CN117506120B - 一种超快激光加工装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超快激光加工装置及使用方法，其特征在于，包括超快激光器、半波片、扩束镜、激光调制模组、反射镜、聚焦场镜、控制电脑和工作台，超快激光器发射的激光光束经过半波片之后入射到扩束镜进行扩束准直，扩束后的激光依次入射到固定于X振镜上的相位型空间光调制器和固定于Y振镜上的振幅型空间光调制器，由激光调制模组出射的激光光束经过反射镜，反射光经场镜聚焦后入射到工作台上，用于激光加工；本发明可以实现大面积、多光束激光并行加工，并对激光光束的运动状态进行高精度调制，对激光在样品加工区域的光场分布进行整形，大幅提高了超快激光的加工效率与质量，实现更多激光加工方式。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种包含空间光调制器的超快激光加工系装置及使用方法，具体地说一种超快激光加工装置及使用方法。
背景技术
激光在工业上的应用主要体现在利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行加工处理。激光加工相较传统加工方式具有可加工材料范围广、效率高、精度高、工件形变小等优势，可推动传统制造业全面转型升级。现代激光加工，以超快激光加工为主，即使用高强度的超快激光进行材料加工，具有峰值功率高、热熔区域小、加工速度快和重复精度高的特点。
目前主流的激光加工技术使用振镜技术，在光路上设置一对电机驱动的偏转镜面，分别在两个方向上对光束进行传播方向上的控制，单束激光经振镜组反射并聚焦后达到很高的能量密度进行材料加工。该技术存在加工效率低、能量利用率低和适应性差等不足等缺点，尤其是在半导体晶圆，玻璃等精密微加工领域存在缺陷。近年来，为了实现微加工工艺，一些厂家使用了衍射光学元件比如DOE，DMD或者硅基液晶空间光调制器，即LCOS来对加工光的相位及强度进行调制，从而实现更精细的激光加工，比如多焦点隐形切割，光束整形，3D加工，并行加工等等。
现有技术通过空间光调制器加载计算全息图、闪耀光栅等方法，将入射超快激光调制成多光束，再经过反射镜或透镜等光学元件传输后，聚焦至样品表面，进行精密加工。但是LCOS本身是利用衍射原理来产生图案，由于像素尺寸的限制(大于5微米)，产生的一级衍射角度较小，导致在样品表面的加工尺寸为微米或者毫米级，限制了激光加工的幅面，需要通过位移台移动样品才能实现较大区域的并行加工，加工效率仍较低。同时，由于后续光路的存在，整个激光加工光学模组体积较大，限制了其在更多类型激光加工设备上的应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超快激光加工装置及使用方法，以在使用空间光调制器调制超快激光加工光的基础上，实现大面积3D高速精密加工，提高加工效率，并同时缩减光路元件数量，实现加工模组的小型化和标准化，适用各类激光加工设备。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种超快激光加工装置，其特征在于，包括超快激光器1，半波片2，扩束镜3，激光调制模组4，反射镜5、聚焦场镜6、控制电脑7和工作台8，所述激光调制模组4包括：相位型空间光调制器9、振幅型空间光调制器10和步进电机振镜组，其中所述步进电机振镜组包括所述X振镜11和所述Y振镜12，所述超快激光器1发射的激光光束经过所述半波片2之后入射到所述扩束镜3进行扩束准直，扩束后的激光依次入射到固定于所述X振镜11上的所述相位型空间光调制器9和固定于所述Y振镜12上的所述振幅型空间光调制器10，由所述激光调制模组4出射的激光光束经过所述反射镜5和所述反射光经场镜6聚焦后入射到所述工作台8上，用于激光加工。
所述超快激光器1发射的超快激光经过扩束准直后入射至所述相位型空间光调制器9上并反射，所述相位型空间光调制器9为硅基液晶LCOS,入射光的偏振方向与LCOS中液晶分子的光轴方向保持平行；LCOS器件的硅基背板平行固定于由电磁或者压电陶瓷驱动的所述X振镜11上。
所述X振镜11的最大偏转角度为正负20°，所述X振镜11在收到驱动信号转动时，带动所述相位型空间光调制器9以相同角度和频率转动，根据目标加工区域位置，利用控制软件计算出所述X振镜11的偏转角度坐标值，并输出至伺服驱动器，通过电压信号控制所述X振镜11的偏转角度，同时利用全息算法生成全息图并加载至所述相位型空间光调制器9上。
根据激光加工的特定应用需求，所述相位型空间光调制器9可实时改变入射激光的相位分布，从而调控出射激光的空间分布，具体如：激光光束的数量，光束整形，像差矫正、改变加工激光的聚焦深度和形状的特性，可作为超快激光加工的理想光束整形器件；当入射光的角度过大时(>10°),所述相位型空间光调制器9的相位调制深度会随之降低，利用仿真软件和迭代GS算法优化加载到所述相位型空间光调制器9上的全息图，补偿相位并消除零级光，使得所述相位型空间光调制器9的反射光的相位调制满足需求
所述Y振镜13与所述X振镜11采用几何正交布局，具有同样的驱动模式和参数；为了便于全息图的计算和校准，所述Y振镜13与所述X振镜11的距离在近场范围之内(<5cm)；所述振幅型空间光调制器为Digtial Micromirror Devices(DMD),DMD是一种被集成在芯片上的快速数字光开关(微镜)反射阵列,通过电寻址的方式控制每个微镜的旋转，从而使入射光的强度发生变化。所述振幅型空间光调制器10固定于由电磁或者压电陶瓷驱动的所述Y振镜12上。所述Y振镜12在根据目标加工区域位置得到的驱动信号偏转时，带动所述振幅型空间光调制器10以相同角度和频率转动；从所述相位型空间光调制器9反射的激光入射到所述振幅型空间光调制器10进行光强调制，作为相位调制的补充，可实现出射激光更精细的调控，降低全息图计算迭代时间，提高系统工作效率；所述振幅型空间光调制器10对于入射光的偏振状态不敏感，无需对偏振，所述振幅型空间光调制器10不加载全息图时，可作为反射镜使用。
采用微机电振镜可以代替所述步进电机振镜组中的所述X振镜11和所述Y振镜12，此时所述激光调制模组4包括所述相位型空间光调制器9和所述微机电振镜，所述微机电振镜起到偏转光线实现扫描的作用，比传统的电机转镜系统，速度更快，体积更小，功耗更低；所述微机电振镜可设置为一维微机电振镜或二维微机电振镜。所述超快激光器1发射的超快激光经过扩束准直后入射至所述相位型空间光调制器9上并反射，所述相位型空间光调制器9为硅基液晶LCOS,入射光的偏振方向与LCOS中液晶分子的光轴方向保持平行，LCOS器件的硅基背板平行固定于所述微机电振镜表面；所述微机电振镜的最大偏转角度为正负20°；利用全息算法生成全息图并加载至所述相位型空间光调制器9上，在远场调控出射激光的空间分布，实现激光光束的分束，整形等功能，由所述激光调制模组4出射的激光经场景聚焦后入射在所述工作台8上，用于加工样品。
一种超快激光加工装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将加工样品厚度约为800μm放置于工作台8表面并固定；恢复相位型空间光调制器9和振幅型空间光调制器10至初始状态，不加载任何全息图；恢复X振镜11与Y振镜12至初始位置，使其呈几何正交布局；打开超快激光器1使得出射功率低于加工阈值，调整光路，使得出射激光聚焦于加工区域中心位置；
S2、测试并校准所述X振镜11和所述Y振镜12的扫描范围100mm2,然后恢复振镜组至初始位置，设置振镜扫描的扫描频率和角度；
S3、将所述X振镜11和所述Y振镜12位置坐标信息反馈至控制软件，根据所述X振镜11的位置计算出激光入射到所述相位型空间光调制器9上的角度，通过迭代GS算法利用所述相位型空间光调制器9的控制软件加载全息图，此时所述振幅型空间光调制器10不加载任何全息图，当反射镜使用；所述相位型空间光调制器9连接水冷结构并已包含有多层介质组成的结构来增加反射率，提高器件的阈值；入射至所述相位型空间光调制器9的激光会发生衍射，经过场镜聚焦后会产生纵向多焦点的光强分布；
S4、打开超快激光器1使得出射光的功率超过加工阈值，激光光束入射到半波片2和扩束镜3之后进行扩束准直，然后将光束以一定的偏振和入射角入射到所述相位型空间光调制器9上产生衍射；从所述激光调制模组4出射的激光光束，依次经过反射镜5和聚焦场镜6后对样品进行多焦点隐形切割；
S5、据设计好的程序，改变所述X振镜11和所述Y振镜12的偏转角度，并根据实际情况调整加载在所述相位型空间光调制器9上的全息图，使得激光光束在另一个位置加工；
S6、重复以上步骤，当所需加工区域超过所述X振镜11和所述Y振镜12的最大扫描范围，利用三维平移台移动样品并重复以上步骤直至样品加工完成。
作为优选，为减轻振镜的负载，增加扫描的频率和耐用性，所述相位型空间光调制器9和振幅型空间光调制器10可通过微加工的方法直接集成在振镜表面；在激光加工中，部分能量会被空间光调制器吸收，导致器件温度持续上升，产生相位偏移时，在器件背板添加水冷系统的制冷方法。另外，当超快激光的脉冲峰值能量过高时，在器件背板上添加多层周期结构作为反射镜，提高器件的反射率，降低材料对激光能量的非线性吸收，提高加工系统的功率阈值。当所需加工的范围超过空间光调制器与振镜组成的激光调制模组的扫描范围时，调整工作台的三轴运动模组，使所需加工的区域重新位于激光调制模组的扫描范围之内。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明利用相位和振幅型空间光调制器对光束的精细调制特性，结合振镜的大角度扫描特性，提出一种超快激光大面积3D精细加工，满足多种加工需求，实现加工模组的小型化和标准化，是一种高效率、普适广泛的激光加工技术。
本发明通过空间光调制器与振镜的有效结合，分别利用了空间光调制器对光束的精细调控和振镜的高速大角度扫描，可以实现大面积、多光束激光并行加工，并对激光光束的运动状态进行高精度调制，对激光在样品加工区域的光场分布进行整形，大幅提高了超快激光的加工效率与质量，实现更多激光加工方式。本发明的技术方案可运用于隐形切割，激光打标，激光焊接等多个领域。
附图说明
图1为超快激光加工光路示意图；
图2为本发明X振镜与Y振镜激光调制模组工作示意图
图3为本发明微机电振镜调制模组示意图；
图4为本发明实施例1的纵向多焦点光束整形；其中(a)为加载到LCOS相位型空间光调制器上的全息图；(b)为激光光束经过所述全息图后产生的光场强度分布；
图5为本发明实施例2基于微机电振镜的激光打标系统示意图；
图6为本发明实施例2的阵列式多点打标；其中(a)为加载到LCOS相位型空间光调制器上的全息图；(b)为激光光束经过所述全息图后产生的光场强度分布。
具体实施方式
为阐明技术问题、技术方案、实施过程及性能展示，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
实施例1
如图1所示，本发明提供的一种基于空间光调制器和振镜的超快激光加工系统，包括超快激光器1，半波片2，扩束镜3，激光调制模组4，反射镜5、聚焦场镜6、控制电脑7和工作台8。超快激光器1发射的激光光束经过半波片2之后入射到扩束镜3进行扩束准直，扩束后的激光依次入射到固定于X振镜11上的LCOS相位型空间光调制器9和固定于Y振镜12上的DMD振幅型空间光调制器10，由激光调制模组4出射的激光光束经过反射镜5，反射光经场镜6聚焦后入射到工作台8上，用于激光加工。
本发明提供一种基于空间光调制器和振镜的大面积、多焦点隐切微加工方法，包括以下步骤：
S1、将加工样品(厚度约为800μm)放置于工作台8表面并固定；恢复LCOS相位型空间光调制器9和DMD振幅型空间光调制器10至初始状态，不加载任何全息图；恢复X振镜11与Y振镜12至初始位置，使其呈几何正交布局(如图2所示)；打开超快激光器1使得出射功率低于加工阈值，调整光路，使得出射激光聚焦于加工区域中心位置。
S2、测试并校准X振镜11和Y振镜12的扫描范围100mm2,然后恢复振镜组至初始位置，根据激光加工的精度要求设计振镜扫描的扫描频率和角度。
S3、将X振镜11和Y振镜12位置坐标信息反馈至控制软件，根据X振镜11的位置计算出激光入射到LCOS相位型空间光调制器9上的角度，通过迭代GS算法利用LCOS相位型空间光调制器9的控制软件加载全息图(如图4a所示)，此时DMD振幅型空间光调制器10不加载任何全息图，当反射镜使用；所述LCOS相位型空间光调制器9的分辨率为1920X 1080，像素大小为8μm。LCOS器件连接水冷结构(图上未画出)并已包含有多层介质组成的结构来增加反射率，提高器件的阈值；入射至LCOS相位型空间光调制器9的激光会发生衍射，经过场镜聚焦后会产生纵向多焦点的光强分布(如图4b所示)。
S4、打开超快激光器1使得出射光的功率超过加工阈值，激光光束(光斑直径2mm)入射到半波片2和扩束镜3之后进行扩束准直，扩束倍数为2-5倍，然后将光束以一定的偏振和入射角入射到LCOS相位型空间光调制器9上产生衍射；从所述激光调制模组4出射的激光光束，依次经过反射镜5和聚焦场镜6(焦距100mm)后对样品进行多焦点隐形切割。
S5、根据设计好的程序，改变X振镜11与Y振镜12的偏转角度，并根据实际情况调整加载在LCOS相位型空间光调制器9上的全息图，使得激光光束在另一个位置加工。
S6、重复以上步骤S3-S5，当所需加工区域超过X振镜11与Y振镜12的最大扫描范围，利用三维平移台移动样品并重复以上步骤直至样品加工完成。
实施例2
如图5所示，为了进一步简化光路，本发明提供一种基于空间光调制器和微机电振镜的激光打标系统，包括超快激光器13，半波片14，扩束镜15，相位型空间光调制器16，微机电振镜17、聚焦场镜18和工作台19。超快激光器13发射的激光光束经过半波片14之后入射到扩束镜15进行扩束准直，扩束后的激光依次入射到固定于微机电振镜17上的LCOS相位型空间光调制器16，反射的激光光束经过场镜18聚焦后入射到工作台19上，用于激光加工。
本发明提供一种基于空间光调制器和微机电振镜的大面积、多焦点打标方法，包括以下步骤：
S1、将加工样品放置于工作台19表面并固定；恢复LCOS相位型空间光调制器16至初始状态，不加载任何全息图；恢复微机电振镜17至初始位置(如图3所示)。
S2、测试并校准微机电振镜17的扫描范围，根据打标区域的大小确定振镜扫描的频率和角度。微机电振镜17会实时发送振动偏转角度信息至控制处理器，所述偏转角度即入射激光在不同时刻所产生的不同的反射角。图3中采用的微机电振镜为二维微机电振镜。然后恢复微振镜至初始位置。
S3、通过迭代GS算法利用LCOS相位型空间光调制器16的控制软件加载全息图(如图6a所示)，所述LCOS相位型空间光调制器9的分辨率为1920X 1080，像素大小为8μm。入射至LCOS空间光调制器16的激光会发生衍射，经过场镜聚焦后会产生阵列式的光强分布(如图6b所示)。
S4、打开超快激光器13使得出射光的功率超过加工阈值，激光光束(光斑直径2mm)入射到半波片2和扩束镜3之后进行扩束准直，扩束倍数为2-5倍，然后将光束以一定的偏振和入射角入射到LCOS相位型空间光调制器9上产生衍射；从所述相位型空间光调制器16出射的激光光束，经过聚焦场镜18(焦距50mm)后对样品进行多点打标工序。
S5、根据设计好的程序，改变微机电振镜17的偏转角度，并根据实际情况调整加载在LCOS空间光调制器16上的全息图，使得激光光束在另一个位置加工。
S6、重复以上步骤S3-S5，当所需加工区域超过微机电振镜17的最大扫描范围，利用三维平移台移动样品并重复以上步骤直至样品加工完成。
本发明利用相位和振幅型空间光调制器对光束的精细调制特性，结合振镜的大角度扫描特性，提出一种超快激光大面积3D精细加工，满足多种加工需求，实现加工模组的小型化和标准化，是一种高效率、普适广泛的激光加工技术。
本发明通过空间光调制器与振镜的有效结合，分别利用了空间光调制器对光束的精细调控和振镜的高速大角度扫描，可以实现大面积、多光束激光并行加工，并对激光光束的运动状态进行高精度调制，对激光在样品加工区域的光场分布进行整形，大幅提高了超快激光的加工效率与质量，实现更多激光加工方式。本发明的技术方案可运用于隐形切割，激光打标，激光焊接等多个领域。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种超快激光加工装置，其特征在于，包括超快激光器（1），半波片（2），扩束镜（3），激光调制模组（4），反射镜（5）、聚焦场镜（6）、控制电脑（7）和工作台（8），所述激光调制模组（4）包括：相位型空间光调制器（9）、振幅型空间光调制器（10）和步进电机振镜组，其中所述步进电机振镜组包括X振镜（11）和Y振镜（12），所述超快激光器（1）发射的激光光束经过所述半波片（2）之后入射到所述扩束镜（3）进行扩束准直，扩束后的激光依次入射到固定于所述X振镜（11）上的所述相位型空间光调制器（9）和固定于所述Y振镜（12）上的所述振幅型空间光调制器（10），由所述激光调制模组（4）出射的激光光束经过所述反射镜（5）和所述反射光经场镜（6）聚焦后入射到所述工作台（8）上，用于激光加工；
所述超快激光器（1）发射的超快激光经过扩束准直后入射至所述相位型空间光调制器（9）上并反射，所述相位型空间光调制器（9）为硅基液晶LCOS,入射光的偏振方向与LCOS中液晶分子的光轴方向保持平行；LCOS器件的硅基背板平行固定于由电磁或者压电陶瓷驱动的所述X振镜（11）上；
所述X振镜（11）的最大偏转角度为正负20°，所述X振镜（11）在收到驱动信号转动时，带动所述相位型空间光调制器（9）以相同角度和频率转动，根据目标加工区域位置，利用控制软件计算出所述X振镜（11）的偏转角度坐标值，并输出至伺服驱动器，通过电压信号控制所述X振镜（11）的偏转角度，同时利用全息算法生成全息图并加载至所述相位型空间光调制器（9）上；
根据激光加工的特定应用需求，所述相位型空间光调制器（9）可实时改变入射激光的相位分布，从而调控出射激光的空间分布，具体如：激光光束的数量，光束整形，像差矫正、改变加工激光的聚焦深度和形状的特性，可作为超快激光加工的理想光束整形器件；当入射光的角度过大即大于10°时,所述相位型空间光调制器（9）的相位调制深度会随之降低，利用仿真软件和迭代GS算法优化加载到所述相位型空间光调制器（9）上的全息图，补偿相位并消除零级光，使得所述相位型空间光调制器（9）的反射光的相位调制满足需求；
所述Y振镜（13）与所述X振镜（11）采用几何正交布局，具有同样的驱动模式和参数；为了便于全息图的计算和校准，所述Y振镜（13）与所述X振镜（11）的距离小于5cm；所述振幅型空间光调制器为Digtial Micromirror Devices(DMD)；所述振幅型空间光调制器（10）固定于由电磁或者压电陶瓷驱动的所述Y振镜（12）上；所述Y振镜（12）在根据目标加工区域位置得到的驱动信号偏转时，带动所述振幅型空间光调制器（10）以相同角度和频率转动；从所述相位型空间光调制器（9）反射的激光入射到所述振幅型空间光调制器（10）进行光强调制，作为相位调制的补充，可实现出射激光更精细的调控，降低全息图计算迭代时 间，提高系统工作效率；所述振幅型空间光调制器（10）对于入射光的偏振状态不敏感，无需对偏振，所述振幅型空间光调制器（10）不加载全息图时，可作为反射镜使用。
2.根据权利要求1所述的一种超快激光加工装置，其特征在于，采用微机电振镜可以代替所述步进电机振镜组中的所述X振镜（11）和所述Y振镜（12），此时所述激光调制模组（4）包括所述相位型空间光调制器（9）和所述微机电振镜；所述超快激光器（1）发射的超快激光经过扩束准直后入射至所述相位型空间光调制器（9）上并反射，所述相位型空间光调制器（9）为硅基液晶LCOS,入射光的偏振方向与LCOS中液晶分子的光轴方向保持平行，LCOS器件的硅基背板平行固定于所述微机电振镜表面；所述微机电振镜的最大偏转角度为正负20°；利用全息算法生成全息图并加载至所述相位型空间光调制器（9）上，在远场调控出射激光的空间分布，实现激光光束的分束，整形功能，由所述激光调制模组（4）出射的激光经场景聚焦后入射在所述工作台（8）上，用于加工样品。
3.一种根据权利要求1或2所述的超快激光加工装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将厚度为800μm加工样品放置于工作台（8）表面并固定；恢复相位型空间光调制器（9）和振幅型空间光调制器（10）至初始状态，不加载任何全息图；恢复X振镜（11）与Y振镜（12）至初始位置，使其呈几何正交布局；打开超快激光器（1）使得出射功率低于加工阈值，调整光路，使得出射激光聚焦于加工区域中心位置；
S2、测试并校准所述X振镜（11）和所述Y振镜（12）的扫描范围100mm2,然后恢复振镜组至初始位置，设置振镜扫描的扫描频率和角度；
S3、将所述X振镜（11）和所述Y振镜（12）位置坐标信息反馈至控制软件，根据所述X振镜（11）的位置计算出激光入射到所述相位型空间光调制器（9）上的角度，通过迭代GS算法利用所述相位型空间光调制器（9）的控制软件加载全息图，此时所述振幅型空间光调制器（10）不加载任何全息图，当反射镜使用；所述相位型空间光调制器（9）连接水冷结构并已包含有多层介质组成的结构来增加反射率，提高器件的阈值；入射至所述相位型空间光调制器（9）的激光会发生衍射，经过场镜聚焦后会产生纵向多焦点的光强分布；
S4、打开超快激光器（1）使得出射光的功率超过加工阈值，激光光束入射到半波片（2）和扩束镜（3）之后进行扩束准直，然后将光束以一定的偏振和入射角入射到所述相位型空间光调制器（9）上产生衍射；从激光调制模组（4）出射的激光光束，依次经过反射镜（5）和聚焦场镜（6）后对样品进行多焦点隐形切割；
S5、据设计好的程序，改变所述X振镜（11）和所述Y振镜（12）的偏转角度，并根据实际情况调整加载在所述相位型空间光调制器（9）上的全息图，使得激光光束在另一个位置加工；
S6、重复以上步骤，当所需加工区域超过所述X振镜（11）和所述Y振镜（12）的最大扫描范围，利用三维平移台移动样品并重复以上步骤直至样品加工完成。
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