CN114355616B - 用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法与装置；其中方法包括：采用扩束器对激光器发出的高斯光束进行扩充，获得扩充后的高斯光束；通过光束匀滑器将扩充后的高斯光束调整为超高斯平顶光束；采用硬边光阑对超高斯平顶光束进行切趾处理，获得矩形平顶光束；通过4f光学系统对矩形平顶光束进行等比例缩束成像，获得目标光斑；通过该方法能够有效解决飞秒激光加工中光束焦深短，光斑顶部光强不均匀，光斑边界过渡区较大的问题。

Description

用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法与装置

技术领域

本发明属于光学加工技术领域，特别是用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法与装置。

背景技术

基于能量高度集中、热影响区小、无飞溅熔渣、无需特殊气体环境等优势，飞秒激光微细加工技术是近年来光学加工领域中的新技术，在高温材料制孔、微结构加工、表面改性、增材制造等方面具有极其重要的应用价值。随着超精密微纳加工技术发展，复杂异型结构零件对激光光斑的横向形态、轴向保形长度等提出了极高要求，尤其是一些微孔或深槽加工中需要长保形距离的锐边平顶光源，而激光器输出的光束通常为高斯光束，透镜或物镜聚焦后的光斑仍然是高斯光束且焦深很短，难以实现大深宽比结构深槽或微孔的加工，因此需要通过光束整形获得长保形距离的锐边平顶光束。现有的激光整形方法一种是几何光束整形，采用组合透镜或非球面镜的几何光折变原理将高斯光束扩束整形为平顶光束，整形光斑较大，一般应用在低功率密度或低能量密度要求的条件下使用，但因难以达到激光加工场景中材料去除阈值而无法实现材料去除加工；另一种方法是衍射光束整形，采用迭代优化设计方法对光场相位进行调制，在远场获得所需的光斑形态和较高的光场能量密度，其光斑形态及均匀性受设计算法、系统误差波前影响，其保形长度在此情况下转化为焦深长度，受聚焦透镜或物镜焦距限制。

因此，如何解决飞秒激光加工中光束焦深短，光斑顶部光强不均匀，光斑边界过渡区较大的问题，成为当前研究的关键问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法与装置，能够有效提高光斑顶部光强的均匀性，从而有效提升深槽底部平整度与粗糙度；还可以有效解决光斑边界过渡区较大的问题，从而有效提高深槽的陡直特性。

一方面，本发明实施例提供了用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法，该方法包括：

S1、采用扩束器对激光器发出的高斯光束进行扩充，获得扩充后的高斯光束；

S2、通过光束匀滑器将所述扩充后的高斯光束调整为超高斯平顶光束；

S3、采用硬边光阑对所述超高斯平顶光束进行切趾处理，获得矩形平顶光束；

S4、通过4f光学系统对所述矩形平顶光束进行等比例缩束成像，获得目标光斑。

进一步地，在进行所述S3之前，先通过反射镜调整所述超高斯平顶光束的光路方向。

进一步地，所述S1中，所述扩充后的高斯光束对应的光强分布表示为：

其中，I_b0表示扩束器出射的高斯光束顶部功率密度；(x,y)表示光束的空间坐标点；exp表示e指数；ω₀表示高斯光束的束腰半径；m表示扩束器扩束倍数。

进一步地，在不考虑扩束器能量损失时，扩束器出射的高斯光束顶部功率密度满足：

其中，I_a0表示激光器出射的高斯光束顶部功率密度。

进一步地，所述S2中，所述超高斯平顶光束对应的光强分布表示为：

其中，I_c0表示光束匀滑器出射的平顶光束顶部功率密度；(x，y)表示光束的空间坐标点；exp表示e指数；ω₀表示高斯光束的束腰半径；m表示扩束器扩束倍数；n表示超高斯阶数。

进一步地，在不考虑扩束器能量损失时，光束匀滑器出射的平顶光束顶部功率密度满足：

其中，(x，y)表示光束的空间坐标点；exp表示e指数；ω₀表示高斯光束的束腰半径；m表示扩束器扩束倍数；n表示超高斯阶数。

进一步地，所述S2中，所述超高斯平顶光束的半径尺寸与所述高斯光束的半径尺寸相同。

进一步地，所述S3中，所述矩形平顶光束对应的光强分布表示为：

I_d(x，y)＝I_c0rect(x，y)

其中，I_c0表示光束匀滑器出射的平顶光束顶部功率密度；(x，y)表示光束的空间坐标点；rect表示矩形函数，其边界满足|x|＜L_x，|y|＜L_y；其中L_x、L_y分别表示硬边光阑横向、纵向尺寸的一半。

进一步地，所述S4中，所述目标光斑对应的光强分布表示为：

I_t(x，y)＝I_t0rect(sx，sy)

其中，I_t0表示样品表面的平顶光束顶部功率密度；rect表示矩形函数；s为4f光学系统缩束比，s＝f₁/f₂；f₁表示长焦距透镜焦距，f₂表示短焦距透镜焦距。

进一步地，当不考虑扩束器能量损失时，样品表面的平顶光束顶部功率密度满足

I_t0＝s²I_c0

其中，I_c0表示光束匀滑器出射的平顶光束顶部功率密度。

另一方面，本发明实施例还提供了用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形装置，应用上述的方法；该装置包括激光器和沿光路方向依次设置的扩束器、光束匀滑器、硬边光阑及4f光学系统；

其中，所述激光器用于产生高斯光束；所述扩束器对所述高斯光束进行扩充，获得扩充后的高斯光束；所述光束匀滑器将所述扩充后的高斯光束调整为超高斯平顶光束；

所述超高斯平顶光束反射到所述硬边光阑；所述硬边光阑对所述超高斯平顶光束进行切趾处理，获得矩形平顶光束；

所述矩形平顶光束经所述4f光学系统进行等比例缩束成像，获得目标光斑；

所述4f光学系统包括沿光路设置的长焦距透镜和短焦距透镜；所述长焦距透镜的前焦面与所述硬边光阑的位置重合；所述长焦距透镜的后焦面与所述短焦距透镜的前焦面重合。

进一步地，该装置还包括反射镜；所述反射镜安装于所述光束均滑器的下方，用于调整所述超高斯平顶光束的光路方向。

与现有技术相比，本发明记载的用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法与装置，具有如下有益效果：

(1)采用硬边可变光阑，其几何形状和尺寸可调，提高了光场的锐边特性；

(2)基于4f光学系统的缩束功能，可将低能量密度大尺寸光斑缩小为满足激光加工的高能量密度小尺寸光斑，且缩束比可调；

(3)基于4f光学系统的成像功能，使锐边平顶光束形态可以有效保持，实现长保形功能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法流程图。

图2为本发明实施例提供的激光器产生的高斯光束对应的光强分布图。

图3为本发明实施例提供的扩充后的高斯光束对应的光强分布图。

图4为本发明实施例提供的超高斯平顶光束对应的光强分布图。

图5为本发明实施例提供的矩形平顶光束对应的光强分布图。

图6为本发明实施例提供的形平顶光束对应的光强一维分布图。

图7为本发明实施例提供的目标光斑对应的光强分布图。

图8为本发明实施例提供的目标光斑对应的光强一维分布图。

图9为本发明实施例提供的用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形装置结构示意图。

图10为本发明实施例提供的增加入射镜后的装置结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参见图1所示，本发明实施例提供了用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法，具体包括如下步骤：

S1、采用扩束器对激光器发出的高斯光束进行扩充，获得扩充后的高斯光束；

S2、通过光束匀滑器将扩充后的高斯光束调整为超高斯平顶光束；

S3、采用硬边光阑对超高斯平顶光束进行切趾处理，获得矩形平顶光束；

S4、通过4f光学系统对矩形平顶光束进行等比例缩束成像，获得目标光斑。

下面分别对上述各个步骤进行详细的说明。

在上述步骤S1中，可通过激光器产生高斯光束；激光器出射的高斯光束的光强分布表示为：

其中，I_a0表示激光器出射的高斯光束顶部功率密度；ω₀表示高斯光束束腰半径，exp表示e指数，(x，y)表示空间坐标；在本实施例中，令ω₀＝1mm；并将高斯光束的采样点数设为128×128，光束口径设为D＝12mm；基于此，激光器输出的高斯光束光强分布如图2所示；

高斯光束经过扩束器后，光强分布调制为：

其中，I_b0表示扩束器出射的高斯光束顶部功率密度；(x，y)表示空间坐标；exp表示e指数；ω₀表示高斯光束的束腰半径；m为扩束器扩束倍数；在本实施例中，令m＝5，此时扩充后的高斯光束对应的光强分布图如图3所示。

在不考虑扩束器能量损失时，扩束器出射的高斯光束顶部功率密度满足：

其中，I_a0表示激光器出射的高斯光束顶部功率密度。

在上述步骤S2中，扩束后的高斯光束经过光束匀滑器调制，近似输出与输入高斯光束半径尺寸相当的超高斯平顶光束，该超高斯平顶光束对应的光强分布表示为：

其中，I_c0表示光束匀滑器出射的平顶光束顶部功率密度；(x，y)表示光束的空间坐标点；exp表示e指数；ω₀表示高斯光束的束腰半径；m表示扩束器扩束倍数；n表示超高斯阶数。

在不考虑扩束器能量损失时，光束匀滑器出射的平顶光束顶部功率密度满足：

在本实施例中，令n＝5，此时光束匀滑器输出的低功率平顶光束光强分布如图4所示。

在上述步骤S3中，光束匀滑器输出的超高斯平顶光束经过可变硬边光阑进行切趾，输出边界明锐的矩形平顶光束，该矩形平顶光束对应的光强分布表示为：

I_d(x，y)＝I_c0rect(x，y)

其中，I_c0表示光束匀滑器出射的平顶光束顶部功率密度；(x，y)表示光束的空间坐标点；rect表示矩形函数，其边界满足|x|＜L_x，|y|＜L_y；其中L_x、L_y分别表示硬边光阑横向、纵向尺寸的一半；在本实施例中，设L_x＝3mm，L_y＝3mm，此时可变硬边光阑器输出的低功率锐边矩形平顶光束光强分布如图5所示，其一维分布如图6所示。

在进行步骤S3之前，可通过反射镜来调整超高斯平顶光束的光路方向，之后再通过可变硬边光阑对已改变光路方向的超高斯平顶光束进行切趾处理。

在上述步骤S4中，可变硬边光阑出射的矩形光束通过4f系统进行等比例缩束成像，获得目标光斑，该目标光斑即功率密度高于材料损伤阈值，且尺寸满足飞秒激光微细加工要求的锐边平顶光束；该目标光斑对应的光强分布表示为：

I_t(x，y)＝I_t0rect(sx，sy)

其中，I_t0表示短焦距透镜后焦面，即样品表面的平顶光束顶部功率密度；rect表示矩形函数；s表示4f光学系统缩束比，s＝f₁/f₂；f₁表示长焦距透镜焦距，f₂表示短焦距透镜焦距；在本实施例中，设f₁＝200mm，f₂＝20mm，s＝10，基于此，经过4f光学系统输出的目标光斑光强分布如图7所示，其一维分布如图8所示。

本发明实施例还提供了用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形装置，应用上述的方法，如图9所示，该装置包括：激光器1和沿光路方向依次设置的扩束器2、光束匀滑器3、硬边光阑5及4f光学系统；

其中，激光器1用于产生高斯光束；所述扩束器2对所述高斯光束进行扩充，获得扩充后的高斯光束；所述光束匀滑器3将所述扩充后的高斯光束调整为超高斯平顶光束；所述硬边光阑5对所述超高斯平顶光束进行切趾处理，获得矩形平顶光束；所述矩形平顶光束经4f光学系统进行等比例缩束成像，获得目标光斑；

所述4f光学系统包括沿光路设置的长焦距透镜6和短焦距透镜7；所述长焦距透镜6的前焦面与所述硬边光阑5的位置重合；所述长焦距透镜6的后焦面与所述短焦距透镜7的前焦面重合。

如果在同一方向依次设置激光器1、扩束器2、光束匀滑器3、硬边光阑5和4f光学系统的话，就会导致该装置在该方向上所占空间大，不便于具体操作，因此在本发明实施例中，还可以在光束匀滑器的下方设置入射镜4；该入射镜4可以改变超高斯平顶光束的光路方向，从而间接改变硬边光阑5和4f光学系统的安装方向，如图10所示；基于此可调整该装置的结构，从而使该装置的结构更加紧凑。

本发明实施例提供了用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法与装置，该方法中，采用光束匀滑器将高斯光束调整为与入射高斯光束尺寸相当的平顶光束，极大地提高了光束的均匀性；采用硬边可变光阑，其几何形状和尺寸可调，提高了光场的锐边特性；采用4f光学系统，基于4f光学系统的缩束功能，可将低能量密度大尺寸光斑缩小为满足激光加工的高能量密度小尺寸光斑，且缩束比可调；基于4f光学系统的成像功能，使锐边平顶光束形态可以有效保持，实现长保形功能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法，其特征在于，包括：

S1、采用扩束器对激光器发出的高斯光束进行扩充，获得扩充后的高斯光束；

S2、通过光束匀滑器将所述扩充后的高斯光束调整为超高斯平顶光束；

S3、采用硬边光阑对所述超高斯平顶光束进行切趾处理，获得矩形平顶光束；

S4、通过4f光学系统对所述矩形平顶光束进行等比例缩束成像，获得目标光斑；

所述S3中，所述矩形平顶光束对应的光强分布表示为：

I_d(x，y)＝I_c0rect(x，y)

其中，I_c0表示光束匀滑器出射的平顶光束顶部功率密度；(x，y)表示光束的空间坐标点；rect表示矩形函数，其边界满足|x|＜L_x，|y|＜L_y；其中L_x、L_y分别表示硬边光阑横向、纵向尺寸的一半。

2.如权利要求1所述的用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法，其特征在于，所述S1中，所述扩充后的高斯光束对应的光强分布表示为：

其中，I_b0表示扩束器出射的高斯光束顶部功率密度；(x，y)表示光束的空间坐标点；exp表示e指数；ω₀表示高斯光束的束腰半径；m表示扩束器扩束倍数。

3.如权利要求2所述的用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法，其特征在于，在不考虑扩束器能量损失时，扩束器出射的高斯光束顶部功率密度满足：

其中，I_a0表示激光器出射的高斯光束顶部功率密度。

4.如权利要求1所述的用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法，其特征在于，所述S2中，所述超高斯平顶光束对应的光强分布表示为：

其中，I_c0表示光束匀滑器出射的平顶光束顶部功率密度；(x，y)表示光束的空间坐标点；exp表示e指数；ω₀表示高斯光束的束腰半径；m表示扩束器扩束倍数；n表示超高斯阶数。

5.如权利要求2所述的用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法，其特征在于，在不考虑扩束器能量损失时，光束匀滑器出射的平顶光束顶部功率密度满足：

其中，(x，y)表示光束的空间坐标点；exp表示e指数；ω₀表示高斯光束的束腰半径；m表示扩束器扩束倍数；n表示超高斯阶数。

6.如权利要求1所述的用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法，其特征在于，所述S2中，所述超高斯平顶光束的半径尺寸与所述高斯光束的半径尺寸相同。

7.如权利要求1所述的用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法，其特征在于，所述S4中，所述目标光斑对应的光强分布表示为：

I_t(x，y)＝I_t0rect(sx，sy)

其中，I_t0表示样品表面的平顶光束顶部功率密度；rect表示矩形函数；s为4f光学系统缩束比，s＝f₁/f₂；f₁表示长焦距透镜焦距，f₂表示短焦距透镜焦距。

8.如权利要求7所述的用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形方法，其特征在于，当不考虑扩束器能量损失时，样品表面的平顶光束顶部功率密度满足

I_t0＝s²I_c0

其中，I_c0表示光束匀滑器出射的平顶光束顶部功率密度。

9.用于深槽微加工的保形锐边平顶飞秒激光整形装置，其特征在于，应用权利要求1-8任一项所述的方法，该装置包括：激光器和沿光路方向依次设置的扩束器、光束匀滑器、硬边光阑及4f光学系统；

其中，所述激光器用于产生高斯光束；所述扩束器对所述高斯光束进行扩充，获得扩充后的高斯光束；所述光束匀滑器将所述扩充后的高斯光束调整为超高斯平顶光束；所述硬边光阑对所述超高斯平顶光束进行切趾处理，获得矩形平顶光束；所述矩形平顶光束经所述4f光学系统进行等比例缩束成像，获得目标光斑；

所述4f光学系统包括沿光路设置的长焦距透镜和短焦距透镜；所述长焦距透镜的前焦面与所述硬边光阑的位置重合；所述长焦距透镜的后焦面与所述短焦距透镜的前焦面重合。