CN107900032A - 一种皮秒激光清洗装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种皮秒激光清洗装置，包括控制系统以及水冷系统、腔倒空激光器系统、光学传输系统和凹面镜扫描系统，所述的水冷系统、腔倒空激光器系统和凹面镜扫描系统分别与控制系统连接，腔倒空激光器系统产生的高能量脉冲激光通过光学传输系统传送至凹面镜扫描系统，水冷系统通过冷却水的循环，带走腔倒空激光器系统产生的热量，控制系统对水冷系统的水温和凹面镜扫描系统的扫描线宽、扫描方向及扫描频率进行控制；所述的腔倒空激光器系统包括半导体泵浦激光器、耦合透镜、输入镜、增益介质、薄膜偏振片、普克尔盒以及半导体可饱和吸收镜；本发明整体结构简单，体积小，性能稳定，适用范围广、生产维护容易，具有广阔的应用前景。

Description

一种皮秒激光清洗装置
技术领域
本发明属于激光清洗技术领域，主要涉及一种激光清洗装置，尤其涉及基于腔倒空技术的皮秒激光清洗装置。
背景技术
激光以其单色性好、发散角小、高亮度、高能量密度等特点，自上个世纪60年代科学家梅曼研制出第一台激光器以来，被广泛应用于军事、医疗、工业等多个领域。而激光清洗技术主要利用激光能量密度高的特性，用聚焦后的激光作用于工件的表面，使表面的污染物、锈斑或涂层产生焰化、气化或者震动等物理或化学变化，从而使表面的附着物或者涂层高速、有效地被清除。
与工业生产中常用的手工/机械摩擦清洗、化学腐蚀清洗、液体固体强力冲击清洗、高频超声清洗等传统清洗方法相比，激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应、不损伤基底、清洗洁净度和效率高、操作方便快捷、运行成本低、无二次污染，材质适应性广泛和不损害操作人员健康等特点。激光清洗技术作为一种最可靠、最有效的“绿色”清洗技术在清洗行业中独具优势。
随着工业技术的发展，在加工过程中对效率和精密度的要求越来越高，尤其是对于半导体器件以及电子元器件等超精密零件的清洗，传统的机械和化学方法等已经难以满足对清洗精度的要求。因此，激光清洗技术除了轮胎模具、脱漆除锈、建筑材料等方面的应用以外，还可以满足光学材料、微电子元件表面等高精度、精密器件的清洗。随着大规模集成电路的飞速发展，IC集成度逐步提高，针脚越来越多，即使微米级污垢也可能会影响电子产品的工作性能。通过化学或机械等传统的清洗方式，很容易造成器件表面的损伤。而激光清洗技术利用金属和非金属材料对同一波长激光的吸收系数不同，在清除氧化层污染物的同时不会造成元器件的损坏。而且激光清洗技术具有对准精度高等优势，完全可以满足微电子器件、光学元件等精密零件对清洗精度的要求。
相对于国外的激光清洗设备种类、型号、方法技术齐全，国内对于激光清洗技术的研究和设备的开发尚处于起步阶段，基本上是跟踪国外的发展。虽然在较短时间内取得了一些成果，但是与国外相比还存在一定的差距。目前，国内开发的激光清洗产品多是采用调Q（声光/电光）的方式获得纳秒级高峰值功率的激光脉冲输出，通过聚焦透镜会聚成小光斑以形成高能量密度来达到清洗阈值。
这种激光清洗方式操作方便、体积较小，但由于峰值功率低，对于一些顽固污染物，需要较大的脉冲能量，易导致系统体积庞大。而使用皮秒量级的激光脉冲进行清洗时，由于其脉冲宽度更窄，峰值功率高，只要很小的脉冲能量就能达到便可以达到污染物的清洗阈值。
现阶段获取皮秒激光脉冲的方式主要通过谐振腔，通过在腔内加入锁模元器件，从而实现皮秒量级激光脉冲的输出。但是其输出脉冲的重复频率由谐振腔的腔长决定，其数值大小一般为50-150兆赫兹（MHz），且输出的单脉冲能量通常只有纳焦（nJ）量级，应用范围有限。
而在谐振腔后加上激光脉冲放大系统，可有效地提高脉冲能量的输出，满足实际应用的需求。但是放大系统同时需要种子光谐振腔和放大腔，存在系统尺寸较大、不易调节、成本昂贵等问题，不利于激光清洗系统的集成及小型化。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于腔倒空技术的皮秒激光清洗装置，该装置结构简单，可以在单个谐振腔中实现高重复频率（10kHz-1MHz）、大脉冲能量（uJ微焦量级）的激光脉冲输出，满足微电子器件、光学元件等精密零件激光清洗的应用要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种皮秒激光清洗装置，包括控制系统以及顺序连接的水冷系统、腔倒空激光器系统、光学传输系统和凹面镜扫描系统，所述的水冷系统、腔倒空激光器系统和凹面镜扫描系统分别与控制系统连接，腔倒空激光器系统产生的高能量脉冲激光通过光学传输系统传送至凹面镜扫描系统，水冷系统通过冷却水的循环，带走腔倒空激光器系统产生的热量，保证设备正常稳定的运行，控制系统对水冷系统的水温和凹面镜扫描系统的扫描线宽、扫描方向及扫描频率进行控制；所述的腔倒空激光器系统包括半导体泵浦激光器以及布置在激光传输路径上的耦合透镜、输入镜、增益介质、薄膜偏振片、普克尔盒以及半导体可饱和吸收镜；所述的凹面镜扫描系统包括凹面反射镜和一维振镜系统，凹面反射镜直接将来自光学传输系统的激光束聚焦成点状光斑，一维振镜系统将点状光斑沿一个方向来回扫动形成变为长条形脉冲激光能量线。
所述的一种皮秒激光清洗装置，其光学传输系统包括沿脉冲激光传输路径布置的耦合系统、高能光纤以及光束整形系统，所述的耦合系统将腔倒空激光器系统输出的脉冲激光耦合进入高能光纤，高能光纤将脉冲激光传输至光束整形系统，光束整形系统将来自高能光纤的激光束进行准直并传送给后续的凹面镜扫描系统。
所述的一种皮秒激光清洗装置，其增益介质为Nd掺杂的晶体。
进一步，所述的增益介质为Nd:YVO4，Nd:GdVO4或Nd:LuVO4。
本发明的积极效果在于：
1，系统整体结构简单，体积小，性能稳定，适用范围广、生产维护容易，具有广阔的应用前景；
2，利用腔倒空技术在单个谐振腔内产生重复频率高、峰值功率高及脉冲能量高、而脉宽短的皮秒脉冲激光输出，其能量密度能够达到诸多材料的清洗阈值，且激光器系统结构紧凑；
3，凹面镜扫描系统通过凹面镜直接聚焦，节省空间体积，减小扫描系统的尺寸。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明腔倒空激光器系统的结构示意图；
图3为本发明光学传输系统的结构示意图；
图4为本发明凹面镜扫描系统的结构示意图。
各附图标记为：1—腔倒空激光器系统，1.1—半导体泵浦激光器，1.2—耦合透镜，1.3—输入镜，1.4—增益介质，1.5—薄膜偏振片，1.6—普克尔盒，1.7—半导体可饱和吸收镜，2—光学传输系统，2.1—耦合系统，2.2—高能光纤，2.3—光束整形系统，3—凹面镜扫描系统，3.1—一维振镜系统，3.2—凹面反射镜，4—控制系统，5—水冷系统。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下：
如图1所示，本发明公开了一种基于腔倒空技术的皮秒激光清洗装置，主要由腔倒空激光器系统1、光学传输系统2、凹面镜扫描系统3、控制系统4和水冷系统5组成。其中水冷系统5、腔倒空激光器系统1、凹面镜扫描系统3分别与控制系统4连接，腔倒空激光器系统1与凹面镜扫描系统3之间通过光学传输系统2连接，腔倒空激光器系统1产生的高能量脉冲激光通过光学传输系统2传送至凹面镜扫描系统3，水冷系统5通过冷却水的循环，带走腔倒空激光器系统1产生的热量，保证设备正常稳定的运行，控制系统4对水冷系统5的水温进行控制，以保证激光清洗设备工作在允许的温度范围内，同时在激光清洗过程中对凹面镜扫描系统3的扫描线宽、扫描方向及扫描频率进行控制；控制系统4还对腔倒空激光器系统1输出的激光脉冲能量、脉冲重复频率进行控制和调节。
如图2所示，所述的腔倒空激光器系统1包括半导体泵浦激光器1.1（LD）、耦合透镜1.2、输入镜1.3、增益介质1.4、薄膜偏振片1.5、普克尔盒1.6（PC）以及半导体可饱和吸收镜1.7（SESAM），其中增益介质1.4的材料可选择为Nd掺杂的晶体，如Nd:YVO4，Nd:GdVO4，Nd:LuVO4等，以获得皮秒的激光脉冲输出。
半导体泵浦激光器1.1输出高功率的泵浦光，经过耦合透镜1.2进行耦合、准直后，经输入镜1.3聚焦到增益介质1.4上，对增益介质1.4进行泵浦，由于设计了满足稳定区间的腔型，同时在腔内加入锁模元件—半导体可饱和吸收镜1.7进行被动锁模，以形成皮秒级脉冲激光振荡。
腔内的锁模脉冲经半导体可饱和吸收镜1.7反射后，两次通过普克尔盒1.6，使其由之前振荡的垂直偏振光旋转90°变为水平偏振光，可将腔内大部分的脉冲能量由薄膜偏振片1.5进行倒出，实现高重复频率、大脉冲能量的皮秒脉冲激光输出。
谐振腔内形成稳定的锁模脉冲振荡后，普克尔盒1.6上以一定的工作频率加载λ/4波电压，通过普克尔盒1.6改变腔内激光的偏振状态，利用腔倒空技术，在单个谐振腔内，实现满足清洗应用需求的高重复频率、大脉冲能量的皮秒脉冲激光输出。
如图3所示，所述的光学传输系统2包括沿脉冲激光传输路径布置的耦合系统2.1、高能光纤2.2以及光束整形系统2.3，所述的耦合系统2.1用于将腔倒空激光器系统1输出的脉冲激光耦合进入高能光纤2.2，高能光纤2.2用于低损地将脉冲激光传输至光束整形系统2.3，光束整形系统2.3用于将来自高能光纤2.2的激光束进行准直并传送给后续的凹面镜扫描系统3。
如图4所示，所述的凹面镜扫描系统3包括凹面反射镜3.2和一维振镜系统3.1，利用凹面反射镜3.2直接将来自光学传输系统2的脉冲激光聚焦成点状光斑，不需要平面反射镜和聚焦透镜的组合，以节省空间体积，减小扫描系统的体积；采用一维振镜系统3.1将聚焦的点状光斑以一定频率沿一个方向来回扫描形成长条形脉冲激光能量线来完成零件的清洗工作，在进行激光清洗过程中，可通过手持来回扫动或与工作平台相互配合来完成清洗工作。
本发明采用基于腔倒空技术的振荡器作为激光清洗设备的激光光源，可以提供满足各种清洗需求的脉冲峰值功率密度。
与传统的纳秒级激光器相比，此腔倒空激光器系统具有更窄的激光脉冲，更高的峰值功率；与锁模谐振腔激光器相比，具有更高的脉冲能量；而与谐振腔+放大腔的激光放大系统相比，具有更小的尺寸，且成本更低、更加节能、清洗效率更高等。
尺寸较小的激光器系统使得激光清洗设备结构紧凑，易于做成其他工作模式，可以有效地增大其应用范围。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种皮秒激光清洗装置，其特征在于：包括控制系统（4）以及顺序连接的水冷系统（5）、腔倒空激光器系统（1）、光学传输系统（2）和凹面镜扫描系统（3），所述的水冷系统（5）、腔倒空激光器系统（1）和凹面镜扫描系统（3）分别与控制系统（4）连接，腔倒空激光器系统（1）产生的高能量脉冲激光通过光学传输系统（2）传送至凹面镜扫描系统（3），水冷系统（5）通过冷却水的循环，带走腔倒空激光器系统（1）产生的热量，保证设备正常稳定的运行，控制系统（4）对水冷系统（5）的水温和凹面镜扫描系统（3）的扫描线宽、扫描方向及扫描频率进行控制；
所述的腔倒空激光器系统（1）包括半导体泵浦激光器（1.1）、耦合透镜（1.2）、输入镜（1.3）、增益介质（1.4）、薄膜偏振片（1.5）、普克尔盒（1.6）以及半导体可饱和吸收镜（1.7）；
所述的凹面镜扫描系统（3）包括凹面反射镜（3.2）和一维振镜系统（3.1），凹面反射镜（3.2）直接将来自光学传输系统（2）的激光束聚焦成点状光斑，一维振镜系统（3.1）将点状光斑沿一个方向来回扫动形成变为长条形脉冲激光能量线。
2.根据权利要求1所述的一种皮秒激光清洗装置，其特征在于，所述的光学传输系统（2）包括沿脉冲激光传输路径布置的耦合系统（2.1）、高能光纤（2.2）以及光束整形系统（2.3），所述的耦合系统（2.1）将腔倒空激光器系统（1）输出的脉冲激光耦合进入高能光纤（2.2），高能光纤（2.2）将脉冲激光传输至光束整形系统（2.3），光束整形系统（2.3）将来自高能光纤（2.2）的激光束进行准直并传送给后续的凹面镜扫描系统（3）。
3.根据权利要求2所述的一种皮秒激光清洗装置，其特征在于，所述的增益介质（1.4）为Nd掺杂的晶体。
4.根据权利要求3所述的一种皮秒激光清洗装置，其特征在于，所述的增益介质（1.4）为Nd:YVO4，Nd:GdVO4或Nd:LuVO4。
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