CN110125536A - 一种薄膜材料去除的激光加工装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种薄膜材料去除的激光加工装置，沿着激光光线传播路径，依次设置：激光器、小孔光阑和透镜系统，所述透镜系统包括等效透镜一和透镜二，所述激光器发出的高斯光束经过小孔光阑及透镜系统后形成一个边缘锐利的像，同时所述高斯光束经过小孔光阑后，由于衍射现象而出现边缘不明显的衍射级次，不同的衍射级经过所述透镜系统汇聚叠加后将高斯光束的光斑成像为边缘锐利且平顶形状的光。本发明还公开一种薄膜材料去除的激光加工方法。本发明公开的装置和方法解决了平顶光斑整形技术复杂和薄膜材料应用难的问题。

Description

一种薄膜材料去除的激光加工装置和方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体为一种薄膜材料去除的激光加工装置和方法。

背景技术

随着激光技术的发展和激光研究的深入，激光加工应用领域、应用方式也随之扩展，要求也极高。一般的激光器输出为基模，其光束传播方向的横截面光强呈高斯分布，如图1所示，表现为中间强，周边逐渐减弱的分布。因此，利用高斯辐照度分布的激光进行热敏感基材表面薄膜材料选择性去除时，由于中间区域和边缘区域光强大小不同，或出现中间区域预先达到合适的能量密度进行物质加工，而边缘区域能量密度不足，导致边缘易产生熔融现象以及中间区域和边缘区域去除率不同，将产生去除区域的锥度等现象；或出现边缘区域达到合适的能量密度进行物质加工，而中间区域能量密度过高，基材底部将受到强热造成损伤，严重时甚至被击穿的现象。

与具有不均匀的高斯辐照度分布曲线的传统激光束相比，平顶光束具有边缘锐利，光强空间分布均匀等优点，被广泛应用到激光热处理、光的数字化处理、激光材料加工等实际应用中。特别地，平顶光束用于热敏感基材表面薄膜材料选择性去除时，既可避免激光高斯光斑较弱的边缘能量与薄膜材料相互作用时热影响的产生，又因中间区域与边缘区域能量密度相同，避免了基材受损甚至被击穿的风险,提高产品的良率和质量。

基于平顶光束上述优点，近年来先后出现各式各样的方法来实现平顶光束。理论上，可以采用偏心高斯光束叠加，多束高斯光束叠加，复宗量拉盖尔-高斯光束叠加和厄米-高斯光束合成等方法产生和模拟平顶光束。而在实验上，研究者们先后提出用吸收滤光片,微透镜阵列，衍射光学元件，双折射镜组，调制光栅等，非球面镜组等方法得到平顶光束。其中以衍射光学元件为典型代表，其在光束匀化整形方面取得极大进展，如位相片、全息片、二元光学器件等衍射元件均可获得光强分布均匀的光斑。用于光束整形的衍射元件其传统的设计方法有模拟退火法、遗传算法、G-S算法、汉克尔变换代替傅里叶变换式G-S算法等。其中模拟退火法、遗传算法是基于搜索极值的优化算法，鲁棒性强，且因收敛速度极慢，想要获取最优解，通常需要消耗大量的搜索时间。G-S算法虽然收敛速度快，但是由于使用傅里叶变换，计算量大，运算周期长，很难实现快速、准确的设计和结果分析。以汉克尔变换代替傅里叶变换应用于G-S算法的方法虽然可大大提高计算速度，节省运算时间，但是汉克尔变换仅仅适用于旋转对称性质的傅里叶变换，存在一定的局限性。现有专利存在将高斯光束整形为平顶光束的装置和方法，是利用非球面来达到整形的目的，但是缺点是需要3组扩束镜组件，每一个组件的匹配参数需要精细的调节，虽然减小了激光束腰位置的影响但是针对性并不易实现；目前还有一些方法是将光束扩束之后只截取中间部分光束来达到平顶光束的效果，能量利用率极低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种薄膜材料去除的激光加工装置和方法，解决平顶光斑整形技术复杂和薄膜材料应用难的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种薄膜材料去除的激光加工装置，沿着激光光线传播路径，依次设置：激光器、小孔光阑和透镜系统，所述透镜系统包括等效透镜一和透镜二，所述激光器发出的高斯光束经过小孔光阑及透镜系统后形成一个边缘锐利的像，同时所述高斯光束经过小孔光阑后，由于衍射现象而出现边缘不明显的衍射级次，不同的衍射级经过所述透镜系统汇聚叠加后将高斯光束的光斑成像为边缘锐利且平顶形状的光。

本发明利用对硬边小孔经过透镜系统之后形成一个边缘锐利的像，同时光束经过硬边小孔后，会发生不同程度的弯散传播，即衍射现象，出现一种明暗相间的复杂图样即衍射级次，边缘是不明显的，而不同的衍射级经过后面的透镜系统汇聚叠加后同时可以将高斯光束的光斑成像为平顶形状的光。利用本发明可以将激光的高斯分布光斑整形成平顶光斑,且平顶光斑的平顶度的RMS波动＜5％。

具体地，所述激光加工装置是基于对小孔的成像以及边缘衍射的原理实现的，其用到的衍射环的级次可为3至10级。

具体地，所述小孔光阑根据激光器激光光斑的大小选定，为了避免激光能量的过度损失，小孔光阑的直径一般为能量损耗为30％的位置，但是在不考虑能量损耗的情况下，小孔的直径可以减小，得到更小的平顶的光斑。

具体地，所述小孔光阑的形状可以是圆形，椭圆，矩形，三角形等形状。

优选地，所述激光加工装置还包括两维光束反射机构，所述两维光束反射机构设置在等效透镜一和透镜二之间。设置所述两维光束反射机构是为了实际加工使用的需要。

优选地，所述等效透镜一包括第一聚焦镜组和第二聚焦镜组，所述第一聚焦镜组具有负的焦距f′₁，焦距范围是-10mm到-1000mm，所述第二聚焦镜组具有正的焦距f′₂，焦距范围是10mm到1000mm，其中第一聚焦镜组与第二聚焦镜组的焦距的比值用M表示，所述等效透镜一的等效焦距为其中L₁₂表示等效透镜一的两组镜片的相对距离。

进一步地，所述两维光束反射机构的通光孔径根据选择的衍射环的个数以及等效透镜一的焦距比值M得到，此两维光束反射机构的通光口径必须大于光束的直径。

进一步地，所述等效透镜一的M可根据聚焦光斑的大小即需要的平顶光斑的尺寸以及小孔光阑的孔径计算可得，一般在2至10之间选取。

优选地，所述等效透镜一是可调的扩束镜的结构，令Δ₁₂＝f′₁+f′₂-L₁₂，调节L₁₂的时候，会有像面的平移，当Δ₁₂＞0时候，最后经过透镜二的像面在组合焦距焦点的前方，当Δ₁₂＜0的时候，最后经过透镜二的像面在组合焦距焦点的后方，当L₁₂＝f′₁+f′₂时，Δ₁₂＝0，最后经过透镜二的像面在组合焦距焦点的位置。

优选地，所述等效透镜一与透镜二的光学间隔设置为Δ₂₃，那么整个装置的总焦距为其中，令x_±表示像面的位置距离焦点前后的距离，x_-表示像面的位置距离焦点前的距离，x₊表示像面的位置距离焦点后的距离，则

优选地，所述激光加工装置的平顶光斑由下式计算得到：

其中，d_(foc)是聚焦镜后的平顶光斑大小，d_(hole)是小孔光阑的直径。

优选地，所述透镜二具有正的焦距f′₃，焦距范围是1-1000mm。

优选地，所述等效透镜一的M根据聚焦光斑的大小即需要的平顶光斑的尺寸以及小孔光阑的孔径计算得到，一般在2至10之间选取。

一种薄膜材料去除的激光加工方法，采用所述的激光加工装置实现，包括：

沿着激光光线传播方向，依次设置激光器、小孔光阑、等效透镜一、两维光束反射机构、透镜二和光电探测器，所述等效透镜一、两维光束反射机构和透镜二构成透镜系统；

所述激光器发出的高斯光束经过小孔光阑及透镜系统后形成一个边缘锐利的像，同时所述高斯光束经过小孔光阑后，由于衍射现象而出现边缘不明显的衍射级次，不同的衍射级经过所述透镜系统汇聚叠加后将高斯光束的光斑成像为边缘锐利且平顶形状的光；

在激光加工之前利用所述光电检测器，于所述透镜二的焦内、焦点和焦外，进行平顶光斑位置的确定；

将代加工工件放置在XYZ电动平移台上，通过调节XYZ电动平移台的Z轴，使代加工工件的上表面与平顶光斑位置对齐；

选择激光加工工艺参数并配合XYZ电动平移台完成激光加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的加工整形方法不存在复杂算法设计及超大的PC机运算量，仅仅利用简单的几何光学设计得到平顶光斑，且装置简单便捷，在激光器光路中调节方便，使用起来灵活性高、实用性强；同时利用得到的平顶光束进行热敏感基材表面薄膜材料选择性去除激光加工应用，得到的去除区域边缘光滑，锥度降低，且底部平坦，解决了现有技术中常见的热敏感基材表面薄膜材料选择性去除时去除区域边缘熔融现象，形貌呈一定锥度，以及基材底部可能受到强热造成损伤，严重时甚至被击穿等缺陷，提高了产品良率和质量。

附图说明

图1为现有技术中高斯激光光强分布示意图；

图2为平顶激光束光强分布示意图；

图3为根据实施例的本发明的激光加工装置的光路原理示意图；

图4为根据实施例的本发明热敏感基材表面薄膜材料选择性去除的整形激光束加工示意图。

图中：1激光器，2小孔光阑，3等效透镜一，4两维光束反射机构，5透镜二，6光电探测器，7整形光束，8工件，9平顶光斑位置，10XYZ电动平移台

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，本发明提供一种薄膜材料去除的激光加工整形装置，包括：激光器1、小孔光阑2、等效透镜一3(等效透镜一包括聚焦镜组31以及聚焦镜组32)、两维光束反射机构4(为了实际加工使用的需要)和透镜二5。由激光器1发出的高斯激光束通过硬边小孔光阑2会发生不同程度的弯散传播，即衍射现象，出现一种明暗相间的复杂图样即衍射级次，边缘是不明显的，而不同的衍射级经过等效透镜一3和透镜二5汇聚叠加后同时可以将高斯光束的光斑成像为边缘锐利且平顶形状的光。所述装置可以将激光的高斯分布光斑整形成平顶光斑,平顶光斑的平顶度的RMS波动＜5％。

具体地，所述装置的等效透镜一3包括聚焦镜组31以及聚焦镜组32，其中聚焦镜组31具有负的焦距f′₁，焦距范围是-10mm到-1000mm，聚焦镜组32具有正的焦距f′₂，焦距范围是10mm到1000mm其中所述等效透镜一3的等效焦距是f′_{等效透镜一}，其中，

具体地，所述等效透镜一3是可调的扩束镜的结构，令Δ₁₂＝f′₁+f′₂-L₁₂，调节等效透镜一3的两组镜片的相对距离L₁₂的时候，会有像面的平移，当Δ₁₂＞0时候，最后经过透镜组二的像面在组合焦距焦点的前方，当Δ₁₂＜0的时候，最后经过透镜组二的像面在组合焦距焦点的后方，当L₁₂＝f′₁+f′₂时，Δ₁₂＝0，最后经过透镜组二的像面在组合焦距焦点的位置。

具体地，所述透镜二5具有正的焦距f′₃，焦距范围是1-1000mm。

具体地，等效透镜一3与透镜二5的光学间隔设置为Δ₂₃，那么整个装置的总焦距为：f′_总，其中其中像面的位置距离焦点前后的距离x_及x+，x±像面的位置距离焦点前后的距离，像面的位置距离焦点前的距离表示的是x-，像面的位置距离焦点后的距离表示是x+。

具体地，所述的整体装置的平顶光斑是根据如下公式计算得到的:

其中，d_(foc)是聚焦镜后的平顶光斑大小，d_(hole)是小孔光阑的直径，

作为一种实施方式，所述的装置是基于对小孔的成像以及边缘衍射的原理，利用到的衍射环的级次为3-10级。

作为一种实施方式，所述的小孔光阑2根据激光器激光光斑的大小选定，为了避免激光能量的过度损失，小孔光阑2的直径一般为能量损耗为30％的位置，但是在不考虑能量损耗的情况下，小孔的直径可以减小，得到更小的平顶的光斑。

作为一种实施方式，所述等效透镜一3的M根据聚焦光斑的大小即需要的平顶光斑的尺寸以及小孔光阑2的孔径计算可得，一般选得2-10。

作为一种实施方式，所述两维光束反射机构4的通光孔径根据选择的衍射环的个数以及等效透镜一3的比值M得到，此两维光束反射机构4的通光口径必须大于光束的直径。

作为一种实施方式，所述小孔光阑的形状可以是圆形，椭圆，矩形，三角形等形状。

如图4所示，本发明提供一种薄膜材料去除的激光加工整形方法，包括激光器1，小孔光阑2，等效透镜一3(等效透镜一包括聚焦镜组31以及聚焦镜组32)，两维光束反射机构4(为了实际加工使用的需要)，透镜二5，光电探测器6。由激光器1发出的高斯激光束通过硬边小孔光阑2会发生不同程度的弯散传播，即衍射现象，出现一种明暗相间的复杂图样即衍射级次，边缘是不明显的，而不同的衍射级经过等效透镜一3和透镜二5汇聚叠加后同时可以将高斯光束的光斑成像为边缘锐利且平顶形状的光7。此时，光束7在所述光斑平顶位置9不再是束腰处能量最高，远离束腰处，能量逐渐降低，而是在激光光斑横截面上的能量分布均匀，如图2所示。

一般地，在工件8被加工之前需要利用所述光电检测器6，于所述透镜二5的焦内，焦点，焦外，进行所述平顶光斑位置9的确定。将工件8放置在XYZ电动平移台10上，通过调节XYZ电动平移台的Z轴，使工件8的上表面与所述平顶光斑位置9对齐。最后选择合适的工艺参数并配合XYZ电动平移台10在X、Y、Z三个方向上单独或者联动完成激光加工轨迹。所述激光加工工艺参数包括激光波长、频率、脉宽、脉冲能量、聚焦光斑大小、XYZ轴移动速度等。

实施例一

在本文公开的装置和方法中的一个实施例中，利用功率为50W波长为1064nm的皮秒激光器，加工0.3mm厚的cop塑料表面漆层，加工速度为300mm/s，加工完成后，cop塑料表面漆层去除干净，无锥度、无热影响现象，加工底部的粗糙度为0.2um。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种薄膜材料去除的激光加工装置，其特征在于，沿着激光光线传播路径，依次设置：激光器、小孔光阑和透镜系统，所述透镜系统包括等效透镜一和透镜二，所述激光器发出的高斯光束经过小孔光阑及透镜系统后形成一个边缘锐利的像，同时所述高斯光束经过小孔光阑后，由于衍射现象而出现边缘不明显的衍射级次，不同的衍射级经过所述透镜系统汇聚叠加后将高斯光束的光斑成像为边缘锐利且平顶形状的光。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜材料去除的激光加工装置，其特征在于，所述激光加工装置还包括两维光束反射机构，所述两维光束反射机构设置在等效透镜一和透镜二之间。

3.根据权利要求1所述的一种薄膜材料去除的激光加工装置，其特征在于，所述等效透镜一包括第一聚焦镜组和第二聚焦镜组，所述第一聚焦镜组具有负的焦距f₁'，焦距范围是-10mm到-1000mm，所述第二聚焦镜组具有正的焦距f₂'，焦距范围是10mm到1000mm，其中第一聚焦镜组与第二聚焦镜组的焦距的比值用M表示，所述等效透镜一的等效焦距为其中L₁₂表示等效透镜一的两组镜片的相对距离。

4.根据权利要求3所述的一种薄膜材料去除的激光加工装置，其特征在于，所述等效透镜一是可调的扩束镜的结构，令Δ₁₂＝f₁'+f₂'-L₁₂，调节L₁₂的时候，会有像面的平移，当Δ₁₂＞0时候，最后经过透镜二的像面在组合焦距焦点的前方，当Δ₁₂＜0的时候，最后经过透镜二的像面在组合焦距焦点的后方，当L₁₂＝f₁'+f₂'时，Δ₁₂＝0，最后经过透镜二的像面在组合焦距焦点的位置。

5.根据权利要求4所述的一种薄膜材料去除的激光加工装置，其特征在于，所述等效透镜一与透镜二的光学间隔设置为Δ₂₃，那么整个装置的总焦距为其中，令x_±表示像面的位置距离焦点前后的距离，x_-表示像面的位置距离焦点前的距离，x₊表示像面的位置距离焦点后的距离，则

6.根据权利要求5所述的一种薄膜材料去除的激光加工装置，其特征在于，所述激光加工装置的平顶光斑由下式计算得到：

其中，d_(foc)是聚焦镜后的平顶光斑大小，d_(hole)是小孔光阑的直径。

7.根据权利要求1所述的一种薄膜材料去除的激光加工装置，其特征在于，所述透镜二具有正的焦距f₃'，焦距范围是1-1000mm。

8.根据权利要求3所述的一种薄膜材料去除的激光加工装置，其特征在于，所述等效透镜一的M根据聚焦光斑的大小即需要的平顶光斑的尺寸以及小孔光阑的孔径计算得到，一般在2至10之间选取。

9.一种薄膜材料去除的激光加工方法，采用如权利要求1至8中任一项所述的激光加工装置实现，其特征在于，包括：

沿着激光光线传播方向，依次设置激光器、小孔光阑、等效透镜一、两维光束反射机构、透镜二和光电探测器，所述等效透镜一、两维光束反射机构和透镜二构成透镜系统；

所述激光器发出的高斯光束经过小孔光阑及透镜系统后形成一个边缘锐利的像，同时所述高斯光束经过小孔光阑后，由于衍射现象而出现边缘不明显的衍射级次，不同的衍射级经过所述透镜系统汇聚叠加后将高斯光束的光斑成像为边缘锐利且平顶形状的光；

在激光加工之前利用所述光电检测器，于所述透镜二的焦内、焦点和焦外，进行平顶光斑位置的确定；

将代加工工件放置在XYZ电动平移台上，通过调节XYZ电动平移台的Z轴，使代加工工件的上表面与平顶光斑位置对齐；

选择激光加工工艺参数并配合XYZ电动平移台完成激光加工。