CN105081586A - 一种激光加工方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光加工方法，其步骤如下：由计算机控制系统打开激光器，使激光器发射激光光束；激光光束通过小孔光阑，实现对激光光束起选模和控制半径的作用；经过小孔光阑后的激光光束通过透镜组进行准直扩束；准直扩束的激光通过轴棱锥光学元件变换为贝塞尔光束；贝塞尔光束通过振镜系统入射到被加工材料的表面。本发明还公开了激光加工装置。本发明加工时无需确定焦点位置，同时具有大深径比、高精度等特点，其实现方法简单、光路易调节，在激光加工领域有较好的应用前景。

Description

一种激光加工方法和装置
技术领域
本发明涉及激光精密加工的技术领域，尤其是激光对玻璃、太阳能硅片、LED晶元、PCB以及FPCB板的切割、划线、打孔等加工领域，具体涉及一种激光加工方法和装置。
背景技术
激光精密加工技术具有非接触、加工材料范围广、精度高、重复率高、热影响区域小、形状与尺寸加工柔性高等优点，广泛应用于微机械、微电子器件、医疗器械、航空精密制造等领域。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。
激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接摩擦产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此，激光加工可应用到不同层面和范围上。激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。
目前的激光加工通常利用F-θ透镜对加工光束进行聚焦，使焦点光斑直径尽可能的小，利用焦点处的高能量密度对材料进行加工。因此，在精密加工前需要对焦点位置进行确定，焦点位置控制不好会极大的影响激光加工的效果，另外对非平面材料进行加工时，需要对焦点位置实时控制，确保焦点位置始终在材料表面，这就对控制技术提出了更高的要求，增加了加工成本。加工光束在沿直径方向上的能量分布是高斯型的，即光束中心能量最高，沿半径方向能量逐渐降低，边缘部分和中心部分的能量差异较大，在加工过程中会形成一定的尖锥角，这对激光精密加工是不利的。传统的激光加工中，深径比（孔径深度/孔径宽度）有一定的限制，受限于传统激光加工透镜焦深与焦斑大小的矛盾关系，分辨率与加工深度很难同时获得提升。
鉴于以上考虑，寻找一种长焦深、大深径比、高分辨率的激光加工系统就显得尤为必要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光精密加工的方法和装置，加工时无需确定焦点位置，同时具有大深径比、高精度等特点，其实现方法简单、光路易调节，在激光加工领域有较好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种激光加工方法，其步骤如下：
（1）由工控机控制系统打开激光器，使激光器发射激光光束；
（2）使激光光束通过小孔光阑，实现对激光光束起选模和控制半径的作用；
（3）经过小孔光阑后的激光光束通过准直扩束系统进行准直扩束；
（4）准直扩束的激光通过轴棱锥光学元件变换为贝塞尔光束；
（5）贝塞尔光束通过振镜系统入射到被加工材料的表面。
所述激光器为355nm紫外激光器。
所述激光器为皮秒或飞秒的超短脉冲的激光器。
所述透镜组包括至少两个透镜，透镜表面镀有与激光器出射光束波长相同的增透膜。
所述轴棱锥光学元件的底角为0.5°，轴棱锥光学元件的表面镀有与激光器出射光束波长相同的增透膜。
所述被加工材料的表面设置在移动平台上，被加工材料通过真空吸附装置或机械装夹方式固定在移动平台。
所述移动平台一侧设有吹气或吸气装置。
一种激光加工装置，包括激光器、小孔光阑、透镜Ⅰ、透镜Ⅱ、轴棱锥光学元件、振镜系统和三维运动平台，所述激光器、小孔光阑、透镜Ⅰ、透镜Ⅱ、轴棱锥光学元件和振镜系统的中心在一个平面上，三维运动平台位于振镜系统的下方。
所述小孔光阑为可调小孔光阑。
一种激光加工装置，包括激光器、小孔光阑、透镜Ⅰ、透镜Ⅱ、轴棱锥光学元件、反射镜和三维运动平台，所述激光器、小孔光阑、透镜Ⅰ、透镜Ⅱ和反射镜的中心在水平面上，轴棱锥光学元件和反射镜的中心所在的平面垂直于水平面，三维运动平台位于轴棱锥光学元件的下方。
本发明由工控机控制的激光器发射的激光光束通过小孔光阑，再通过准直扩束系统后，经过轴棱锥光学元件，再通过振镜系统直接入射在被加工材料表面，被加工材料放置在由工控机控制的三维移动平台上。本发明把激光器出射的激光光束通过轴棱锥光学元件变换为贝塞尔光束，再利用贝塞尔光束进行加工，其有益效果为加工时无需调节焦点位置，加工精度高，可实现大深径比、无尖锥角的激光加工。
附图说明
图1为本发明激光加工方法的流程图。
图2为实施例2的结构示意图。
图3为实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例具体描述一下本发明。
实施例1
一种激光加工方法，其步骤如下：
（1）由工控机控制系统打开激光器，使激光器发射激光光束。
激光器应根据被加工材料的性质选择，根据被加工材料的性质，激光器的选择包括出射波长、脉冲宽度等。出射波长、脉冲宽度根据被加工材料的性质和加工精度要求决定。例如，待加工材料为FPCB柔性线路板时，应选择355nm紫外激光器。若对加工精度有更高要求时，应选择皮秒或飞秒等超短脉冲的激光器作为激光光源。
（2）使激光光束通过小孔光阑，实现对激光光束起选模和控制半径的作用。
小孔光阑内径可调，通过调节小孔光阑的内径大小允许不同半径的光束通过，阻挡光束半径较大的高阶模，使光束半径较小的低阶模通过，以达到选模的作用。
（3）经过小孔光阑后的激光光束通过准直扩束系统。
准直扩束系统由两个凸透镜组成，两个凸透镜之间的距离为两个凸透镜的焦距之和，准直扩束系统的扩束倍数M为第二个凸透镜的焦距f2与第一个凸透镜焦距f1之比f2/f1，凸透镜组表面镀有与激光器出射光束波长相同的增透膜，减小了透镜对激光光束的反射，提高了激光加工的效率。
（4）准直扩束的激光通过轴棱锥光学元件变换为贝塞尔光束。
准直扩束后的激光通过轴棱锥后由波失位于同一锥面上的平面波叠加会产生贝塞尔光束，轴棱锥光学元件的底角选择0.5°，其底角越小，所产生的贝塞尔光束的距离越长，轴棱锥的作用是把高斯光束变换为贝塞尔光束，具有抗损伤阈值高的特点，能够承受大功率的连续或脉冲的激光，适合用在激光加工光路系统中。贝塞尔光束的中心光斑宽度只有入射光束波长的3/4，但能量占90%以上。因此，贝塞尔光束提高了激光加工的分辨率，而且其最优良的特点就是在最大无衍射距离内中心光斑在光的传播方向上不发散，因此在激光加工过程中无需确定焦点位置，尤其适合对材料的非平面表面进行加工。
（5）贝塞尔光束通过振镜系统入射到被加工材料的表面。
振镜系统的工作原理是将激光束入射到两反射镜（扫描镜）上，用工控机控制两个反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，通过对光束的精确控制对物体进行加工。工作台面可以是三维移动平台，可以为步进电机或直线电机驱动的运动平台，主要作用是放置被加工材料，可通过真空吸附装置或机械装夹方式将被加工材料固定在平台上。必要时还要通过吹气和吸气装置对加工过程中产生的粉尘进行处理。
实施例2
如图2所示，一种激光加工装置，包括激光器1、小孔光阑2、透镜Ⅰ3、透镜Ⅱ4、轴棱锥光学元件5、振镜系统6和三维运动平台8。所述激光器1、小孔光阑2、透镜Ⅰ3、透镜Ⅱ4、轴棱锥光学元件5和振镜系统6的中心在一个平面上，三维运动平台8位于振镜系统6的下方。
小孔光阑2为可调光阑，其中心为可调的光阑中心。激光器1出射光束经小孔光阑2，变成单模的光束半径可调的激光光束。处理后的光束经透镜Ⅰ3和透镜Ⅱ4，透镜Ⅰ3和透镜Ⅱ4的焦距分别为L1和L2，调节光路时确保光束经过透镜Ⅰ3和透镜Ⅱ4的中心，且透镜Ⅰ3和透镜Ⅱ4的距离为L1+L2，保证激光器1的出射光束经过透镜Ⅰ3和透镜Ⅱ4后为近似平行的光束，透镜Ⅰ3和透镜Ⅱ4的扩束倍数由L2/L1决定，例如当需要扩束倍数为10倍时，可选择L1为10mm和L2为100mm。经透镜Ⅰ3和透镜Ⅱ4后的近似平行光束再垂直入射到轴棱锥光学元件5，轴棱锥的底角应选择0.5°或小于0.5°。激光器1发出的高斯光束经轴棱锥光学元件5后会产生一定距离的贝塞尔光束，利用产生的贝塞尔光束对材料进行加工。通过调节小孔光阑的半径，使轴棱锥光学元件5的入射光斑半径为4mm、底角等于0.5°时，贝塞尔光束的距离约为1m。贝塞尔光束的主光斑宽度小、能量集中，无需聚焦，且在最大无衍射距离内不发散，相当于一根“极细”的光束对材料进行加工，完全满足加工的要求。透镜Ⅰ3、透镜Ⅱ4和轴棱锥光学元件5的表面均镀有与激光器1出射波长相同的增透膜。
振镜系统6是一种由驱动板与高速摆动电机组成的一个高精度、高速度伺服控制系统，具有扫描的特性。振镜系统6将轴棱锥光学元件5产生的贝塞尔光束进行90°的翻转，经振镜系统6后扫描在被加工材料7的表面，被加工材料7通过真空吸附装置固定在三维运动平台8上。利用振镜系统6实现光的位置的移动，从而可以实现对加工材料7的加工。“极细”的贝塞尔光束的主光斑携带大量的能量，具有能量密度高的优点，同时在传播过程中不发散，可消除加工过程中形成的尖锥角等不良影响，增大激光加工的深径比，还可对复杂工件进行加工。
其原理与实施例1相同。
实施例3
如图3所示，一种激光加工装置，包括激光器1、小孔光阑2、透镜Ⅰ3、透镜Ⅱ4、轴棱锥光学元件5、反射镜6和三维运动平台8，所述激光器1、小孔光阑2、透镜Ⅰ3、透镜Ⅱ4和反射镜6的中心在水平面上，轴棱锥光学元件5和反射镜6的中心所在的平面垂直于水平面，三维运动平台8位于轴棱锥光学元件5的下方。
激光器1的出射光束经小孔光阑2的中心，小孔光阑2为可调光阑，其中心为可调的光阑中心。当激光器1的出射光束为多模时，调节小孔光阑2的孔径挡住外圈的高阶模，只允许一阶模通过，消除激光多模对加工效果的影响。经小孔光阑2后的光束经透镜组中的透镜Ⅰ3和透镜Ⅱ4准直扩束。透镜Ⅰ3、透镜Ⅱ4和反射镜6镀有与激光器1出射波长相同的高反射膜。准直扩束后的光束再经过反射镜6，反射后的光束垂直入射到轴棱锥光学元件5上，便于调节光斑，与实施例2中介绍的原理相同，激光光束经轴棱锥光学元件后变换为贝塞尔光束，贝塞尔光束直接入射被加工材料7表面，被加工材料通过机械夹具9固定在三维运动平台8上，通过计算机控制系统控制三维运动平台8可以沿设定的轨迹路线运动，以便得到所需要的加工效果。
其原理与实施例1相同。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光加工方法，其特征在于，其步骤如下：
（1）由工控机控制系统打开激光器，使激光器发射激光光束；
（2）使激光光束通过小孔光阑，实现对激光光束起选模和控制半径的作用；
（3）经过小孔光阑后的激光光束通过准直扩束系统进行准直扩束；
（4）准直扩束的激光通过轴棱锥光学元件变换为贝塞尔光束；
（5）贝塞尔光束通过振镜系统入射到被加工材料的表面。
2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述激光器为355nm紫外激光器。
3.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述激光器为皮秒或飞秒的超短脉冲的激光器。
4.根据权利要求2或3所述的激光加工方法，其特征在于，所述透镜组包括至少两个透镜，透镜表面镀有与激光器出射光束波长相同的增透膜。
5.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述轴棱锥光学元件的底角为0.5°，轴棱锥光学元件的表面镀有与激光器出射光束波长相同的增透膜。
6.根据权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，所述被加工材料的表面设置在移动平台上，被加工材料通过真空吸附装置或机械装夹方式固定在移动平台。
7.根据权利要求6所述的激光加工方法，其特征在于，所述移动平台一侧设有吹气或吸气装置。
8.一种激光加工装置，其特征在于，包括激光器（1）、小孔光阑（2）、透镜Ⅰ（3）、透镜Ⅱ（4）、轴棱锥光学元件（5）、振镜系统（6）和三维运动平台（8），所述激光器（1）、小孔光阑（2）、透镜Ⅰ（3）、透镜Ⅱ（4）、轴棱锥光学元件（5）和振镜系统（6）的中心在一个平面上，三维运动平台（8）位于振镜系统（6）的下方。
9.根据权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，所述小孔光阑（2）为可调小孔光阑。
10.一种激光加工装置，其特征在于，包括激光器（1）、小孔光阑（2）、透镜Ⅰ（3）、透镜Ⅱ（4）、轴棱锥光学元件（5）、反射镜（6）和三维运动平台（8），所述激光器（1）、小孔光阑（2）、透镜Ⅰ（3）、透镜Ⅱ（4）和反射镜（6）的中心在水平面上，轴棱锥光学元件（5）和反射镜（6）的中心所在的平面垂直于水平面，三维运动平台（8）位于轴棱锥光学元件（5）的下方。
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