CN111014947A - 基于空间光调制器和扫描振镜的高速激光加工装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种高速激光加工装置及加工方法，该装置包括光源入射光路系统、空间光调制器、扫描振镜系统和样品加工系统，其中，空间光调制器，用于通过加载预先设计的相位全息图从而实现对由所述光源入射光路系统出射光束相位分布的调控；扫描振镜系统，由空间光调制器出射的光束进入扫描振镜系统，跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转。本方法和系统利用多焦点阵列代替单点进行激光扫描，可以将加工效率提升两个数量级以上；多焦点阵列由空间光调制器对光束的相位分布调制生成，不影响光束的振幅分布，因此能量损失小；本方法得到的多焦点阵列空间位置分布和强度分布均可自由控制，具有很好的灵活性。

Description

基于空间光调制器和扫描振镜的高速激光加工装置和方法
技术领域
本发明涉及激光制造技术领域，尤其涉及一种基于空间光调制器和扫描振镜的高速激光加工装置和方法。
背景技术
激光加工依靠光与材料的相互作用，对不同种类的材料进行基于光敏聚合、烧蚀、熔融等不同机理的处理。激光加工技术具有加工精度高、热影响区域小、与材料无接触、绿色环保等优点，在激光打标、三维打印、金属切割、焊接与表面处理等领域取得了广泛的应用。目前激光对材料的加工主要依靠两种扫描方式完成：线性移动平台带动样品扫描和振镜控制激光光点扫描。两种方式中分别保持光点和样品两者之一静止而实现两者的相对运动。其中，振镜能实现的扫描速度快，加工质量好。但是，振镜扫描依靠单个光点实现对材料的扫描加工，加工效率依然受到严重限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于空间光调制器和扫描振镜的高速激光加工装置和方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于空间光调制器和扫描振镜的高速激光加工装置，包括光源入射光路系统、空间光调制器、扫描振镜系统和样品加工系统，其中，
光源入射光路系统，包括激光器、由λ/2波片和偏振棱镜组成的光束能量衰减器以及透镜单元，其中，所述光束能量衰减器用于将所述激光器出射光束的能量和偏振态进行控制；透镜单元用于对由通过所述光束能量衰减器的光束进行扩束；
空间光调制器，用于通过加载预先设计的相位全息图从而实现对由所述光源入射光路系统出射光束相位分布的调控；
扫描振镜系统，由空间光调制器出射的光束进入扫描振镜系统，跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转；
样品加工系统，利用所述扫描振镜系统出射的光束对材料样品进行聚焦加工。
其中，所述光源入射光路系统还包括反射镜，用于反射并出射由透镜单元出射的光束。
其中，所述相位全息图能够由GS算法或优化旋转角算法生成，也能够由光栅衍射原理计算并定制加工相应的相位调制元件生成。
其中，利用所述光束跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转从而实现聚焦光点的横向移动，聚焦光点偏移量由透镜的焦距与倾斜角的正切值的乘积得到。
其中，所述光束跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转带动多焦点阵列的相对位置发生变化。
其中，所述样品加工系统包括平场透镜，用于对通过扫描振镜系统进行偏转后的光束进行聚焦，形成的焦点在焦平面二维空间内进行高速平移，实现对材料样品的加工。
其中，所述样品加工系统包括4f光学系统、高数值孔径物镜、线性纳米压电定位平台和实时监测模块；
其中，所述4f光学系统用于对进入所述高数值孔径物镜前的光束偏转位移进行控制；
所述高数值孔径物镜用于对样品材料的聚焦加工；
所述线性纳米压电定位平台用于对材料样品进行z轴层间移动和定位；
所述实时监测模块用于对加工过程进行实时监控。
作为本发明的另一方面，还提供了一种基于空间光调制器和扫描振镜的高速激光加工方法，包括以下步骤：
打开激光器，使入射光束经过光束能量衰减器和透镜单元，经反射镜将入射光束出射到空间光调制器上；
使入射到空间光调制器上的光束进行相位分布调控；
使相位调控后的光束进入扫描振镜系统进行倾斜角度偏转；
使偏转后的光束进入样品加工系统，实现对材料样品的聚焦加工。
其中，在使相位调控后的光束进入扫描振镜系统进行倾斜角度偏转的步骤中，利用光束跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转从而实现聚焦光点的横向移动，聚焦光点偏移量由透镜的焦距与倾斜角的正切值的乘积得到。
其中，所述加工方法用于实现基于光聚合或光烧蚀原理的激光加工或表面处理。
基于上述技术方案可知，本发明的高速激光加工装置和方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
(1)本方法和系统利用多焦点阵列代替单点进行激光扫描，可以将加工效率提升两个数量级以上；多焦点阵列由空间光调制器对光束的相位分布调制生成，不影响光束的振幅分布，因此能量损失小；
(2)本方法得到的多焦点阵列空间位置分布和强度分布均可自由控制，具有很好的灵活性；
(3)本方法和系统可以根据需要更换不同参数的透镜，既可以实现宏观尺度的激光打标和表面处理，也可以实现微观尺度的激光微纳米三维加工，还可以稍加改造实现快速的高密度光信息存储；
(4)本方法和系统适用的激光光源广泛，通过选择合适的激光光源参数，可以实现基于光聚合、光烧蚀等多种原理的激光高效率加工或表面处理。
附图说明
图1是基于空间光调制器和扫描振镜的多焦点并行激光加工装置的结构示意图；
图2是基于空间光调制器和扫描振镜的激光微纳加工装置的结构示意图；
图3是计算全息图和对应的在平场透镜聚焦下的多焦点阵列图；
图4是光束偏转角度与聚焦光点偏移量的对应关系示意图；
图5是光束偏转带动多焦点阵列的相对位置变化示意图；
图6是高数值孔径物镜聚焦条件下多焦点阵列的相对光强分布示意图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1、激光器；2、λ/2波片；3、偏振棱镜；4、第一透镜；
5、第二透镜；6、反射镜；7、空间光调制器；8、扫描振镜系统；
9、平场透镜；9’、第三透镜； 10、样品；11、第四透镜；
12、分色片；13、高数值孔径物镜； 14、z轴定位平台；
15、照明光源； 16、第五透镜；17、CCD相机。
具体实施方式
本发明利用空间光场调制原理，提出一种将空间光相位调制和振镜扫描相结合的方法，设计一种高速度激光加工系统，实现多焦点阵列的并行激光加工，使激光加工技术的效率得到数量级的提升。
本发明基于计算全息光学的原理，利用空间光调制器对入射光束的相位进行编程调控，实现在目标光场空间内可控的多焦点阵列。利用多焦点阵列配合振镜的高速扫描运动，实现高速的激光并行加工。本技术可用于大面积的激光打标和激光三维成型，也可以用于激光微纳米加工。
本发明结合多焦点阵列技术和振镜高速扫描技术，可以将激光加工效率提升两个数量级以上，并且多焦点阵列空间位置和强度分布自由可控，具有灵活性强、能量利用效率高、材料适用范围广等优势，可应用于高速激光打标、激光表面处理、激光三维打印、激光微纳米制造及高速光信息存储。
具体的，本发明公开了一种基于空间光调制器和扫描振镜的高速激光加工装置，包括光源入射光路系统、空间光调制器、扫描振镜系统和样品加工系统，其中，光源入射光路系统，包括激光器、由λ/2波片和偏振棱镜组成的光束能量衰减器以及透镜单元，其中，所述光束能量衰减器用于将所述激光器出射光束的能量和偏振态进行控制；透镜单元用于对由通过所述光束能量衰减器的光束进行扩束；空间光调制器，用于通过加载预先设计的相位全息图从而实现对由所述光源入射光路系统出射光束相位分布的调控；扫描振镜系统，由空间光调制器出射的光束进入扫描振镜系统，跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转；样品加工系统，利用所述扫描振镜系统出射的光束对材料样品进行聚焦加工。
其中，所述光源入射光路系统还包括反射镜，用于反射并出射由透镜单元出射的光束。所述相位全息图能够由GS算法或优化旋转角算法生成，也能够由光栅衍射原理计算并定制加工相应的相位调制元件生成。
其中，利用所述光束跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转从而实现聚焦光点的横向移动，聚焦光点偏移量由透镜的焦距与倾斜角的正切值的乘积得到。所述光束跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转带动多焦点阵列的相对位置发生变化。
其中，所述样品加工系统包括平场透镜，用于对通过扫描振镜系统进行偏转后的光束进行聚焦，形成的焦点在焦平面二维空间内进行高速平移，实现对材料样品的加工。
所述样品加工系统还可以包括4f光学系统、高数值孔径物镜、线性纳米压电定位平台和实时监测模块；
其中，所述4f光学系统用于对进入所述高数值孔径物镜前的光束偏转位移进行控制；所述高数值孔径物镜用于对样品材料的聚焦加工；所述线性纳米压电定位平台用于对材料样品进行z轴层间移动和定位；所述实时监测模块用于对加工过程进行实时监控。
本发明还公开了一种基于空间光调制器和扫描振镜的高速激光加工方法，包括以下步骤：
打开激光器，使入射光束经过光束能量衰减器和透镜单元，经反射镜将入射光束出射到空间光调制器上；
使入射到空间光调制器上的光束进行相位分布调控；
使相位调控后的光束进入扫描振镜系统进行倾斜角度偏转；
使偏转后的光束进入样品加工系统，实现对材料样品的聚焦加工。
其中，在使相位调控后的光束进入扫描振镜系统进行倾斜角度偏转的步骤中，利用光束跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转从而实现聚焦光点的横向移动，聚焦光点偏移量由透镜的焦距与倾斜角的正切值的乘积得到。
其中，所述加工方法用于实现光聚合或光烧蚀的激光加工或表面处理。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
对于大范围高效率激光打标或表面处理的应用场景，光路系统如图1所示。其中λ/2波片2和偏振棱镜3组成光束能量衰减器，用于对光束的能量和偏振态进行控制；第一透镜4和第二透镜5对光束进行扩束；空间光调制器7通过加载预先设计的计算全息图，实现对入射光束的相位分布进行调控(对于高功率激光的应用，空间光调制器件可以更换为定制的相位板或光栅)，相位调控后的光束进入振镜系统，跟随振镜角度的偏转实现2θ偏转。偏转后的光束进入平场透镜进行聚焦，其焦点会在焦平面二维空间内进行高速平移，实现对材料的加工。
本例中，采用长工作距离的平场f-theta透镜聚焦，其焦距为160mm。振镜最大偏转角度为±0.35rad，对应的最大单向扫描范围是116.8mm。扫描速度可达30m/s。采用液晶空间光调制器或达曼光栅，可实现多焦点阵列，如图3所示，从而实现高速并行扫描；
实施例2
对于大范围高效率激光打标或表面处理的应用场景，利用高共振频率扫描振镜(12kHz)，可以将扫描速度提升一个数量级以上(大于500m/s)。结合10×10多焦点阵列并行扫描，可以进一步将传统激光打标加工速度提升两个数量级；配合z相线性移动平台，可以实现不同层的扫描和切换，从而利用该系统完成激光三维成型或三维打印；
实施例3
对于激光微纳加工的应用场景，光路系统如图2所示。此时需要在扫描振镜系统后增加4f光学系统，并将聚焦透镜更换为高数值孔径物镜。并增加相应的实时观测模块。相位调控后的光束进入振镜系统，跟随振镜角度偏转进行2θ偏转。偏转后的光束进入4f系统(第三透镜9’，第四透镜11)，用于对进入聚焦透镜前的光束偏转位移进行控制。激光束随后进入12-显微物镜，实现对材料的聚焦加工。多焦点阵列通过扫描振镜的偏转实现单层平面的并行扫描，利用线性纳米压电定位平台实现样品的z轴层间移动和定位，最终可实现三维微纳米结构的加工。照明光源15，第五透镜16和CCD相机17可以实现对并行加工过程的实时监控。
本例中，聚焦物镜采用放大倍数为100倍的高数值孔径物镜(数值孔径为1.4)，其焦距为1.8mm。利用物镜可得到紧聚焦的高分辨激光光点阵列，如图6所示。振镜最大偏转角度为±0.0873rad，对应的最大单向扫描范围是315μm。扫描速度可达7.56m/s。可根据加工系统视场大小合理选择扫描加工范围。三维加工的层间控制依靠z轴线性纳米压电定位平台实现。采用液晶空间光调制器对光束相位分布进行调控，可实现物镜焦平面内多焦点阵列并行扫描。加工过程通过照明光源15、CCD相机17和第五透镜16组成的视频监控系统实时观测；
实施例4
对于激光微纳加工的应用场景，系统中的4f系统(第三透镜9’，第四透镜11)的目的是用于对光束偏振产生的横向位移进行控制，防止光束偏移过大超出物镜的入瞳孔径范围。4f系统的透镜焦距可设置为相同值100mm，也可根据系统设计需要适当调整以实现最优的物镜入瞳覆盖率；
实施例5
对于高通量高密度光信息存储的应用场景，可通过对实施例3中的光学系统稍加改造实现。聚焦物镜根据存储信息点大小可自由选择。写入过程通过多焦点阵列结合扫描振镜高速写入，读出过程通过激光扫描存储材料激发荧光，利用光电二极管或光电倍增管阵列探测器探测返回的光信号。
本发明利用光束的倾斜角度偏转实现聚焦光点的横向移动，其光束偏转角度和光点位移量的对应关系如图4所示。根据图4可知，焦点横向位移：d＝f×tan(θ)。
利用多焦点阵列结合振镜驱动的光束扫描可实现多焦点阵列的并行扫描平移，如图5所示，其中，白色点阵列代表多焦点阵列初始位置，黑色点阵列代表振镜系统偏转一定角度后多焦点阵列所在位置。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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，包括光源入射光路系统、空间光调制器、扫描振镜系统和样品加工系统，其中，
光源入射光路系统，包括激光器、由λ/2波片和偏振棱镜组成的光束能量衰减器以及透镜单元，其中，所述光束能量衰减器用于将所述激光器出射光束的能量和偏振态进行控制；透镜单元用于对由通过所述光束能量衰减器的光束进行扩束；
空间光调制器，用于通过加载预先设计的相位全息图从而实现对由所述光源入射光路系统出射光束相位分布的调控；
扫描振镜系统，由空间光调制器出射的光束进入扫描振镜系统，跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转；
样品加工系统，利用所述扫描振镜系统出射的光束对材料样品进行聚焦加工。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述光源入射光路系统还包括反射镜，用于反射并出射由透镜单元出射的光束。
3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述相位全息图能够由GS算法或优化旋转角算法生成，也能够由光栅衍射原理计算并定制加工相应的相位调制元件生成。
4.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，利用所述光束跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转从而实现聚焦光点的横向移动，聚焦光点偏移量由透镜的焦距与倾斜角的正切值的乘积得到。
5.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述光束跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转带动多焦点阵列的相对位置发生变化。
6.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述样品加工系统包括平场透镜，用于对通过扫描振镜系统进行偏转后的光束进行聚焦，形成的焦点在焦平面二维空间内进行高速平移，实现对材料样品的加工。
7.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述样品加工系统包括4f光学系统、高数值孔径物镜、线性纳米压电定位平台和实时监测模块；
其中，所述4f光学系统用于对进入所述高数值孔径物镜前的光束偏转位移进行控制；
所述高数值孔径物镜用于对样品材料的聚焦加工；
所述线性纳米压电定位平台用于对材料样品进行z轴层间移动和定位；
所述实时监测模块用于对加工过程进行实时监控。
8.一种利用如权利要求1-7所述的激光加工装置进行的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
打开激光器，使入射光束经过光束能量衰减器和透镜单元，经反射镜将入射光束出射到空间光调制器上；
使入射到空间光调制器上的光束进行相位分布调控；
使相位调控后的光束进入扫描振镜系统进行倾斜角度偏转；
使偏转后的光束进入样品加工系统，实现对材料样品的聚焦加工。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在使相位调控后的光束进入扫描振镜系统进行倾斜角度偏转的步骤中，利用光束跟随扫描振镜角度的偏转实现倾斜角度偏转从而实现聚焦光点的横向移动，聚焦光点偏移量由透镜的焦距与倾斜角的正切值的乘积得到。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述加工方法用于实现基于光聚合或光烧蚀原理的激光加工或表面处理。
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