CN108747000A

CN108747000A - 一种多功能激光精密加工设备

Info

Publication number: CN108747000A
Application number: CN201810610941.5A
Authority: CN
Inventors: 王军龙; 李广; 李本海; 冯巧玲; 薛亚飞; 李凯; 雷名威
Original assignee: Beijing Aerospace Control Instrument Institute
Current assignee: Beijing Aerospace Control Instrument Institute
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2018-11-06
Anticipated expiration: 2038-06-13
Also published as: CN108747000B

Abstract

根据本发明实施例的一种多功能激光精密加工设备，包括：激光器；扩束器；衰减器；第一全反镜；第二全反镜；第三全反镜；旋转反射镜；第四全反镜；扫描振镜模块；第五全反镜；第一摄像头；在线检测探针；第六全反镜；光束调控模块；第七全反镜；第二摄像头；第三摄像头；位移平台；其中，旋转反射镜可在向第四全反镜反射激光束的位置与向第六全反镜反射激光束的位置间可切换。根据本发明实施例的一种多功能激光精密加工设备，视器件的加工要求而定，切割、修调工艺过程可以单独进行，也可两个依次进行；可以是先切割后修调，也可以是先修调后切割。

Description

一种多功能激光精密加工设备

技术领域

本发明涉及一种多功能激光精密加工设备，特别涉及一种可以实现切割、修调的多功能激光精密加工设备。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，人们对器件的尺寸、精度、性能、稳定性提出了更高的要求，尤其在半导体、光电子、光通讯行业。激光加工作为一门新兴技术有效满足了器件的高品质加工需求，利用激光高能量密度、小光斑尺寸、非接触的特点，实现了各类精密器件的切割、焊接、清洗、修调等。

对于激光精密切割，现有技术主要采用脉冲激光器作为加工源，大部分使用纳秒、皮秒激光。一方面由于纳秒、皮秒激光器产品相对成熟，另一方面由于更短脉宽的飞秒激光器价格昂贵。但由于纳秒、皮秒激光的脉宽往往都大于10皮秒，在加工过程中存在明显的热效应，容易产生热变形、热裂纹等影响产品质量、合格率的问题。与此同时，长脉宽还导致了激光脉冲的峰值功率低，在保证切割质量的前提下单次切割深度小。

对于激光修调，根据修调对象与精度要求，选用不同的激光器与修调方法。在半导体行业，尤其mems制造领域，由于修调精度要求在微米或微克量级，通常采用飞秒激光器作为加工源，应用高精度移动平台进行器件定位、加工。但现有技术存在效率低的问题，即每次修调后，需要离线观察、检测修调结果，二次修调定位耗时。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种多功能激光精密加工设备。

根据本发明实施例的一种多功能激光精密加工设备，包括：

激光器；

扩束器，所述扩束器设在所述激光器的正右方；

衰减器，所述衰减器设在所述扩束器的正右方；

第一全反镜，所述第一全反镜设在所述衰减器的正右方；

第二全反镜，所述第二全反镜设在所述第一全反镜的正下方；

第三全反镜，所述第三全反镜设在所述第二全反镜的正左方；

旋转反射镜，所述旋转反射镜设在所述第三全反镜的正下方；

第四全反镜，所述第四全反镜设在所述旋转反射镜的正右方；

扫描振镜模块，所述扫描振镜模块设在所述第四全反镜的正下方；

第五全反镜，所述第五全反镜设在所述扫描振镜模块的正左方且位于所述旋转反射镜的右侧；

第一摄像头，所述第一摄像头设在所述第五全反镜的正上方；

在线检测探针，所述在线检测探针设在所述第五全反镜的正下方；

第六全反镜，所述第六全反镜设在所述旋转反射镜的正左方；

光束调控模块，所述光束调控模块设在所述第六全反镜的正下方；

第七全反镜，所述第七全反镜设在所述光束调控模块的正右方且位于所述旋转反射镜的左侧；

第二摄像头，所述第二摄像头设在所述第七全反镜的正上方；

第三摄像头，所述第三摄像头设在所述旋转反射镜的正下方；

位移平台，所述位移平台可左右移动地设在所述在线检测探针、所述第七全反镜和所述第三摄像头的下面；

其中，所述旋转反射镜可在向所述第四全反镜反射激光束的位置与向所述第六全反镜反射激光束的位置间可切换。

有利地，所述的多功能激光精密加工设备还包括光闸，所述光闸设在所述第一全反镜与所述第二全反镜之间。

有利地，所述的多功能激光精密加工设备还包括功率检测装置，所述功率检测装置设在所述第二全反镜与所述第三全反镜之间。

有利地，所述第一摄像头为20倍摄像头。

有利地，所述第二摄像头为10倍摄像头。

有利地，所述第三摄像头为50倍摄像头。

有利地，所述激光器为飞秒激光器、纳秒激光器或皮秒激光器。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的一种多功能激光精密加工设备的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来详细描述根据本发明实施例的一种多功能激光精密加工设备。

如图1所示，根据本发明实施例的一种多功能激光精密加工设备，包括：激光器101，扩束器102，衰减器103，第一全反镜104，第二全反镜105，第三全反镜106，旋转反射镜107，第四全反镜108，扫描振镜模块109，第五全反镜110，第一摄像头111，在线检测探针112，第六全反镜113，光束调控模块114，第七全反镜115，第二摄像头116，第三摄像头117，位移平台118。

具体而言，激光器101可以为飞秒激光器、纳秒激光器或皮秒激光器，发射加工用飞秒激光束、纳秒激光束或皮秒激光束。

扩束器102设在激光器101的正右方，对激光器出射的激光束进行扩束准直。

衰减器103设在扩束器102的正右方，对激光束功率进行衰减，即控制激光功率大小。

第一全反镜104设在衰减器103的正右方。

第二全反镜105设在第一全反镜104的正下方。

第三全反镜106设在第二全反镜105的正左方。

旋转反射镜107设在第三全反镜106的正下方。

第四全反镜108设在旋转反射镜107的正右方。

扫描振镜模块109设在第四全反镜108的正下方，对激光束修调参量进行调整。

第五全反镜110设在扫描振镜模块109的正左方且位于旋转反射镜107的右侧。

第一摄像头111设在第五全反镜110的正上方。有利地，第一摄像头111可以为20倍摄像头。

在线检测探针112设在第五全反镜110的正下方。

第六全反镜113设在旋转反射镜107的正左方。

光束调控模块114设在第六全反镜113的正下方，对激光束切割参量进行调整。

第七全反镜115设在光束调控模块114的正右方且位于旋转反射镜107的左侧。

第二摄像头116设在第七全反镜115的正上方。有利地，第二摄像头116可以为10倍摄像头。

第三摄像头117设在旋转反射镜107的正下方。有利地，第三摄像头117可以为50倍摄像头。

位移平台118可左右移动地设在在线检测探针112、第七全反镜115和第三摄像头117的下面，实现器件在二维水平面上的运动。

其中，旋转反射镜107可在向第四全反镜108反射激光束的位置与向第六全反镜113反射激光束的位置间可切换。换言之，旋转反射镜107可旋转，改变激光束传播方向，实现切割/修调功能切换。

根据本发明的一个示例，所述的多功能激光精密加工设备还包括光闸119，光闸119设在第一全反镜104与第二全反镜105之间，，对光路中激光束进行物理阻断，控制加工的开始和结束。

根据本发明的一个示例，所述的多功能激光精密加工设备还包括功率检测装置，功率检测装置120设在第二全反镜105与第三全反镜106之间，功率检测装置120包括功率计和分光镜，对光路中激光束的功率进行实时检测。

根据本发明实施例的一种多功能激光精密加工设备的工作过程：

如图1所示，开启激光器101发射激光束，光束经扩束器102实现扩束准直。通过衰减器103实现对激光束功率大小的调节，使其满足切割/修调工艺需求。激光束经第一全反镜104，第二全反镜105，第三全反镜106传输至旋转反射镜107。功率检测装置120对加工光路中激光束功率进行实时检测。

旋转反射镜107在默认位置下，激光束经反射进入修调功能光路，后进入扫描振镜模块109，以设定好的修调图案及扫描速度、填充间距进行器件表面的修调。采用第一摄像头111对待修调器件进行校正、定位，并对修调过程进行实时观察。在线检测探针112与待修调器件实时接触，监测器件谐振频率等检测量，直至修调结果满足加工要求。修调结束后，移动位移平台118至第三摄像头117正下方，调节焦距后对器件表面形貌进行观察、拍摄。

旋转反射镜107转动90度，激光束经反射进入切割功能光路，后进入光束调控模块114，以设定好的切割路径、移动速度、切割层间距进行器件的切割。采用第二摄像头116对待切割器件进行校正、定位，并对切割过程进行实时观察。切割结束后，移动位移平台118至第三摄像头117正下方，调节焦距后对器件表面形貌进行观察、拍摄。

下面，以采用飞秒激光器为例，对器件进行切割、修调加工过程进行简单介绍：

将器件固定在位移平台118上，通过第二摄像头116对器件进行校正、定位。设置切割过程中，器件的移动路径、移动速度以及器件单层切割完毕后沿水平面垂直方向的移动量。

开启飞秒激光器101发射激光束，激光平均功率20W，脉宽800fs，重频100KHz。激光束经扩束器102实现扩束准直，光斑大小10mm。

通过衰减器103调节激光束功率至5W，将旋转反射镜107旋转90度，同时关闭光闸119，激光束经全反镜第一全反镜104，第二全反镜105，第三全反镜106传输至旋转反射镜107，通过功率检测装置120对光路中激光功率进行实时检测，确保功率的稳定。

激光束经由旋转反射镜107射入切割功能光路，后进入光束调控模块114，最终到达器件待切割位置。位移平台118以设定好的切割路径、移动速度进行移动，每次单层切割完毕后，调节光束调控模块114水平面垂直方向上位置，使激光束焦点位置满足切割层间距要求。待器件最终切割完毕，打开光闸119，关闭光路中激光束，移动位移平台118至激光修调工位，通过第一摄像头111对器件进行定位，无需第二次校正。

设置修调过程中，器件的修调图案、扫描速度及填充间距，将在线检测探针112固定于器件待检测位置，实时检测器件谐振频率。调节激光脉宽至400fs，重频10KHz，衰减器5调节激光束功率至2W，关闭光闸119，开始进行修调工作，直至修调检测结果满足加工要求，即驱动模态与检测模态频差波动范围优于100Hz。修调结束后，移动位移平台118至第三摄像头117正下方，调节焦距后对器件表面形貌进行观察、拍摄。

切割、修调工艺过程可以单独进行，也可两个依次进行；可以是先切割后修调，也可以是先修调后切割，视器件的加工要求而定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种多功能激光精密加工设备，其特征在于，包括：

激光器；

扩束器，所述扩束器设在所述激光器的正右方；

衰减器，所述衰减器设在所述扩束器的正右方；

第一全反镜，所述第一全反镜设在所述衰减器的正右方；

2.根据权利要求1所述的多功能激光精密加工设备，其特征在于，还包括光闸，所述光闸设在所述第一全反镜与所述第二全反镜之间。

3.根据权利要求1所述的多功能激光精密加工设备，其特征在于，还包括功率检测装置，所述功率检测装置设在所述第二全反镜与所述第三全反镜之间。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的多功能激光精密加工设备，其特征在于，所述第一摄像头为20倍摄像头。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的多功能激光精密加工设备，其特征在于，所述第二摄像头为10倍摄像头。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的多功能激光精密加工设备，其特征在于，所述第三摄像头为50倍摄像头。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的多功能激光精密加工设备，其特征在于，所述激光器为飞秒激光器、纳秒激光器或皮秒激光器。