CN110605484A - 一种滤光片的激光切割装置 - Google Patents

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李璐
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Abstract

本发明公开了一种滤光片的激光切割方法及装置，所述装置包括：超快激光器、光束整形模组、聚焦物镜、视觉检测装置、以及运动平台；视觉检测装置位于聚焦物镜上部，运动平台位于聚焦物镜下部用于承载待滤光片，聚焦物镜为视觉检测装置的成像物镜；超快激光器发出超短脉冲激光束入射光束整形模组，经过光束整形模组整形成能量均匀分布的线状无衍射光束后入射聚焦物镜，经过聚焦物镜聚焦形成切割滤光片的高能量密度无衍射光束。本发明切割后获得的各个元件截面及上下表面均成型规整、直线度好、表面膜层无明显破坏，且切割过程中形成的改质层厚度与位置可根据基板厚度或实际要求进行选择以满足不同规格的加工需求。

Description

一种滤光片的激光切割装置
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种滤光片的激光切割方法及装置。
背景技术
滤光片作为一种可实现特定波长通过或截至的光学元件，是航空航天精密遥感、光通信、高性能相机等领域的关键功能部件，借助它可以实现更高精度与灵敏度的探测与高质量信息传输。如为实现航空航天领域的多波段探测，抑制红外背景辐射，在所采用的多波段红外视觉检测装置内会安装多个特定波段范围的红外滤光片组；在光通信器件的收发模块中，通过选定所需波长的信号可显著提升通讯质量，并抑制传输过程中的噪声干扰；高性能相机的镜头前加入特定滤光片则可提高成像质量。基本上在所有领域应用时，均需将大块滤光片按需求尺寸要求切割成较小的单个元件进行组装使用。
随着视觉检测装置的集成化与小型化发展，其需要加工的滤光片尺寸也越来越小，而对加工质量的要求则不断提高。当前对滤光片进行切割加工的传统方法主要有线轮拉丝切割与机械轮式切割两种。其中线轮拉丝切割由多组线轮两两相对排列，再由切割丝穿绕在线轮上，通过控制线轮间的间距便可实现不同尺寸滤光片的切割。该方法可以切割得到多个滤光片且对滤光片的伤害小，但受线轮拉丝结构的限制，该方法加工的滤光片尺寸不可能小于线轮的直径尺寸。而机械轮式切割则是用刀片直接对滤光片基板进行加工，该方法所采用的刀片会对滤光片表面膜层造成很大伤害，且切割过程中用到的冷却液体会对表面膜产生污染。
综上所述，传统的滤光片加工方法已无法满足其应用时的成型切割要求。而激光技术的发展为滤光片的加工提供了很好的解决方法。尤其是经历了连续激光与长脉冲激光加工技术的不断积累和发展后，超快激光(脉宽小于10 -12秒)被认为是相关材料加工的优选手段。超快激光凭借极高的峰值功率及与对其透明的材料作用过程中的非线性吸收效应可对材料进行内部改质，该改质过程不直接去除材料，为实现高效、高质量切割加工提供可能。但以激光器直接输出的高斯光束进行内部改质切割获得的改质区域仅有很小的宽度，这便导致切割较厚材料后出现较多裂纹。
相关研究结果表明，切割断面的改善是提高切割质量的关键，且一定程度增大改质层的厚度可以提高切割质量。无衍射线状聚焦光斑凭借可获得更宽的改质层便在相关材料的加工领域备受关注，但直接产生的无衍射光束能量延其传播方向分布不均匀，这意味着采用直接产生的无衍射光束切割后断面虽可以无裂纹，但不均匀的光束能量分布会导致切割后的改质层形态不均匀。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种滤光片的激光切割方法及装置，从而克服采用现有的滤光片的切割方法切割质量差的问题。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种滤光片的激光切割装置，其中，包括：超快激光器、光束整形模组、聚焦物镜、视觉检测装置、以及运动平台；
视觉检测装置位于聚焦物镜上部，运动平台位于聚焦物镜下部用于承载待滤光片，聚焦物镜为视觉检测装置的成像物镜；
超快激光器发出超短脉冲激光束入射光束整形模组，经过光束整形模组整形成能量均匀分布的线状无衍射光束后入射聚焦物镜，经过聚焦物镜聚焦形成切割滤光片的高能量密度无衍射光束。
所述的滤光片的激光切割装置，其中，所述光束整形模组包括：无衍射光束产生模块，将入射的超短脉冲激光束生成初始无衍射光束输出；
能量均匀化整形模块，将无衍射光束产生模块输出的初始无衍射光束整形成能量均匀分布的线状无衍射光束。
所述的滤光片的激光切割装置，其中，所述能量均匀化整形模块包括：中间区域对光束的能量衰减大于周围区域的衰减片。
所述的滤光片的激光切割装置，其中，所述衰减片在无衍射光束的输出方向旋转设置。
所述的滤光片的激光切割装置，其中，所述无衍射光束产生模块包括轴棱锥。
所述的滤光片的激光切割装置，其中，所述超快激光器产生的超短脉冲激光束的脉宽小于100皮秒。
所述的滤光片的激光切割装置，其中，所述激光切割装置还包括用于对超快激光器、光束整形模组、聚焦物镜、视觉检测装置、以及运动平台进行控制的控制系统。
本发明的有益效果是：
本发明通过光束整形模组整形成能量均匀分布的线状无衍射光束进行滤光片切割，切割后获得的各个元件截面及上下表面均成型规整、直线度好、表面膜层无明显破坏，且切割过程中形成的改质层厚度与位置可根据基板厚度或实际要求进行选择以满足不同规格的加工需求。
附图说明
图1是本发明实施例的滤光片的激光切割装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种滤光片的激光切割方法及装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1所示，本发明实施例提供的一种滤光片的激光切割装置100，其中，包括：超快激光器110、光束整形模组120、聚焦物镜130、视觉检测装置200、以及运动平台210；其中，视觉检测装置200位于聚焦物镜130上部，运动平台210位于聚焦物镜130下部用于承载待滤光片300，聚焦物镜 130为视觉检测装置200的成像物镜；聚焦物镜130、视觉检测装置200、以及运动平台210构成加工过程对焦定位系统，可实现不同类型滤光片加工过程的切割定位及精准对焦；超快激光器110发出超短脉冲激光束入射光束整形模组120，经过光束整形模组120整形成能量均匀分布的线状无衍射光束后入射聚焦物镜130，经过聚焦物镜130聚焦形成切割滤光片300的高能量密度无衍射光束。
本发明通过光束整形模组整形成能量均匀分布的线状无衍射光束进行滤光片切割，切割后获得的各个元件截面及上下表面均成型规整、直线度好、表面膜层无明显破坏，且切割过程中形成的改质层厚度与位置可根据基板厚度或实际要求进行选择以满足不同规格的加工需求。
本发明实施例采用的无衍射光束能量均匀化处理装置关键元件为中间区域对光束的能量衰减大于周围区域的衰减片。直接形成的无衍射光束能量分布不均匀的根本所在是其光束的中间区域能量更为集中，配以特定的能量衰减装置可将能量分布进行均匀化处理。且无衍射光束产生的本质是波前的干涉，因此该元件衰减特性(不同区域衰减比例)调整后可位于无衍射光束产生元件前的不同区域(例如虚线位置)，本实施例中，采用中间及外环区域衰减更强的具有环状特性衰减装置大致放于最优实线位置处，可获得最优能量分布的无衍射光束，此最佳位置为初始光束长度的一半。
进一步的，本实施例中，所述无衍射光束产生模块包括轴棱锥或其他能达到相同效果的元器件或系统。所述超快激光器产生的超短脉冲激光束的脉宽小于100ps。所述激光切割装置还包括用于对超快激光器110、光束整形模组120、聚焦物镜130、视觉检测装置200、以及运动平台210进行控制的控制系统400(控制器)，控制系统400可实现切割定位与对焦过程的自动控制，将整形后的无衍射光束聚焦进行滤光片切割。
进一步的，本实施例所述视觉检测装置为CCD相机，CCD相机相机位于聚焦物镜的正上方，该物镜既作为激光聚焦物镜，也作为CCD相机的成像物镜，具体的，本实施例所选的物镜数值孔径值为0.5、倍率为50倍，CCD相机像素为40万。
本发明提出基于能量均匀分布的线状聚焦无衍射光束进行滤光片切割，其切割后的改质层质量与高斯光束、整形前无衍射光束相比均有极大改善，可进一步提升激光技术在相关材料加工应用的优势。
综上，本发明基于滤光片加工持续提高的需求、激光切割技术的优势及当前超快激光加工所拥有的提升空间，本发明提出一种滤光片的超快激光切割装置与方法。所发明的装置基于特定光学元件或装置将直接产生的能量分布不均匀的初始无衍射光束进行能量均匀化处理；所述方法基于整形处理后的无衍射光束进行加工，其加工质量更高，且形成的改质层宽度可根据基板厚度或实际加工要求进行调节以满足不同的实际应用需求。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种滤光片的激光切割装置，其特征在于，包括：超快激光器、光束整形模组、聚焦物镜、视觉检测装置、以及运动平台；
视觉检测装置位于聚焦物镜上部，运动平台位于聚焦物镜下部用于承载待滤光片，聚焦物镜为视觉检测装置的成像物镜；
超快激光器发出超短脉冲激光束入射光束整形模组，经过光束整形模组整形成能量均匀分布的线状无衍射光束后入射聚焦物镜，经过聚焦物镜聚焦形成切割滤光片的高能量密度无衍射光束。
2.根据权利要求1所述的滤光片的激光切割装置，其特征在于，所述光束整形模组包括：
无衍射光束产生模块，将入射的超短脉冲激光束生成初始无衍射光束输出；
能量均匀化整形模块，将无衍射光束产生模块输出的初始无衍射光束整形成能量均匀分布的线状无衍射光束。
3.根据权利要求1所述的滤光片的激光切割装置，其特征在于，所述能量均匀化整形模块包括：中间区域对光束的能量衰减大于周围区域的衰减片。
4.根据权利要求3所述的滤光片的激光切割装置，其特征在于，所述衰减片在无衍射光束的输出方向旋转设置。
5.根据权利要求2所述的滤光片的激光切割装置，其特征在于，所述无衍射光束产生模块包括轴棱锥。
6.根据权利要求1所述的滤光片的激光切割装置，其特征在于，所述超快激光器产生的超短脉冲激光束的脉宽小于100皮秒。
7.根据权利要求1所述的滤光片的激光切割装置，其特征在于，所述激光切割装置还包括用于对超快激光器、光束整形模组、聚焦物镜、视觉检测装置、以及运动平台进行控制的控制系统。
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CN113857686A (zh) * 2020-06-12 2021-12-31 大族激光科技产业集团股份有限公司 滤光片的激光切割方法

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