CN108188570A - 一种双焦点激光加工系统及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双焦点激光加工系统，包括电源、脉冲激光发生器、分光器、凸透镜、凹面反射镜和用于放置工件的平台；分光器、凸透镜、凹面反射镜和平台依次由上至下设置；凹面反射镜的凹面面向平台，且凹面反射镜的中部开设有入射孔。本发明还提供一种双焦点激光加工方法。本发明一种双焦点激光加工系统及其加工方法，可形成两个激光聚焦点实现双焦点激光加工，从而有效提高激光能量利用率和加工效率。同时，该双焦点激光加工系统及其加工方法可实现实时调节激光焦点光斑尺寸，从而提高激光的加工精度和质量。

Description

一种双焦点激光加工系统及其加工方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，更具体地说，涉及一种双焦点激光加工系统及其加工方法。
背景技术
在玻璃、LED晶圆片、硅晶圆片和半导体等激光微细精密加工行业中，随着产品等级的提升，产品的厚度有逐渐变厚的趋势，单纯的单焦点进行多轮次多层加工的方式开始导致生产效率的下滑，所以双焦点激光精密微细加工进行效率提升就显现出重要的意义。
在许多传统激光微加工应用领域中，激光光束通过外光路后进入凸透镜聚焦后形成一个焦点，利用焦点高峰值功率密度来加工材料。随着被加工材料厚度的增加和加工效率方面的要求提升，现阶段影响加工效率的激光能量利用率越来越引起人们的重视。当激光照射到金属材料表面，由于金属存在过剩的自由电子，金属表面反射掉了大部分激光，只有一小部分激光被吸收。据文献记载，金、银、铜、铝等金属具有很低的激光吸收能力。当激光波长为1064纳米时，这些金属的激光吸收率都小于10％。因此，传统的激光微加工技术采用单焦点激光加工方式，会存在激光能量利用率的问题，从而导致加工效率和加工质量差。
另外，在激光微加工过程中，无法根据加工工件的加工需求以及现场加工的需求，来适应调节激光的光斑尺寸，从而不仅导致现阶段激光微加工的技术通用性差和实用性差，而且也会影响工件加工的定位精度和加工精度，导致工件加工质量难以达标。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种双焦点激光加工系统及其加工方法，该激光加工系统和加工方法可形成两个激光聚焦点实现双焦点激光加工，从而有效提高激光能量利用率和加工效率；更进一步的目的在于，提供一种可实时调节激光焦点光斑尺寸的双焦点激光加工系统及其加工方法，从而提高激光的加工精度和质量。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种双焦点激光加工系统，其特征在于：包括电源、脉冲激光发生器、分光器、凸透镜、凹面反射镜和用于放置工件的平台；所述分光器、凸透镜、凹面反射镜和平台依次由上至下设置；所述凹面反射镜的凹面面向平台，且凹面反射镜的中部开设有入射孔；
所述脉冲激光发生器与电源电连接，其发出的激光束通过分光器反射得到第一光束；所述第一光束依次经过凸透镜和凹面反射镜入射孔后，实现在平台的工件上聚焦形成第一焦点；在第一焦点处散射的第二光束散射至凹面反射镜，并通过凹面反射镜反射后，实现在平台的工件上聚焦形成第二焦点；所述第二焦点处散射的光束通过凹面反射镜反射聚焦至第一焦点，第一焦点处散射的光束通过凹面反射镜反射聚焦至第二焦点，实现散射的光束在两个焦点之间来回。
在上述方案中，待加工的金属材料工件放置在凹面反射镜下方的平台上，第一光束经过凸透镜后通过凹面反射镜上的入射孔聚焦在金属材料工件的表面形成第一焦点。由于金属材料工件具有很低的激光吸收率，激光束能量的一小部分被吸收，而大部分散射到凹面反射镜中形成发散。在凹面反射镜反射后，这部分激光能量再次聚焦到金属材料工件中形成第二焦点。同样，激光能量的一部分被吸收，多余的散射再次到达凹面反射镜，并再次反射到第一焦点上。在这种方式中，第一光束来回在两焦点之间，直到激光束能量被金属材料工件完全吸收，或激光束逃逸。由于该系统的光束不断在两个焦点来回散射和反射，直至激光束能量被金属材料工件吸收或逃逸，从而有效提高激光能量利用率和加工效率。
本发明还包括用于调节激光束功率的滤光片轮和衰减器；所述滤光片轮和衰减器依次设置在脉冲激光发生器和分光器之间。
本发明还包括用于实时检测激光束能量的热释电型探测器和功率计；所述热释电型探测器一端与分光器连接，另一端与功率计连接。
所述凹面反射镜与工件表面之间的距离为23.5mm≤l1≤25mm。
所述入射孔的孔径为2.5mm≤d2≤3.5mm。光纤激光光束聚焦在凸透镜后通过凹面反射镜的入射孔照射到金属材料工件上，因此入射孔的孔径应尽可能小，以减少凹面反射镜的反射能量损失，但又不能阻挡入射激光束的传播。因此，孔径为2.5mm≤d2≤3.5mm是最为适合的参数范围，而且l1应尽可能的短，因为激光束的散射将在金属材料工件的表面和凹面反射镜之间来回反射以在金属材料工件的表面产生双焦点，因此本发明将凹面反射镜与工件表面之间的距离设置为23.5mm≤l1≤25mm。
所述凸透镜的半径为25.1mm≤d0≤25.9mm；所述凸透镜的焦距为73.8mm≤f0≤74.8mm。
所述凹面反射镜的半径为25.9mm≤d1≤26.9mm；所述凹面反射镜的焦距为24.1mm≤f1≤25.1mm。
所述平台为微距移动平台；还包括用于获取微距移动平台的工件上光斑图像的CCD照相机和与电源连接的控制器；所述控制器与脉冲激光发生器信号连接；所述控制器分别与CCD照相机和微距移动平台信号连接，实现监控光斑大小来控制调节微距移动平台移动。该设计可根据加工工件的加工需求以及现场加工的需求，实时适应调节激光的光斑尺寸，从而不仅提高激光微加工技术的通用性和实用性，而且也可提高工件加工的定位精度、加工精度和质量。
一种双焦点激光加工方法，其特征在于：在放置工件的平台上依次设置中部开设有入射孔的凹面反射镜和凸透镜；所述凹面反射镜面的凹面向平台；
激光束通过分光器反射得到第一光束，所述第一光束依次经过凸透镜和凹面反射镜入射孔后，实现在平台的工件上聚焦形成第一焦点；在第一焦点处散射的第二光束散射至凹面反射镜，并通过凹面反射镜反射后，实现在平台的工件上聚焦形成第二焦点；所述第二焦点处散射的光束通过凹面反射镜反射聚焦至第一焦点，第一焦点处散射的光束通过凹面反射镜反射聚焦至第二焦点，实现散射的光束在两个焦点之间来回。
所述平台为微距移动平台；通过实时获取工件上的光斑图像来控制微距移动平台移动，实现光斑尺寸的调节。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、本发明一种双焦点激光加工系统及其加工方法，可形成两个激光聚焦点实现双焦点激光加工，从而有效提高激光能量利用率和加工效率。
2、本发明一种双焦点激光加工系统及其加工方法可实现实时调节激光焦点光斑尺寸，从而提高激光的加工精度和质量。
附图说明
图1是本发明双焦点激光加工系统的示意图；
图2是本发明形成双焦点的光路示意图；
其中，1为分光器、2为凸透镜、3为凹面反射镜、4为微距移动平台、5为金属材料工件、6为入射孔、7为第一焦点、8为第二焦点、9为滤光片轮、10为衰减器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
如图1和图2所示，本发明一种双焦点激光加工系统包括电源、脉冲激光发生器、分光器1、凸透镜2、凹面反射镜3和用于放置金属材料工件5的微距移动平台4，其中，分光器1、凸透镜2、凹面反射镜3和微距移动平台4依次由上至下设置，凹面反射镜3的凹面面向平台，且凹面反射镜3的中部开设有入射孔6。
本发明的脉冲激光发生器与电源电连接，其发出的激光束通过分光器1反射得到第一光束，第一光束依次经过凸透镜2和凹面反射镜3入射孔6后，实现在微距移动平台4的金属材料工件5上聚焦形成第一焦点7；在第一焦点7处散射的第二光束散射至凹面反射镜3，并通过凹面反射镜3反射后，实现在微距移动平台4的金属材料工件5上聚焦形成第二焦点8，而第二焦点8处散射的光束通过凹面反射镜3反射聚焦至第一焦点7，第一焦点7处散射的光束通过凹面反射镜3反射聚焦至第二焦点8，实现散射的光束在两个焦点之间来回，直至激光束能量被金属材料工件5吸收或逃逸，从而有效提高激光能量利用率和加工效率。
本发明还包括用于调节激光束功率的滤光片轮9和衰减器10，以及用于实时检测激光束能量的热释电型探测器和功率计，其中，滤光片轮9和衰减器10依次设置在脉冲激光发生器和分光器1之间，热释电型探测器一端与分光器1连接，另一端与功率计连接。
本发明的凹面反射镜3与金属材料工件5表面之间的距离l1为24.1mm，而入射孔6的孔径d2为3mm。光纤激光光束聚焦在凸透镜2后通过凹面反射镜3的入射孔6照射到金属材料工件5上，因此入射孔6的孔径应尽可能小，以减少凹面反射镜3的反射能量损失，但又不能阻挡入射激光束的传播。因此，孔径d2为3mm是最为适合的参数，而且l1应尽可能的短，因为激光束的散射将在金属材料工件5的表面和凹面反射镜3之间来回反射以在金属材料工件5的表面产生双焦点，因此本发明将凹面反射镜3与金属材料工件5表面之间的距离l1设置为24.1mm。
本实施例中，凸透镜2的焦距f0为74.3mm，凹面反射镜3的焦距f1为24.6mm。凸透镜2的半径d0为25.6mm，凹面反射镜3的半径d1为26.4mm，凸透镜2的光心到凹面反射镜3的距离l0设置为51.2mm。本发明待加工的金属材料工件5放置在凹面反射镜3下方的微距移动平台4上，第一光束经过凸透镜2后通过凹面反射镜3上的入射孔6聚焦在金属材料工件5的表面形成第一焦点7。由于金属材料工件5具有很低的激光吸收率，激光束能量的一小部分被吸收，而大部分散射到凹面反射镜3中形成发散。在凹面反射镜3反射后，这部分激光能量再次聚焦到金属材料工件5中形成第二焦点8。同样，激光能量的一部分被吸收，多余的散射再次到达凹面反射镜3，并再次反射到第一焦点7上。在这种方式中，第一光束来回在两焦点之间，直到激光束能量被金属材料工件5完全吸收，或激光束逃逸。由于该系统的光束不断在两个焦点来回散射和反射，直至激光束能量被金属材料工件5吸收或逃逸，从而有效提高激光能量利用率和加工效率。本实施例的激光束能量被金属材料工件5完全吸收或激光束逃逸后，测得的第一焦点7的能量为激光束能量的41％，第二焦点8的能量为激光束能量的41％。因此，本发明的双焦点激光加工系统可有效提高激光能量利用率，从而提高金属材料工件5的加工效率。
本发明还包括用于获取微距移动平台的金属材料工件5上光斑图像的CCD照相机和与电源连接的控制器，控制器与脉冲激光发生器信号连接，并且控制器分别与CCD照相机和微距移动平台4信号连接，实现监控光斑大小来控制调节微距移动平台4移动。该设计可根据加工工件的加工需求以及现场加工的需求，实时适应调节激光的光斑尺寸，从而不仅提高激光微加工技术的通用性和实用性，而且也可提高工件加工的定位精度、加工精度和质量。
本发明一种双焦点激光加工方法，在放置金属材料工件5的微距移动平台4上依次设置中部开设有入射孔6的凹面反射镜3和凸透镜2，凹面反射镜3的凹面面向平台；
激光束通过分光器反射得到第一光束，第一光束依次经过凸透镜2和凹面反射镜3入射孔后，实现在微距移动平台4的金属材料工件5上聚焦形成第一焦点7；在第一焦点7处散射的第二光束散射至凹面反射镜3，并通过凹面反射镜3反射后，实现在微距移动平台4的金属材料工件5上聚焦形成第二焦点8；第二焦点8处散射的光束通过凹面反射镜3反射聚焦至第一焦点7，第一焦点7处散射的光束通过凹面反射镜3反射聚焦至第二焦点8，实现散射的光束在两个焦点之间来回。
本发明的方法还通过实时获取金属材料工件5上的光斑图像来控制微距移动平台4移动，实现光斑尺寸的调节。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双焦点激光加工系统，其特征在于：包括电源、脉冲激光发生器、分光器、凸透镜、凹面反射镜和用于放置工件的平台；所述分光器、凸透镜、凹面反射镜和平台依次由上至下设置；所述凹面反射镜的凹面面向平台，且凹面反射镜的中部开设有入射孔；
所述脉冲激光发生器与电源电连接，其发出的激光束通过分光器反射得到第一光束；所述第一光束依次经过凸透镜和凹面反射镜入射孔后，实现在平台的工件上聚焦形成第一焦点；在第一焦点处散射的第二光束散射至凹面反射镜，并通过凹面反射镜反射后，实现在平台的工件上聚焦形成第二焦点；所述第二焦点处散射的光束通过凹面反射镜反射聚焦至第一焦点，第一焦点处散射的光束通过凹面反射镜反射聚焦至第二焦点，实现散射的光束在两个焦点之间来回。
2.根据权利要求1所述的双焦点激光加工系统，其特征在于：还包括用于调节激光束功率的滤光片轮和衰减器；所述滤光片轮和衰减器依次设置在脉冲激光发生器和分光器之间。
3.根据权利要求1所述的双焦点激光加工系统，其特征在于：还包括用于实时检测激光束能量的热释电型探测器和功率计；所述热释电型探测器一端与分光器连接，另一端与功率计连接。
4.根据权利要求1所述的双焦点激光加工系统，其特征在于：所述凹面反射镜与工件表面之间的距离为23.5mm≤l1≤25mm。
5.根据权利要求1所述的双焦点激光加工系统，其特征在于：所述入射孔的孔径为2.5mm≤d2≤3.5mm。
6.根据权利要求1所述的双焦点激光加工系统，其特征在于：所述凸透镜的半径为25.1mm≤d0≤25.9mm；所述凸透镜的焦距为73.8mm≤f0≤74.8mm。
7.根据权利要求1所述的双焦点激光加工系统，其特征在于：所述凹面反射镜的半径为25.9mm≤d1≤26.9mm；所述凹面反射镜的焦距为24.1mm≤f1≤25.1mm。
8.根据权利要求1所述的双焦点激光加工系统，其特征在于：所述平台为微距移动平台；还包括用于获取微距移动平台的工件上光斑图像的CCD照相机和与电源连接的控制器；所述控制器与脉冲激光发生器信号连接；所述控制器分别与CCD照相机和微距移动平台信号连接，实现监控光斑大小来控制调节微距移动平台移动。
9.一种双焦点激光加工方法，其特征在于：在放置工件的平台上依次设置中部开设有入射孔的凹面反射镜和凸透镜；所述凹面反射镜的凹面面向平台；
激光束通过分光器反射得到第一光束，所述第一光束依次经过凸透镜和凹面反射镜入射孔后，实现在平台的工件上聚焦形成第一焦点；在第一焦点处散射的第二光束散射至凹面反射镜，并通过凹面反射镜反射后，实现在平台的工件上聚焦形成第二焦点；所述第二焦点处散射的光束通过凹面反射镜反射聚焦至第一焦点，第一焦点处散射的光束通过凹面反射镜反射聚焦至第二焦点，实现散射的光束在两个焦点之间来回。
10.根据权利要求9所述的双焦点激光加工方法，其特征在于：所述平台为微距移动平台；通过实时获取工件上的光斑图像来控制微距移动平台移动，实现光斑尺寸的调节。
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