CN111069786A - 激光开槽装置及方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种激光开槽装置及方法，所述方法包括：对激光器产生的激光束进行分束处理，分成3束激光束，主，副激光束的能量占比不同，分别通过聚焦透镜作用于工件的表面，其中主激光束通过平顶整形元件进行整形处理，用来烧蚀材料进行开槽，而副激光束通过击打工件表面在材料中产生冲击波，来控制主激光束开槽时产生的等离子体的扰动方向，从而实现对凹槽边缘锐度的控制，提高凹槽加工质量。

Description

激光开槽装置及方法
技术领域
本发明涉及先进激光微纳制造技术，属于激光制造与加工领域，具体涉及一种激光开槽装置及方法。
背景技术
当今，科学技术迅猛发展，在机械加工、航空航天、通信电子等各个领域对设备的精细程度要求越来高，例如在高精度的卫星设备中有需要用到微米甚至纳米级烧蚀、切割和微细小结构的加工，传统的加工方法达不到精度要求。激光加工应运而生，其具有产热小、非接触性、高效率、加工精度高以及无工具磨损的优点。激光开槽技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，是现代制造技术领域的关键技术之一。
激光开槽是用聚焦镜将高功率密度激光束聚焦在工件表面，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的凹槽。
现在的激光开槽是以激光为热源对工件进行加工，光能转化为热能，材料吸收热能后升温并在其表面形成熔池，表面材料不断熔化去除，这种方法的不足之处在于：1，高功率激光在开槽过程中，工件受热融化，工件上方产生高温等离子体。等离子体产生时的反冲压力使槽内的熔融流体流动而产生飞溅，飞溅的熔融物易粘附于槽壁上产生重铸层和裂纹并影响槽内壁形貌。2，高能量长脉冲的激光打孔过程中产生的冲击力过大导致加工出的凹槽重复精度低，内壁存在微裂纹，尺寸精度不稳定。
发明内容
本发明提出一种激光开槽装置及方法，利用激光器自身分出的副激光束产生的脉冲，击打工件产生冲击波，通过控制冲击波的方向，可以限制凹槽内等离子体的飞溅方向，从而控制凹槽形貌。同时，可以加速激光开槽过程中等离子体的熔渣的去除，提高熔渣的去除率，从而减少或避免熔融物在孔壁再次凝固形成重铸层，可以明显改善孔壁的表面质量、减少内部缺陷、消除残余应力、细化晶粒与组织，提高力学性能，从而实现改善激光开槽质量并提高开槽效率的目的。
根据本发明实施例的一方面，提供一种激光开槽装置，包括：激光器；光纤分束器，与所述激光器连接将所述激光器输出的激光束分成烧蚀工件以形成凹槽的主激光束，和用来产生冲击波控制主激光束烧蚀工件产生的等离子体不往凹槽宽度方向扰动的副激光束。
在上述的激光切割装置，所述主激光束聚焦在凹槽加工区域，副激光束聚焦在凹槽加工区域的两边。
在上述的激光切割装置，所述主激光束与所述副激光束的光斑在同一水平线上，但不重合。
在上述的激光切割装置，所述主激光束经聚焦透镜聚焦后穿过平顶整形元件作用于凹槽加工区域，所述副激光束经聚焦透镜聚焦后作用于凹槽加工区域的两边。
在上述的激光切割装置，所述激光器为纳秒激光器，或皮秒激光器，或飞秒激光器。
根据本发明实施例的另一方面，提供一种激光切割方法，包括：将主激光束照射在工件的凹槽加工区域，烧蚀工件以形成凹槽；将副激光束照射在凹槽加工区域的两边，产生冲击波控制主激光束烧蚀工件产生的等离子体不往凹槽宽度方向扰动。
在上述的激光切割方法，所述主激光束和所述副激光束由同一激光器产生。
在上述的激光切割方法，所述主激光束与副激光束的光斑在同一水平线上，但不重合。
在上述的激光切割方法，所述主激光束经聚焦透镜聚焦后穿过平顶整形元件作用于凹槽加工区域，所述副激光束经聚焦透镜聚焦后作用于凹槽加工区域的两边。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1示出了现有技术激光开槽装置的结构示意图。
图2示出了改进的激光开槽装置的结构示意图。
图3示出了改进的激光开槽装置的激光光路单元的框图。
图4示出了利用改进的激光开槽装置进行开槽时的原理图。
附图标记说明：
1-大理石基座；
2-工件装夹单元；
3-机架；
4-激光光路单元；
5-激光器；
6-控制单元；
7-平顶整形元件；
8-光纤；
9-光纤分束器；
10-基台；
11-工件；
12-副激光束；
13-主激光束；
14-副激光束。
具体实施方式
参考图1，示出了现有技术激光开槽装置。激光开槽装置包含大理石基座1、工件装夹单元2、机架3、激光光路单元4、激光器5和控制单元6。大理石基座1用于水平定位和垂直定位，便于控制单元6精确控制机架3和激光光路单元4的空间移动方向。工件装夹单元2位于大理石基座1上，用于固定工件11，同时工件装夹单元2可以相对于大理石基座1进行水平运动。机架3固定在大理石基座1上，其中机架3上固定着激光器5和激光光路单元4，激光光路单元4可沿着机架3在X(左右)和Z(上下)方向上运动。激光器5一般采用脉冲激光器，可以是纳秒，皮秒，飞秒激光器。控制单元6可以控制激光器5产生激光，控制激光光路单元4的水平和垂直运动以及工件装夹单元2的平面运动。在控制单元6的控制下，激光器5生成的脉冲激光，经过激光光路单元4后作用于工件11上，工件装甲单元2和激光光路单元4在控制单元6的作用下按照设定的加工路径来回移动，实现激光对工件11的开槽。
参考图2和图3，示出改进的激光开槽装置。所述激光开槽装置的激光光路单元4包括光纤分束器9和聚焦透镜10。光纤分束器9通过光纤8与激光器5连接，将激光器5输出的激光束分成主激光束13和副激光束12，14。主激光束13经聚焦透镜10聚焦后穿过平顶整形元件7作用于待加工的工件11的表面，用于开槽。利用平顶整形元件7改变的光束的形状和能量均布，使激光光斑整齐，能量均匀。副激光束12，14经聚焦透镜10聚焦后直接作用于待开槽位置的两侧，用于辅助主激光束13开槽。
主激光束13和副激光束12，14由同一激光器5产生，这样不需要额外的激光器来产生激光。作为替代，主激光束13和副激光束12，14也可由不同激光器产生。
主激光束13能量占比最大，本发明并不对其具体占比进行限定，只要其能量能使工件11受热熔融达到开槽的目的即可。副激光束12，14能量占比很小，本发明并不对其具体占比进行限定，但要保证其能量不能大到破坏工件11表面对材料改性。若副激光束12，14能量过大，可以在工件11表面附着一层黑漆或铝箔来保护工件表面。两束副激光束12，14的能量占比相同，用于保证产生相等的冲击波。主激光束13与副激光束12，14的光斑在同一水平线上，但不重合。
参考图4，工件11在主激光束13的照射下受热融化，工件上方产生高温等离子体，等离子体产生时的反冲压力使槽内的熔融物流动而产生飞溅，而影响凹槽内壁切割边缘的整齐度。两束副激光束12，14分别照射到主激光束13的两边，由于副激光束12，14光能量占比很小，只会在工件表面产生冲击波，但并不会对材料改性。副激光束12，14产生的冲击波，约束等离子体和熔融流体只往Y方向上流动，而不往X方向扩张，即只沿着凹槽方向流动，不往凹槽宽度方向扩张。这样，减少了熔融流体的影响，使槽的内壁两侧相对来说更整齐光滑，达到控制凹槽形貌的目的。
本发明中加工工件材料的选择范围可为玻璃、Si、Ge、SiC、AlN、GaN、ZnO、GaAs、InSb、GaAsAl、GaAsP、Ge-Si、GaAs-GaP、金刚石、蓝宝石、酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等半导体材料。

Claims (9)

1.一种激光开槽装置，其特征在于，包括：
激光器；
光纤分束器，与所述激光器连接将所述激光器输出的激光束分成烧蚀工件以形成凹槽的主激光束，和用来产生冲击波控制主激光束烧蚀工件产生的等离子体不往凹槽宽度方向扰动的副激光束。
2.根据权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述主激光束聚焦在凹槽加工区域，副激光束聚焦在凹槽加工区域的两边。
3.根据权利要求2所述的激光切割装置，其特征在于，所述主激光束与所述副激光束的光斑在同一水平线上，但不重合。
4.根据权利要求2所述的激光切割装置，其特征在于，所述主激光束经聚焦透镜聚焦后穿过平顶整形元件作用于凹槽加工区域，所述副激光束经聚焦透镜聚焦后作用于凹槽加工区域的两边。
5.根据权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述激光器为纳秒激光器，或皮秒激光器，或飞秒激光器。
6.一种激光切割方法，其特征在于，包括：
将主激光束照射在工件的凹槽加工区域，烧蚀工件以形成凹槽；
将副激光束照射在凹槽加工区域的两边，产生冲击波控制主激光束烧蚀工件产生的等离子体不往凹槽宽度方向扰动。
7.根据权利要求6所述的激光切割方法，其特征在于，所述主激光束和所述副激光束由同一激光器产生。
8.根据权利要求6所述的激光切割方法，其特征在于，所述主激光束与副激光束的光斑在同一水平线上，但不重合。
9.根据权利要求6所述的激光切割方法，其特征在于，所述主激光束经聚焦透镜聚焦后穿过平顶整形元件作用于凹槽加工区域，所述副激光束经聚焦透镜聚焦后作用于凹槽加工区域的两边。
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