光束，经所述聚焦模块26聚焦，由于两束光不平行于所述聚焦模块26的光轴，对应于所述光束21与光束25的聚焦光束是光束27与光束31，聚焦点为35，位于所述焦点32下方，所述焦点32、焦点34和焦点35均位于所述聚焦模块26的光轴上。
可通过调整所述衍射分光元件20的衍射参数或调整所述衍射分光元件20与所述聚焦模块26的距离以及角度或者通过所述物距调节模块18来改变所述焦点32、焦点34和焦点35的位置关系，以针对不同的被加工材料，达到最佳加工效果。
调整激光光束19的光束直径，或者所述聚焦模块26的焦距，可以改变所述焦点32、焦点34和焦点35的焦深，用于透明材料，例如玻璃、蓝宝石，以及半导体材料，例如硅晶圆，要求所述光束的各聚焦焦点的焦深小于各聚焦焦点光斑直径五倍。
经过对所述激光衍射分光元件20内的分束衍射光栅进行设计，或者对所述聚焦单元进行设计，使得所述系列聚焦光束的各聚焦焦点的垂直于光轴的横截面截面形状为长方形或者椭圆形，更适合激光划片。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多焦点聚焦的激光加工装置，其特征在于，包括激光发生器、衍射分光元件、物距调节模块和聚焦模块，所述激光发生器发射的激光依次通过所述衍射分光元件、物距调节模块和聚焦模块到达被加工的物体上。
2.如权利要求1所述的多焦点聚焦的激光加工装置，其特征在于：所述衍射分光元件为二元光学分束器。
3.如权利要求1所述的多焦点聚焦的激光加工装置，其特征在于：所述衍射分光元件为一维衍射分束光学元件。
4.如权利要求1所述的多焦点聚焦的激光加工装置，其特征在于：所述激光发生器和所述衍射分光元件之间还设有激光扩束单元。
5.如权利要求1所述的多焦点聚焦的激光加工装置，其特征在于：所述衍射分光元件与所述聚焦模块之间的距离可调。
6.如权利要求1所述的多焦点聚焦的激光加工装置，其特征在于：所述聚焦模块为静态聚焦镜。
7.如权利要求1所述的多焦点聚焦的激光加工装置，其特征在于：所述激光发生器发射的激光经所述聚焦模块聚焦后的聚焦焦点的焦深小于聚焦焦点光斑直径的五倍。
8.如权利要求1所述的多焦点聚焦的激光加工装置，其特征在于：还包括与所述聚焦模块光轴同轴的视频监控系统。
9.如权利要求1所述的多焦点聚焦的激光加工装置，其特征在于：所述激光发生器发射的激光脉冲宽度小于10纳秒，脉冲重复频率在1千赫兹到100兆赫兹之间。
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