CN108274112A - 空芯光纤传输式紫外激光微加工装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空芯光纤传输式紫外激光微加工装置及加工方法，该装置由顺次连接的紫外激光器、光纤耦合器件、空芯光纤传输机构和光纤聚焦器件组成，其中紫外激光器用于产生紫外波段的激光，光纤耦合器件用于将产生的紫外激光耦合传输至空芯光纤传输机构，空芯光纤传输机构用于将接收到的紫外激光传输至加工工件表面或者工件内部的狭小空间中，光纤聚焦器件则起到将空芯光纤传输机构传输的紫外激光进行聚焦，使其可以用于加工微小部件或者在工件内部狭小的空间内进行加工。该加工装置体积小、重量轻、灵活度高，集成了光纤传输技术，可处理加工工件内部微小结构，具有微加工的作用，扩大了紫外激光设备的应用范围，加工方法简单精准。

Description

空芯光纤传输式紫外激光微加工装置及加工方法

技术领域

本发明属于激光加工设备技术领域，涉及一种紫外激光加工装置及加工方法，具体地说涉及一种空芯光纤传输式紫外激光微加工装置及加工方法。

背景技术

近年来随着激光器的可靠性和实用性的提高以及计算机技术的迅速发展与光学器件的改进，促进了激光技术的发展。而随着对小型电子产品和微电子元器件需求的日益增长，聚合物材料的精密处理日渐成为激光在工业应用中发展最快的应用领域之一，紫外激光器是处理广泛应用于微电子元器件工业中的金属、塑料等材料的理想工具，已被广泛应用于消费电子、医学、生物工程、激光诊疗、3D打印等领域。

与红外激光器及可见光激光器相比，紫外激光可以直接破坏连接物质原子组分的化学键，可有效切割加工物质而不破坏周围环境，除此之外紫外激光器还具有如下优点：(1)紫外激光器的输出波长较短，可以聚焦到很小的光斑，可对尺寸细微的部件进行加工，热效应小；(2)紫外激光拥有较大的光子能量，对于很多非金属材料的加工，不会产生高热量，被处理的材料具有光滑的边缘和最小程度的碳化，紫外激光加工是一种“冷”加工处理技术；(3)紫外激光可被大部分材料吸收，可加工许多红外和可见光激光器无法加工的材料，应用范围更广泛。

目前传统紫外激光加工系统主要包括三轴数控运动平台、紫外激光器、空间外光路和聚焦系统等机构，紫外激光器固定在机柜上，紫外激光通过空间外光路导入聚焦系统后输出，聚焦系统固定在三轴数控运动平台的Z轴上，被加工工件放置于数控运动平台台面，通过数控运动平台的移动或外光路光束的偏转实现紫外激光加工。但是上述紫外激光加工系统存在体积庞大、笨重、不灵活、难于移动、价格昂贵的问题，另外其只能加工肉眼可见的器件和器件位置，无法对工件内部狭小的空间进行激光加工。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于传统紫外加工设备占用空间大、不便携、价格高、不能处理微小的结构或者工件内部的细小结构，从而提出一种结构简单、紧凑、价格低廉、可处理肉眼不可见的微小结构及工件内部结构的空芯光纤传输式紫外激光微加工装置及加工方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供一种空芯光纤传输式紫外激光微加工装置，所述装置由顺次连接的紫外激光器、光纤耦合器件、空芯光纤传输机构和光纤聚焦器件组成。

作为优选，所述紫外激光器的发射光波长小于400nm。

作为优选，所述光纤耦合器件为光学棱镜组、耦合物镜、光学透镜阵列、全息漫反射器件、衍射光学元件中的任一种或几种的组合。

作为优选，所述空芯光纤传输机构为至少一条中心波长处于紫外波段的空芯光纤。

作为优选，所述光纤聚焦器件连接于所述空芯光纤传输机构光纤输出的一端，为球面结构、锥形结构、侧向发射结构或径向发射结构中的至少一种。

作为优选，所述光纤聚焦器件为光学透镜组。

作为优选，所述光学透镜组包括至少一个光学透镜。

本发明还提供一种利用所述空芯光纤传输式紫外激光微加工装置进行加工的方法，其包括如下步骤：

S1、紫外激光器发射紫外激光光束；

S2、光纤耦合器将所述紫外激光光束耦合入空芯光纤传输机构；

S3、所述紫外激光光束经空芯光纤传输机构传输至所述空芯光纤传输机构输出端的光纤聚焦器件；

S4、所述光纤聚焦器件将激光光束聚焦至工件待加工部位进行加工。

作为优选，所述待加工部位位于工件内部空间。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的空芯光纤传输式紫外激光微加工装置，该装置由顺次连接的紫外激光器、光纤耦合器件、空芯光纤传输机构和光纤聚焦器件组成，其中紫外激光器用于产生紫外波段的激光，光纤耦合器件用于将紫外激光器产生的紫外激光耦合传输至空芯光纤传输机构，空芯光纤传输机构用于将接收到的紫外激光传输至加工工件表面或者工件内部的狭小空间中，光纤聚焦器件则起到将空芯光纤传输机构传输的紫外激光进行聚焦，使其可以用于加工微小部件或者在工件内部狭小的空间内进行加工。该加工装置体积小、重量轻、灵活度高，集成了光纤传输技术，可处理加工工件内部微小结构，具有微加工的作用，扩大了紫外激光设备的应用范围。

(2)本发明所述的空芯光纤传输式紫外激光微加工装置，所述空芯光纤传输机构包括中心波长在紫外波段范围内的、可高能量低损耗稳定传输紫外波段激光的至少一条空芯光纤。所述空芯光纤与传统光纤不同，其以空气作为传输介质，由于空气具有高均匀性且折射率约为1，大大减小了光传输时因介质不均匀导致的散射几率，散射损耗小，具有优异的光斑输出质量，另外其对光的吸收少、散热效率高，因此空芯光纤具有较大的能量损伤阈值。

(3)本发明所述的空芯光纤传输式紫外激光微加工装置，通过改变紫外激光器的功率与频率，并搭配特定的光线耦合器件和光纤聚焦器件，从而调整最终产生的聚焦光斑的直径以及能量密度，控制空芯光纤传输机构到合适位置，对待加工工件表面的微小部位进行微加工或者对工件内部狭小空间中的结构进行加工，应用范围更为广泛。

(4)本发明所述的利用空芯光纤传输式紫外激光微加工装置进行加工的方法，利用空芯光纤传输机构将紫外激光导到待加工工件表面，经光纤聚焦器件聚焦后进行激光加工，由于光纤直径小、柔性高，可深入工件内部，当工件内部狭小的空间中有需要激光加工的部件时，可采用所述微加工装置将激光导入工件内部进行微加工，该加工方法工艺简单、加工精度高、应用范围广。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明实施例所述的空芯光纤传输式紫外激光微加工装置的结构示意图。

图中附图标记表示为：1-紫外激光器；2-光纤耦合器件；3-空芯光纤传输机构；4-光纤聚焦器件。

本发明可以以多种不同的形式实施，不应该理解为限于在此阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开是彻底和完整的，并将本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大各装置的尺寸和相对尺寸。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

具体实施方式

实施例

本实施例提供一种空芯光纤传输式紫外激光微加工装置，所述装置可用于对工件表面进行微加工，也可以对位于工件内部狭小空间的结构进行微加工，其应用范围更广，可广泛应用于消费电子、医学、生物工程、激光诊疗、3D打印、半导体工业等领域。

如图1所示，所述装置由顺次连接的紫外激光器1、光纤耦合器件2、空芯光纤传输机构3和光纤聚焦器件4组成。

具体地，所述紫外激光器1为发射光波长小于400nm的常规紫外激光器，其作为激光光源用于产生紫外波段的激光。

所述光纤耦合器件2为光学棱镜组、耦合物镜、光学透镜阵列、全息漫反射器件、衍射光学元件中的任一种或几种的组合。根据处理工件的不同从上述元件中选择一种或几种组合搭配，将紫外激光器1产生的紫外激光耦合并传输至空芯光纤传输机构3中。

所述空芯光纤传输机构3为中心波长处于紫外波段范围内的至少一条空芯光纤，所述空芯光纤与传统光纤不同，其不是通过全内反射导光而是从微结构的空隙中传导光，仅能传导包层的光子带隙覆盖的紫外波段范围内的光，其可以高能量低损耗地稳定传输紫外波段激光，所述空芯光纤的材质一般为金属加介电膜或氧化物玻璃或晶体，以空气为传输介质。由于空气具有高均匀性，且折射率约为1，大大减小了紫外激光传输时因介质不均匀而发生的散射几率，散射损耗小，光斑输出质量优异，同时对光的吸收小、散热效率高，具有较大的能量损失阈值。所述光纤耦合传输机构3可将紫外激光传输至工件表面或者工件内部、对处于工件内部狭小空间中的结构进行激光加工。

所述光纤聚焦器件4为光学透镜组，所述光学透镜组包括至少一个光学透镜，可根据加工需求，选择并组合不同的光学透镜。所述光学透镜用于将空芯光纤传输机构3传输的紫外激光进行聚焦，使激光以微小的光斑照射到工件表面或者工件内部狭小空间中的结构表面，进行微加工处理。

为了进一步提高紫外激光的能量密度，所述光纤聚焦器件4连接于空芯光纤的光线输出端，其为球面结构、锥形结构、侧向发射结构或径向发射结构中的一种或几种结构的组合。

本实施例中，所述光纤聚焦器件4为光学透镜组，所述光学透镜组包括至少一个光学透镜，根据实际需求选取不同类型的光学透镜组合得到光纤聚焦器件。

本实施例还提供一种利用所述空芯光纤传输式紫外激光微加工装置进行激光加工的方法，包括如下步骤：

S1、首先采用紫外激光器1产生紫外波段的激光作为光源；

S2、光纤耦合器件2将紫外激光器1产生的紫外激光耦合如空芯光纤传输机构3内进行传输；

S3、空芯光纤传输机构3将紫外激光传输至工件表面或工件内狭小空间中的待加工结构表面；

S4、最后光纤聚焦器件4将空芯光纤传输机构3传输的紫外激光进行聚焦，并照射到工件表面或内部待加工部位进行微加工。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种空芯光纤传输式紫外激光微加工装置，其特征在于，所述装置由顺次连接的紫外激光器、光纤耦合器件、空芯光纤传输机构和光纤聚焦器件组成。

2.根据权利要求1所述的空芯光纤传输式紫外激光微加工装置，其特征在于，所述紫外激光器的发射光波长小于400nm。

3.根据权利要求2所述的空芯光纤传输式紫外激光微加工装置，其特征在于，所述光纤耦合器件为光学棱镜组、耦合物镜、光学透镜阵列、全息漫反射器件、衍射光学元件中的任一种或几种的组合。

4.根据权利要求1-3任一项所述的空芯光纤传输式紫外激光微加工装置，其特征在于，所述空芯光纤传输机构为至少一条中心波长处于紫外波段的空芯光纤。

5.根据权利要求4所述的空芯光纤传输式紫外激光微加工装置，其特征在于，所述的光纤聚焦器件连接于所述空芯光纤传输机构光纤输出的一端，为球面结构、锥形结构、侧向发射结构或径向发射结构中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的空芯光纤传输式紫外激光微加工装置，其特征在于，所述光纤聚焦器件为光学透镜组。

7.根据权利要求6所述的空芯光纤传输式紫外激光微加工装置，其特征在于，所述光学透镜组包括至少一个光学透镜。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述的空芯光纤传输式紫外激光微加工装置进行加工的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、紫外激光器发射紫外激光光束；

S2、光纤耦合器将所述紫外激光光束耦合入空芯光纤传输机构；

S3、所述紫外激光光束经空芯光纤传输机构传输至所述空芯光纤传输机构输出端的光纤聚焦器件；

S4、所述光线聚焦器件将激光光束聚焦至工件待加工部位进行加工。

9.根据权利要求8所述的利用空芯光纤传输式紫外激光微加工装置进行加工的方法，其特征在于，所述待加工部位位于工件表面或内部空间。