CN110091056A - 一种激光加工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光加工装置及方法，所述装置包括：光源、聚焦透镜、测距单元和位置调节单元，其中，光源发出用于加工样品的激光，聚焦透镜用于将所述光源发出的激光聚焦到所述样品，测距单元用于测量所述聚焦透镜到所述样品的距离，位置调节单元用于移动所述样品以调节所述样品与所述聚焦透镜之间的距离。本发明通过采用测距单元确定样品的位移位置，可以避免人眼误差，能够在测距单元的误差范围内提供定焦精度。

Description

一种激光加工装置及方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体而言，涉及一种激光加工装置及方法。
背景技术
随着上世纪80年代钛宝石飞秒激光器的发明，飞秒激光技术得到了广泛的应用。由于飞秒激光的脉冲时间量级为飞秒，远小于电子热弛豫时间，可以极大地避免普通激光加工中热效应带来的诸多负面影响，是精密加工的理想光源。但是，在实际加工过程中，飞秒激光光斑焦点相对于样品表面的位置会极大地影响精密加工的加工精度，如果样品表面距离激光光斑焦点的位置较远，那么加工精度将快速降低。因此，解决加工过程中的定焦问题是提高飞秒激光加工精度的一个重要途径。
目前典型的定焦方法是成像定焦。先通过调节聚焦透镜位置，找到样品表面扫描宽度最小的点，认为此时样品表面处在聚焦透镜焦点位置。再在聚焦透镜反方向位置上放置一块成像透镜和一个成像CCD，调节成像透镜与聚焦透镜、CCD与成像透镜之间的相对距离，直至CCD上能清晰呈现出样品表面的像，这时可认为样品表面既处在聚焦透镜的焦点位置，也处在成像透镜的成像位置上。更换样品进行扫描加工时，只需调节样品表面的位置，当CCD上能清晰呈现出样品表面像时，即认为样品表面处在聚焦透镜的焦点位置。但是，在使用这种方法定焦时，成像位置存在景深差，即在焦点附近一段区域，CCD上都能成清晰像，无法准确判断焦点位置。经测试，在加工硅片时，若激光功率为200mW，扫描速度为0.49mm/s，离焦50μm造成的扫描线宽差在10μm左右，这在精密加工中会造成极大的加工误差。
发明内容
为了解决激光加工中定焦加工精度差的问题，本发明提供一种激光加工装置及方法。
为了实现上述目的，本发明实施例所提供的技术方案如下所示：
第一方面，本发明实施例提供一种激光加工装置，装置包括：光源、聚焦透镜、测距单元和位置调节单元，其中，光源发出用于加工样品的激光；聚焦透镜用于将所述光源发出的激光聚焦到所述样品；测距单元用于测量所述聚焦透镜到所述样品的距离；以及位置调节单元用于移动所述样品以调节所述样品与所述聚焦透镜之间的距离。
优选地，位置调节单元包括：平移台和位移反馈器，所述平移台用于移动所述样品，所述位移反馈器用于获取所述样品的位移信息以反馈控制所述平移台。
优选地，测距单元包括：激光测距仪和二向色镜，所述激光测距仪用于测量所述聚焦透镜到样品的距离，所述二向色镜用于使所述激光测距仪的测量激光和所述激光的光路重合。
优选地，装置还包括：激光功率调节单元，用于调节加工所述激光的光功率。
优选地，装置还包括：脉冲数调节单元，用于调节所述激光的脉冲数。
优选地，光源包括：飞秒激光器，用于提供时序脉冲光。
第二方面，本发明实施例还提供一种激光加工定焦方法，方法包括：测量步骤，测量待加工样品的当前位置；调节步骤，根据所述当前位置以及用于加工样品的激光的焦点位置，移动所述样品，以使所述样品位于所述焦点位置；以及加工步骤，利用所述激光加工所述样品。
优选地，在所述测量步骤前，所述方法还包括：焦点位置确定步骤，调整所述样品的位置，将所述激光在所述样品上形成的横线最短时的位置作为所述焦点位置。
优选地，在所述调节步骤中，实时采集所述样品移动的距离，以得到实时位移信息；根据所述实时位移信息反馈调整所述样品的当前位置，以使所述样品处于所述焦点位置。
优选地，在所述加工步骤中，对所述激光的光功率和/或脉冲数进行调节后利用所述激光加工所述样品。
本发明的有益效果包括：
本发明通过采用测距单元确定样品的位移位置，可以避免人眼误差，能够在测距单元的误差范围内提供定焦精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文举出本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种激光加工装置的功能框图；
图2为本发明实施例提供的一种激光加工装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种激光加工方法的流程示意图。
图示：10-激光加工装置；11-光源；12-聚焦透镜；13-测距单元；14-位置调节单元；21-飞秒激光光源；22-格兰激光棱镜；23-二分之一波片；24-机械快门；25-激光测距仪；26-二向色镜；27-聚焦透镜；28-被加工样品；29-位移反馈模块；30-三维平移台。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。
本发明实施例提供一种激光加工装置10，该激光加工装置10可以利用激光对样品进行加工，更重要的是，可以实现激光加工的精准定焦，请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种激光加工装置10的功能框图；该激光加工装置10包括：光源11发出用于加工样品的激光，聚焦透镜12用于将所述光源发出的激光聚焦到所述样品，测距单元13于测量所述聚焦透镜到所述样品的距离，位置调节单元14用于移动所述样品以调节所述样品与所述聚焦透镜之间的距离。
其中，焦点位置由人为预先设定，焦点位置的一种确定方法为：在本实施例提供的激光加工装置10，位置调节单元14移动样品相对于聚焦透镜12的垂直方向位置，以调整样品与聚焦透镜12之间的垂直距离，并且在移动样品的过程中，用通过聚焦透镜12的激光在该样品表面扫描得到一条横线，并用测量装置测量该横线宽度，判定在横线宽度最小时的样品位置，为所述焦点位置，测量装置可以为显微镜等精密测量装置，以提高确定焦点位置的精度。
本领域技术人员知晓，对于激光加工，尤其是对飞秒级激光而言，在确定焦点位置后，单纯采用人眼移动样品位置以使样品到达焦点位置，会带来很大的误差。
本发明实施例通过测距单元13进行位置确定，再由位置调节单元14根据测距单元13确定的焦点位置移动样品至焦点位置，从而实现激光通过聚焦透镜12后，能够精准定焦在样品表面。
可选的，位置调节单元14包括：平移台和位移反馈器，所述平移台用于移动所述样品，所述位移反馈器用于获取所述样品的位移信息以反馈控制所述平移台。
在进行样品位置移动过程中，得到测距单元13确定的位置信息后，平移台即开始移动样品，在移动过程中，位移反馈器实时获取位移情况，并根据位置信息，反馈控制平移台知道平移台到达位置信息对应的焦点位置，从而保证样品能够处于精准的焦点位置，提高激光加工的效果。
可选的，测距单元13包括：激光测距仪和二向色镜，所述激光测距仪用于测量所述聚焦透镜到样品的距离，所述二向色镜用于使所述激光测距仪的测量激光和所述激光的光路重合。
本领域技术人员知晓，激光加工的样品表面很可能不是平滑的，因而，需要将所述激光测距仪的测量激光与加工用的所述激光的光路重合，防止因为样品表面粗糙或者不平整，导致定焦错误的情况。
激光测距仪的精度很高，可以达到微米甚至亚微米量级，本实施例中，采用激光测距仪代替人眼确定样品应当处于的焦点位置，减小了离焦量带来的加工误差，提高了激光加工中的定焦精度。
可选的，激光加工装置10还包括：激光功率调节单元，用于调节加工所述激光的光功率。
具体的激光功率调节单元的一种实现方式为：在加工用的激光光路中添加一个二分之一波片，通过调整该二分之一波片的旋转角度，可以调节加工用的激光的功率。
可选的，激光加工装置10还包括：脉冲数调节单元，用于调节所述激光的脉冲数。
具体的，脉冲数调节单元可以为机械快门，所述加工用的激光需要经过脉冲数调节单元到达样品表面，通过控制机械快门的开关时间，进而可以控制所述加工用的激光的脉冲数。
可选的，光源11包括：飞秒激光器和格兰激光棱镜，飞秒激光器发出的激光通过格兰激光棱镜形成加工用的激光。
其中，飞秒激光的脉冲时间量级为飞秒，可以极大地避免普通激光加工中热效应带来的问题；格兰激光棱镜可以将飞秒激光器发出的激光由一束无偏光束转换为一束线偏振光，线偏振光相较于无偏光束，更方便于进行激光调节，提高加工用的激光的可调节性。
为了更方便本领域技术人员理解本发明实施例提供的激光加工装置10的整体工作过程，请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种激光加工装置的结构示意图；其中，格兰激光棱镜22结合二分之一波片23组成上述的激光功率调节单元，机械快门24对应于上述的脉冲数调节单元；该激光加工装置10的工作流程为：在进行首次激光加工前，由飞秒激光光源21发出一束激光经过所示光路到达所述被加工样品28的表面形成一条横线，控制移动三维平移台30以调节被加工样品与聚焦透镜27的垂直距离，在横线最短时的三维平移台30位置为焦点位置，并且用激光测距仪25确定此时被加工样品28的位置与所述激光测距仪25之间的光路距离；之后在实际加工中，由激光测距仪25测量当前被加工样品28的位置，并根据焦点位置确定三维平移台30的位移距离，随后三维平移台30根据所述位移距离移动，位移反馈模块29实时检测三维平移台30的实时位移信息，从而实时反馈并控制三维平移台30的位移情况，以使被加工样品28位于焦点位置；之后，飞秒激光光源21发出加工用的激光，并依次通过格兰激光棱镜22、二分之一波片23、机械快门24以及二向色镜26后经过聚焦透镜27，进而到达被加工样品28的表面实现对被加工样品28的加工，其中，激光测距仪25发出的测距光、飞秒激光光源21发出的激光均通过二向色镜26，以实现光路的重合；。
本发明实施例还提供一种激光加工方法，请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种激光加工方法的流程示意图。方法包括：
S101：测量步骤，测量待加工样品的当前位置；
S102：调节步骤，根据所述当前位置以及用于加工所述待加工样品的激光的焦点位置，移动所述待加工样品，以使所述待加工样品位于所述焦点位置；
S103：加工步骤，利用光源发出的激光加工所述待加工样品。
可选的，在步骤S101进行测量步骤前，方法还包括：焦点位置确定步骤，调整所述样品的位置，将所述激光在所述待加工样品上形成的横线最短时的位置作为所述焦点位置。
可选的，在所述调节步骤中，实时采集所述样品移动的距离，以得到实时位移信息；根据所述实时位移信息反馈调整所述待加工样品的当前位置，以使所述样品处于所述焦点位置。
可选的，在所述加工步骤中，对所述激光的光功率和/或脉冲数进行调节后利用所述激光加工所述待加工样品。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光加工装置，其特征在于，所述装置包括：
光源，发出用于加工样品的激光；
聚焦透镜，用于将所述光源发出的激光聚焦到所述样品；
测距单元，用于测量所述聚焦透镜到所述样品的距离；以及
位置调节单元，用于移动所述样品以调节所述样品与所述聚焦透镜之间的距离。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述位置调节单元包括：平移台和位移反馈器，所述平移台用于移动所述样品，所述位移反馈器用于获取所述样品的位移信息以反馈控制所述平移台。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，所述测距单元包括：激光测距仪和二向色镜，所述激光测距仪用于测量所述聚焦透镜到样品的距离，所述二向色镜用于使所述激光测距仪的测量激光和所述激光的光路重合。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，所述装置还包括：激光功率调节单元，用于调节所述激光的光功率。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，所述装置还包括：脉冲数调节单元，用于调节所述激光的脉冲数。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，所述光源为飞秒激光器，用于提供时序脉冲光。
7.一种激光加工方法，其特征在于，所述方法包括：
测量步骤，测量待加工样品的当前位置；
调节步骤，根据所述当前位置以及用于加工样品的激光的焦点位置，移动所述待加工样品，以使所述待加工样品位于所述焦点位置；
加工步骤，利用所述激光加工所述待加工样品。
8.根据权利要求7所述的激光加工方法，其特征在于，在所述测量步骤前，所述方法还包括：
焦点位置确定步骤，调整所述待加工样品的位置，将所述激光在所述待加工样品上形成的横线最短时的位置作为所述焦点位置。
9.根据权利要求7或8所述的激光加工方法，其特征在于，在所述调节步骤中，
实时采集所述样品移动的距离，以得到实时位移信息；
根据所述实时位移信息反馈调整所述待加工样品的当前位置，以使所述待加工样品处于所述焦点位置。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的激光加工方法，其特征在于，在所述加工步骤中，对所述激光的光功率和/或脉冲数进行调节后利用所述激光加工所述待加工样品。
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