CN106735875B - 一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工系统及方法，系统包括激光器、第一反射镜、λ/2波片、扩束镜、第二反射镜、第一空间光调制器、第二空间光调制器、λ/4波片、第一透镜、第三反射镜、空间滤波器、第四反射镜、第二透镜、分光镜、第三透镜、CCD相机、振镜、场镜、工作台和电脑；本发明利用液晶空间光调制器波前调制特性，提出一种激光光束数量、光束形状及质量、偏振态、角动量等多参数可控的广适应性的柔性激光加工技术，再结合波前测量和反馈技术，不仅能够校正波前像差，而且能够把高能量光束分解成任意的二维或三维低能量多光束，且该光束的形状和偏振态等参数灵活控制，是高质量、高效、极高的适应性和灵活性的激光加工技术。

Description

一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工系统及方法

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，涉及一种激光柔性微加工系统及方法，具体涉及一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工系统及方法。

背景技术

激光具有能量密度高、方向性好、高相干性、热影响区小等优点，在工业加工领域中备受青睐.激光加工是激光产业的重要应用，与常规的机械加工相比，激光加工更精密、更准确、更迅速.该技术利用激光束与物质相互作用的特性对包括金属与非金属的各种材料进行加工，涉及到了焊接、切割、打标、打孔，热处理、成型等多种加工工艺。

目前，国内激光加工主要在高功率激光切割和焊接等宏加工中具有较大的优势，但在激光微加工领域与世界先进水平仍存在不小差距。随着小型电子产品和微电子元器件需求量的日益增长，对于加工材料(尤其是聚合物材料以及高熔点材料)的精密处理日渐成为激光在工业应用中发展最快的领域之一。激光独一无二的特性使之成为微处理的理想工具，广泛应用于微电子、微机械和微光学加工三大领域。但是现有激光微加工方法主要利用单束激光聚焦后达到很高的能量密度进行材料加工，存在加工效率低、能量利用率低和适应性差等不足，因此研究一种柔性激光微加工技术理论和方法具有重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术中加工效率低、能量利用率低和适应性差的问题，本发明提供了一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工系统及方法。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工系统，其特征在于：包括激光器、第一反射镜、λ/2波片、扩束镜、第二反射镜、第一空间光调制器、第二空间光调制器、λ/4波片、第一透镜、第三反射镜、空间滤波器、第四反射镜、第二透镜、分光镜、第三透镜)、CCD相机、振镜、场镜、工作台和电脑；

所述激光器发出的激光光束依次经过所述第一反射镜、λ/2波片后入射到所述扩束镜中进行扩束，扩束后的光束依次经过所述第二反射镜、第一空间光调制器后入射到所述第二空间光调制器上，出射光依次经过所述λ/4波片、第一透镜、第三反射镜、空间滤波器、第四反射镜、第二透镜后入射所述分光镜中，分出来的光一部分经过所述第三透镜聚焦后入射到所述CCD相机中，用于观测光束能量分布均匀性，另一部分将第二空间光调制器近场的像传递到所述振镜中，经所述场镜聚焦后入射在所述工作台上，用于加工样品；所述电脑分别与所述第一空间光调制器、第二空间光调制器、CCD相机连接，用于控制所述第一空间光调制器、第二空间光调制器、CCD相机工作。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用空间光调制器的控制软件和相关的Labview算法生成目标全息图，并且分别加载到第一空间光调制器、第二空间光调制器上，同时根据激光加工目的调节λ/2波片和λ/4波片的晶体主截面与入射光振动面的夹角；根据需求，可调控光束数量、偏振态、整形、角动量等，具体如下：

1)光束数量调控：利用Labview算法生成指定激光光束位置和数量的全息图，并将全息图加载到第二空间光调制器上，第一空间光调制器不加载任何全息图，作为反射镜使用。

2)光束偏振态调控：利用空间光调制器的控制软件生成灰度值随极角变化的相位全息图，并加载到第二空间光调制器上，第一空间光调制器不加载任何全息图，作为反射镜使用，同时根据所需偏振类型分别调节λ/2波片和λ/4波片的晶体主截面与入射光振动面的夹角。

3)光束整形：利用空间光调制器的控制软件生成反高斯分布的灰度掩膜图并模拟二元光栅，再利用画图软件在二元光栅中加入需要整形的图案形成掩模图，将得到的反高斯分布的灰度掩膜图加载到SLM上，包含模拟二元光栅的掩模图加载到SLM上。

步骤2：把激光器发出的激光光束设置为水平偏振后以小于10°的入射角入射到第一空间光调制器和第二空间光调制器上；

步骤3：将经过第二空间光调制器后产生的非加工光用空间滤波器去除；

步骤4：利用由第一透镜和第二透镜组成的4f系统将用于加工的光在第二空间光调制器近场的像传递到振镜中，经场镜聚焦后入射在所述工作台上，用于加工样品；

步骤5：使用分光镜把能量10％的加工光通过第三透镜聚焦后传递到CCD相机中进行观察。

本发明利用液晶空间光调制器波前调制特性，研究一种激光光束数量、光束形状及质量、偏振态、角动量等多参数可控的广适应性的柔性激光加工技术。再结合波前测量和反馈技术，受益于空间光调制器的可编程性，不仅能够校正波前像差,而且能够把高能量光束分解成任意的二维或三维低能量多光束，且该光束的形状和偏振态等参数灵活控制，满足多种需求，是一种高质量、高效、极高的适应性和灵活性的激光加工技术。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构图；

图2是本发明实施例的激光光束数量控制产生的光栅叠加全息图；

图3是本发明实施例的调节径向偏振的全息图；

图4(a)(b)分别为本发明实施例的激光光束整形时加载到第一空间光调制器和第二空间光调制器上的掩膜图。

其中，1是激光器，2第一反射镜，3是λ/2波片，4是扩束镜，5是第二反射镜，6第一空间光调制器，7是第二空间光调制器，8是λ/4波片，9第一透镜，10是第三反射镜，11是空间滤波器，12是第四反射镜，13是第二透镜，14是分光镜，15是第三透镜，16是CCD相机，17是振镜，18是场镜，19是工作台，20是电脑。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工系统，包括激光器1、第一反射镜2、λ/2波片3、扩束镜4、第二反射镜5、第一空间光调制器6、第二空间光调制器7、λ/4波片8、第一透镜9、第三反射镜10、空间滤波器11、第四反射镜12、第二透镜13、分光镜14、第三透镜15、CCD相机16、振镜17、场镜18、工作台19和电脑20；激光器1发出的激光光束依次经过第一反射镜2、λ/2波片3后入射到扩束镜4中进行扩束，扩束后的光束依次经过第二反射镜5、第一空间光调制器6后入射到第二空间光调制器7上，出射光依次经过λ/4波片8、第一透镜9、第三反射镜10、空间滤波器11、第四反射镜12、第二透镜13后入射分光镜14中，分出来的光一部分经过第三透镜15聚焦后入射到CCD相机16中，用于观测光束能量分布均匀性，另一部分将第二空间光调制器7近场的像传递到振镜17中，经场镜18聚焦后入射在工作台19上，用于加工样品；电脑20分别与第一空间光调制器6、第二空间光调制器7、CCD相机16连接，用于控制第一空间光调制器6、第二空间光调制器7、CCD相机16工作。

实施例1：本发明提供一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工方法，包括以下步骤：

步骤1，利用Labview算法中的叠加式GL算法或者迭代式的GS算法生成指定激光光束位置和数量的全息图，如图2所示，并将全息图加载到第二空间光调制器SLM7(以下简称“SLM7”)上，第一空间光调制器SLM6(以下简称“SLM6”)不加载任何全息图，作为反射镜使用；本实施例的Labview算法、SLM6和SLM7由电脑20控制，激光光束为任意位置和任意数量，全息图由多个光栅叠加生成，改变光束位置或者数量时全息图也会随之改变。

步骤2，把激光器1发出的激光光束入射到扩束镜4中进行扩束，扩束倍数为2～5倍，然后将扩束后的光束以小于10°的入射角入射到SLM7上，入射的激光光束经过全息图后会发生衍射。

步骤3，将经过SLM7后不发生衍射的零阶光用空间滤波器11去除，衍射光能量主要集中在+1阶光上用于加工，其他阶光能量远小于材料的损伤阈值，可以忽略不计；本实施例的空间滤波器11选用孔径光阑，调控范围为1～12mm。

步骤4，利用光学4f成像原理，使用第一透镜9和第二透镜13组成光学4f成像系统，将+1阶光在SLM7近场的像传递到振镜17中，经场镜18聚焦后用于加工样品。本实施例的光学4f系统中第一透镜9和第二透镜13焦距都为1000mm；本实施例的光学4f系统中第一透镜9位于SLM7后1000mm处，第二透镜13位于透镜9后2000mm处；本实施例的场镜18焦距为160mm。

步骤5，为了检测多光束能量分布，在光学4f系统中第二透镜13后加入分束镜14，将分出来的光经过第三透镜15聚焦后入射到CCD相机16中，用于观测光束能量分布均匀性。本实施例的分光镜14能量透射率为90％，反射率为10％；所述经过分光镜的光源为去除零阶光后的+1阶光；本实施例的CCD相机16位于第三透镜15后焦点5mm处。

实施例2：本发明提供一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工方法，包括以下步骤：

步骤1，首先利用SLM的控制软件生成灰度值随极角变化的相位全息图，如图3所示，并将全息图加载到SLM7上，SLM6不加载任何全息图，作为反射镜使用；所述相位全息图以中心为原点，灰度值随着极角的变化而逐渐变化，角度变化范围为0-4π。

步骤2，分别调节λ/2波片3和λ/4波片8的角度，使λ/2波片3与快轴呈22.5°，λ/4波片8与快轴呈-45°；所述λ/2波片3和λ/4波片8均为多级波片，所述λ/2波片3安装在SLM7前面，λ/4波片8安装在SLM7后面。

步骤3，把激光器1发出的激光光束入射到扩束镜4中进行扩束，扩束倍数为2～5倍，然后将扩束后的光束以小于10°的入射角入射到SLM7上，入射的激光光束经过全息图后偏振类型由线偏振变为径向偏振。

步骤4，利用光学4f成像原理，使用第一透镜9和第二透镜13组成光学4f成像系统，将激光光束在SLM7近场的像传递到振镜17中，经场镜18聚焦后用于加工样品，同时在第一透镜9后1000mm2f(2f是指4f系统中第二个交点处)处放置检偏器将非偏振光去除。本实施例的光学4f系统中第一透镜9和第三透镜13焦距都为1000mm；本实施例的光学4f系统中第一透镜9位于SLM7后1000mm处，第二透镜13位于透镜9后2000mm处；所述场镜焦距为160mm；本实施例的检偏器为偏振片。

步骤5，为了检测偏振光束形态和能量分布，在光学4f系中第二透镜13后加入分束镜14，将分出来的光经过第三透镜15聚焦后入射到CCD相机16中，用于观测偏振光斑能量分布均匀性。本实施例的分光镜14能量透射率为90％，反射率为10％，所述经过分光镜的光源为去除非偏振光的径向偏振光；本实施例的CCD相机16位于第三透镜15后焦点5mm处。

实施例3：本发明提供一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工方法，包括以下步骤：

步骤1，首先利用SLM的控制软件生成反高斯分布的灰度掩膜图并模拟二元光栅，再利用画图软件在二元光栅中加入需要整形的图案形成掩模图，如图4所示。所述掩模图灰度调节范围为0～255，同时调节整形区域图形灰度值为0，二元光栅灰度值分别为0、105。

步骤2，将步骤1中得到的反高斯分布的灰度掩膜图加载到SLM6上，包含模拟二元光栅的掩模图加载到SLM7上，移动掩模图位置，使图形中心与激光光斑中心重合，然后把激光器1发出的激光光束入射到扩束镜4中进行扩束，扩束倍数为2～5倍，然后以小于10°的入射角度入射到SLM6上，入射的高斯光束经过灰度掩模后会在SLM6近场附近变为平顶光束。

步骤3，将步骤2中得到的平顶光束以小于10°的入射角度入射到SLM7上，光束照射到光栅部分会发生衍射，照射到灰度值为0的整形图形部分会发生全反射，使用空间滤波器11将发生衍射的高阶光去除，只保留发生全反射的零阶光，用于加工；本实施例的空间滤波器11为孔径光阑，其大小可调，调控范围为1～12mm。

步骤4，利用光学4f成像原理，使用第一透镜9和第二透镜13组成光学4f成像系统，将零阶光在SLM7近场的像传递到振镜17中，经场镜18聚焦后用于加工样品。本实施例的光学4f系统中第一透镜9和第二透镜13焦距都为1000mm；本实施例的光学4f系统中第一透镜9位于SLM7后1000mm处，第二透镜13位于透镜9后2000mm处。本实施例的场镜18焦距为160mm。

步骤5，为了检测整形后光束能量分布，在光学4f系中第二透镜13后加入分束镜14，将分出来的光经过第三透镜15聚焦后入射到CCD相机16中，用于观测整形光斑能量分布均匀性。本实施例的分光镜14能量透射率为90％，反射率为10％，经过分光镜的光源为去除高阶光后的零阶光；本实施例的CCD相机16位于第三透镜15后焦点5mm处。

尽管本说明书较多地使用了激光器1、第一反射镜2、λ/2波片3、扩束镜4、第二反射镜5、第一空间光调制器6、第二空间光调制器7、λ/4波片8、第一透镜9、第三反射镜10、空间滤波器11、第四反射镜12、第二透镜13、分光镜14、第三透镜15、CCD相机16、振镜17、场镜18、工作台19和电脑20等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工系统，其特征在于：包括激光器(1)、第一反射镜(2)、λ/2波片(3)、扩束镜(4)、第二反射镜(5)、第一空间光调制器(6)、第二空间光调制器(7)、λ/4波片(8)、第一透镜(9)、第三反射镜(10)、空间滤波器(11)、第四反射镜(12)、第二透镜(13)、分光镜(14)、第三透镜(15)、CCD相机(16)、振镜(17)、场镜(18)、工作台(19)和电脑(20)；

所述激光器(1)发出的激光光束依次经过所述第一反射镜(2)、λ/2波片(3)后入射到所述扩束镜(4)中进行扩束，扩束后的光束依次经过所述第二反射镜(5)、第一空间光调制器(6)后入射到所述第二空间光调制器(7)上，出射光依次经过所述λ/4波片(8)、第一透镜(9)、第三反射镜(10)、空间滤波器(11)、第四反射镜(12)、第二透镜(13)后入射所述分光镜(14)中，反射光经过所述第三透镜(15)聚焦后入射到所述CCD相机(16)中，用于观测光束能量分布均匀性，经过分光镜(14)的透射光将第二空间光调制器(7)近场的像传递到所述振镜(17)中，经所述场镜(18)聚焦后入射在所述工作台(19)上，用于加工样品；所述电脑(20)分别与所述第一空间光调制器(6)、第二空间光调制器(7)、CCD相机(16)连接，用于控制所述第一空间光调制器(6)、第二空间光调制器(7)、CCD相机(16)工作。

2.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工系统，其特征在于：所述扩束镜(4)的扩束倍数为2～5倍。

3.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工系统，其特征在于：所述空间滤波器(11)为孔径光阑，调控范围为1～12mm。

4.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工系统，其特征在于：所述分光镜(14)能量透射率大于90％，反射率小于10％。

5.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工系统，其特征在于：所述CCD相机(16)位于第三透镜(15)后焦点5mm处。

6.一种基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用空间光调制器和Labview算法生成目标全息图，并且分别加载到第一空间光调制器(6)、第二空间光调制器(7)上，同时根据激光加工目的调节λ/2波片(3)和λ/4波片(8)的晶体主截面与入射光振动面的夹角；

步骤2：把激光器(1)发出的激光光束设置为水平偏振后以小于10°的入射角入射到第一空间光调制器(6)和第二空间光调制器(7)上；

步骤3：将经过第二空间光调制器(7)后产生的非加工光用空间滤波器(11)去除；

步骤4：利用由第一透镜(9)和第二透镜(13)组成的4f系统将用于加工的光在第二空间光调制器(7)近场的像传递到振镜(17)中，经场镜(18)聚焦后入射在工作台(19)上，用于加工样品；

步骤5：使用分光镜(14)把能量10％的加工光通过第三透镜(15)聚焦后传递到CCD相机(16)中进行观察。

7.根据权利要求6所述的基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工方法，其特征在于：步骤1中所述Labview算法为叠加式的GL算法或者迭代式的GS算法。

8.根据权利要求6所述的基于液晶空间光调制器的激光柔性微加工方法，其特征在于：步骤1中，根据需求调控光束数量、偏振态、整形、角动量；

所述光束数量调控，是利用Labview算法生成指定激光光束位置和数量的全息图，并将全息图加载到第二空间光调制器(7)上，第一空间光调制器(6)不加载任何全息图，作为反射镜使用；

所述光束偏振态调控，是利用空间光调制器的控制软件生成灰度值随极角变化的相位全息图，并加载到第二空间光调制器(7)上，第一空间光调制器(6)不加载任何全息图，作为反射镜使用，同时根据所需偏振类型分别调节λ/2波片(3)和λ/4波片(8)的晶体主截面与入射光振动面的夹角；

所述光束整形，是利用空间光调制器的控制软件生成反高斯分布的灰度掩膜图并模拟二元光栅，再利用画图软件在二元光栅中加入需要整形的图案形成掩模图，将得到的反高斯分布的灰度掩膜图加载到第一空间光调制器(6)上，包含模拟二元光栅的掩模图加载到第二空间光调制器(7)上。