CN117644281B - 一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构和加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构和加工设备，属于激光光束整形领域，该光学结构包括：光纤准直镜、45°平面反射镜、X方向柱面镜、第一Y方向柱面镜、第二Y方向柱面镜、二色镜、保护窗片、分束镜和耦合器。本发明能将圆形激光光束整形成线状激光光束与线状微射流耦合。不同于传统的点状加工方式，本发明中线状激光耦合的微射流，可采用线状加工方式，可减少机床轴的运动频次，因此加工效率更高。本发明直接产生线状激光耦合微射流，一次性加工区域更广，对加工面进行多次加工，其加工面更加平整。且本发明激光耦合的微射流截面面积更大，在相同的功率密度下，可耦合的激光的功率远高于传统方式。
Description
技术领域
本发明属于激光光束整形领域，具体涉及一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构和加工设备。
背景技术
近些年来，随着碳化硅、金刚石等第三代半导体材料的兴起，对材料的加工工艺要求也越来越高。目前，由国外引进的激光微射流加工技术在第三代半导体材料的加工领域大放异彩，相比于之前的加工工艺，激光微射流加工技术能够提高加工效果和加工效率。
但是，现有的激光微射流加工头均为采用旋转对称面，例如球面和奇/偶次非球面构成的镜片结构，仅能将光束聚焦成点状，从而和圆形微射流耦合，以对材料上的一个点进行加工，如果需要对某个线或者面进行加工，则需要机床的运动配合。
因为传统的激光微射流加工头是通过机床配合，采用将点连成线，将线连成面的加工方式，在应用这种加工方式加工面或者挖槽时，加工面或者槽底是不平整的，因而传统的激光微射流加工头无法满足对底部加工面有要求的加工需求。
而且，由于微射流对激光的功率密度的耐受是一定的，功率密度过高会导致光的非线性效应，在微射流内部产生大量空泡，使得激光能量过早散射。受限于传统的激光微射流加工头所产生的圆柱形微射流的截面积，在通常设定的功率密度下，微射流的耦合功率有限，无法形成有效的激光耦合微射流，会影响加工效率。
因此，亟需对传统的激光微射流加工头改进以消除上述缺陷。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构和加工设备。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明实施例提供了一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构，包括：
光纤准直镜，用于将光纤激光器输出的垂直向发散光束进行准直，输出垂直向准直光束；
45°平面反射镜，用于接收所述垂直向准直光束，变向后输出水平向准直光束；
X方向柱面镜，用于对所述水平向准直光束的X方向进行压缩，输出X向压缩后光束；
第一Y方向柱面镜，用于对所述X向压缩后光束的Y方向进行压缩，输出第一Y向压缩后光束；
第二Y方向柱面镜，用于对所述第一Y向压缩后光束的Y方向进行压缩，输出第二Y向压缩后光束；其中，针对任一柱面镜，Z方向对应水平方向，Y方向对应垂直方向，X、Y、Z方向遵循右手定则；
二色镜，所述二色镜的上下表面非平行，下表面与水平方向夹角为45°，所述下表面用于将所述第二Y向压缩后光束变向，输出垂直向光束；上表面用于避免所述下表面反射的杂散光传输至相机；
保护窗片，用于接收所述垂直向光束并向下透射，所述保护窗片还用于将下方的水腔和上方的其余光学结构隔绝开，防止水进入其余光学结构；
分束镜，用于将来自于所述相机的照明光束向下反射，穿过所述二色镜、所述保护窗片，照射位于所述保护窗片底部的喷嘴；将喷嘴的反射光经所述保护窗片、所述二色镜输出的光束向上透射，传播至所述相机以对所述喷嘴成像；
耦合器，用于利用所述喷嘴中间的狭缝接收所述保护窗片输出的光束，输出线状光束，将所述线状光束耦合到所述喷嘴的狭缝所喷射出的线状水射流中。
在本发明的一个实施例中，所述光纤激光器输出的垂直向发散光束的半角发散角为5°。
在本发明的一个实施例中，所述光纤准直镜的焦距为200mm，直径为40mm。
在本发明的一个实施例中，所述X方向柱面镜的X方向曲率半径为689.09mm，Y方向曲率半径为无穷大，镜片直径为40mm。
在本发明的一个实施例中，所述第一Y方向柱面镜和所述第二Y方向柱面镜的Y方向曲率半径为50mm，X方向曲率半径为无穷大，镜片直径为40mm。
在本发明的一个实施例中，所述二色镜的上表面和下表面的夹角为5°。
在本发明的一个实施例中，所述保护窗片的厚度为4mm，长度为40mm，宽度为10mm；其中，所述保护窗片的厚度沿Z方向，长度沿X方向，宽度沿Y方向。
在本发明的一个实施例中，所述分束镜由两片截面为直角等腰三角形的三角棱柱沿底面贴合而成，贴合面对来自于所述相机的照明光束具有50%的透过率和50%的反射率；其中，所述两片截面位于YZ平面。
第二方面，本发明实施例提供了一种加工设备，包括第一方面提供的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，以及相机和喷嘴；其中，所述加工设备利用所述用于线形激光与微射流耦合的光学结构输出线状光束，所述线状光束被耦合到所述喷嘴的狭缝所喷射出的线状水射流中，形成线状激光微射流，以用于对半导体材料进行加工。
本发明的有益效果：
本发明实施例提供的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，能够将圆形激光光束整形成线状激光光束与线状微射流耦合。不同于传统的点状加工方式，本发明中线状激光耦合的微射流，可采用线状加工方式，可减少机床轴的运动频次，因此加工效率更高。本发明直接产生线状激光耦合微射流，一次性加工区域更广，对加工面进行多次加工，其加工面更加平整。而且本发明激光耦合的微射流截面面积更大，在相同的功率密度下，可耦合的激光的功率远高于传统方式。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构的示意图；
图2为本发明实施例的坐标方向示意图；
图3为本发明实施例的分束镜对外部照明光束的作用示意图；
图4为本发明实施例的耦合器的结构示意图；
图5为本发明实施例中保护窗片底部光束分布X方向截面图；
图6为本发明实施例中保护窗片底部光束分布Y方向截面图。
图标：1：光纤激光器的光纤头；2：光纤准直镜；3：45°平面反射镜；4：X方向柱面镜；5：第一Y方向柱面镜；6：第二Y方向柱面镜；7：二色镜；8：保护窗片；9：分束镜；10：耦合器；其中，光纤激光器的光纤头不属于该用于线形激光与微射流耦合的光学结构的内部器件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
第一方面，本发明实施例提供了一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构，请参见图1，该用于线形激光与微射流耦合的光学结构可以包括：
光纤准直镜，用于将光纤激光器输出的垂直向发散光束进行准直，输出垂直向准直光束；
45°平面反射镜，用于接收所述垂直向准直光束，变向后输出水平向准直光束；
X方向柱面镜，用于对所述水平向准直光束的X方向进行压缩，输出X向压缩后光束；
第一Y方向柱面镜，用于对所述X向压缩后光束的Y方向进行压缩，输出第一Y向压缩后光束；
第二Y方向柱面镜，用于对所述第一Y向压缩后光束的Y方向进行压缩，输出第二Y向压缩后光束；其中，针对任一柱面镜，Z方向对应水平方向，Y方向对应垂直方向，X、Y、Z方向遵循右手定则；
二色镜，所述二色镜的上下表面非平行，下表面与水平方向夹角为45°，所述下表面用于将所述第二Y向压缩后光束变向，输出垂直向光束；上表面用于避免所述下表面反射的杂散光传输至相机；
保护窗片，用于接收所述垂直向光束并向下透射，还用于防止所述保护窗片下方的水进入所述保护窗片上方的其余光学结构；
分束镜，用于将来自于所述相机的照明光束向下反射，穿过所述二色镜、所述保护窗片，照射位于所述保护窗片底部的喷嘴；将喷嘴的反射光经所述保护窗片、所述二色镜输出的光束向上透射，传播至所述相机以对所述喷嘴成像；
耦合器，用于利用所述喷嘴中间的狭缝接收所述保护窗片输出的光束，输出线状光束，将所述线状光束耦合到所述喷嘴的狭缝所喷射出的线状水射流中。
图1中的附图标记为：1：光纤激光器的光纤头；2：光纤准直镜；3：45°平面反射镜；4：X方向柱面镜；5：第一Y方向柱面镜；6：第二Y方向柱面镜；7：二色镜；8：保护窗片；9：分束镜；10：耦合器；其中，光纤激光器的光纤头不属于该用于线形激光与微射流耦合的光学结构的内部器件。
以下对图1中的各个部分分别进行说明。
(1)光纤激光器的光纤头
如图1所示，光纤激光器的光纤头位于所述光纤准直镜上方，所述光纤激光器的光纤头输出激光光束，具体为向下的垂直向发散光束，所述垂直向发散光束的发散角可以根据需求调整。
比如可选的一种实施方式中，所述光纤激光器输出的垂直向发散光束的半角发散角为5°。其中，半角发散角是指垂直向发散光束的任一侧光束边缘与中轴线的夹角。
(2) 光纤准直镜
所述光纤准直镜将接收到的垂直向发散光束进行准直，然后向下输出垂直向准直光束。本发明实施例中的光纤准直镜可以采用现有任一种光纤准直镜实现，对于其器件参数，如焦距、直径等可以根据需求选取。比如，可选的一种实施方式中，所述光纤准直镜的焦距为200mm，直径为40mm。在该种器件参数下，所述光纤准直镜针对半角发散角为5°的垂直向发散光束进行准直后，输出的垂直向准直光束的光束直径可以为25mm。
(3) 45°平面反射镜
本发明实施例中的45°平面反射镜可以采用现有器件实现。45°平面反射镜与水平方向的夹角为45度。如图1所示，可以理解的是，该45°平面反射镜的上表面能够将接收到的垂直向准直光束的传播方向变为水平方向，输出水平向准直光束，沿着Z方向传播。
(4) X方向柱面镜
所述X方向柱面镜的柱面沿X方向设置，所述第一Y方向柱面镜和所述第二Y方向柱面镜的柱面沿Y方向设置。本发明实施例的坐标方向请参见图2所示，X、Y、Z方向遵循右手定则，垂直于纸面向里为X方向；针对所述X方向柱面镜、所述第一Y方向柱面镜和所述第二Y方向柱面镜，Z方向对应水平方向，Y方向对应垂直方向。
所述X方向柱面镜在接收到所述水平向准直光束后，利用自身的柱面对所述水平向准直光束的X方向进行压缩，而对Y方向不进行压缩，输出X向压缩后光束。
可以设置所述X方向柱面镜的X方向曲率半径、镜片直径等来得到相应的X方向压缩效果。
比如，可选的一种实施方式中，所述X方向柱面镜的X方向曲率半径为689.09mm，Y方向曲率半径为无穷大，镜片直径为40mm。
在该种情况下，所述X方向柱面镜输出的光束，传输到保护窗片底部时，光束在X方向的长度可以为20mm。
(5) 第一Y方向柱面镜
所述第一Y方向柱面镜利用自身的柱面，对所述X向压缩后光束的Y方向进行压缩，对X方向不进行压缩，输出第一Y向压缩后光束；
可以设置所述第一Y方向柱面镜的Y方向曲率半径、镜片直径等来得到相应的Y方向压缩效果。
比如，可选的一种实施方式中，所述第一Y方向柱面镜的Y方向曲率半径为50mm，X方向曲率半径为无穷大，镜片直径为40mm。
(6) 第二Y方向柱面镜
所述第二Y方向柱面镜利用自身的柱面，对所述第一Y向压缩后光束的Y方向进行压缩，对X方向不进行压缩，输出第二Y向压缩后光束；
可以设置所述第二Y方向柱面镜的Y方向曲率半径、镜片直径等来得到相应的Y方向压缩效果。
比如，可选的一种实施方式中，所述第二Y方向柱面镜的Y方向曲率半径为50mm，X方向曲率半径为无穷大，镜片直径为40mm。
针对所述第一Y方向柱面镜和所述第二Y方向柱面镜，在采用上述参数时，输出光束到达保护窗片底部时，光束在Y方向的宽度可以为80um。
(7) 二色镜
所述二色镜的形状为楔形，上下表面是非平行的。所述二色镜的下表面与水平方向夹角为45°；所述二色镜的上表面与下表面的夹角可以为一个较小的锐角，比如可选的一种实施方式中，所述二色镜的上表面和下表面的夹角为5°。
所述二色镜的下表面接收到所述第二Y方向柱面镜输出的，沿水平方向传播的第二Y向压缩后光束，由于所述二色镜的下表面与水平方向夹角为45°，因此，可以利用其下表面将所述第二Y向压缩后光束的传播方向改为向下垂直传播，使光束进入保护窗片中。
在实际使用中，比如在所述用于线形激光与微射流耦合的光学结构的基础上，制备加工半导体材料的加工设备等结构时，通常会利用相机等其余部件，为了便于理解所述二色镜的作用，在此结合其余部件的工作过程进行说明，并请参见图3理解。
相机可以设置在分束镜远离柱面镜的一侧，相机会发出水平方向的照明光束，所述照明光束的波长与光纤激光器输出的激光光束的波长不同。所述照明光束在进入分束镜后，部分会被分束镜改变方向，变为向下垂直传播，透过二色镜的上表面后在二色镜内部传播。在二色镜的下表面与空气接触的界面，会有一部分光束从该界面反射，是为杂散光，这些杂散光穿过二色镜的上表面向上传播；同时，二色镜的下表面还正常透射出向下传播的光束，在传播到保护窗片后，被向上反射；由于二色镜的上下表面不平行的设计，使得从二色镜的下表面反射的杂散光，与保护窗片底部反射回来的光束具有一定夹角，这些杂散光在经过一定距离的传播后，会被相机光阑阻挡，不会传输到相机的传感器上，因此能够避免形成‘鬼像’干扰分辨主光斑，而保护窗片向上反射的光束是相机所需的，用于对保护窗片底部的喷嘴成像。
(8) 保护窗片
所述保护窗片为立方体结构，所述保护窗片的厚度沿Z方向，长度沿X方向，宽度沿Y方向。具体的厚度、长度和宽度可以根据需要设置。
比如，可选的一种实施方式中，所述保护窗片的厚度为4mm，长度为40mm，宽度为10mm。
所述保护窗片用于接收所述二色镜输出的所述垂直向光束并向下透射，以照射所述保护窗片底部的喷嘴等。同时，由于喷嘴会喷出水流，所述保护窗片还用于将下方的水腔和上方的其余光学结构隔绝开，防止水进入所述保护窗片上方的其余光学结构，起到保护作用。
(9) 分束镜
其中，所述分束镜由两片截面为直角等腰三角形的三角棱柱沿底面贴合而成，贴合面对来自于所述相机的照明光束具有50%的透过率和50%的反射率；其中，所述两片截面位于YZ平面。
请参见图3，相机的照明光束由右侧入射到分束镜的中间斜面上，50%的光束向下反射，穿过二色镜和保护窗片到达保护窗片底部的喷嘴(喷嘴请见图4所示，喷嘴中间有狭缝，水经过该狭缝后形成线状水射流)从而照亮喷嘴，喷嘴又将光束反射，经过保护窗片、二色镜，到达分束镜中间的斜面，该斜面将由保护窗片底部喷嘴反射回来的光束的50%透过，向上传播至相机模块，可以对保护窗片底部的喷嘴成像。
(10) 耦合器
请参见图4，所述耦合器包括喷嘴和金属机械结构。
金属机械结构用于固定喷嘴和保护窗片。喷嘴中间有狭缝，高压水流经过喷嘴后，可以从狭缝中出射，形成线状水射流，即线状的水的微射流。
同时，保护窗片向下输出的光束进入狭缝后，可以输出线状光束，线状光束可以耦合到线状水射流中。
请参见表1，表1为本发明实施例的用于线形激光与微射流耦合的光学结构的一种可选的光学结构参数表，包含镜片曲率半径、镜片材质、镜片位置等详细信息。
表1中，参考物体是指各序号的部件以参考序号为2的光纤准直镜为参考，即以该光纤准直镜为坐标原点，表1中列出的X位置、Y位置、Z位置的坐标是相对于该坐标原点的坐标。
表1中水流是指喷嘴喷出的水射流。F_SILICA是熔融石英，N-BK7是肖特的玻璃牌号。
表1光学结构参数表
本发明实施例中保护窗片底部的光束平面分布中，光束呈线状分布，X坐标值在-20.0~20.0的范围内，Y坐标值均为0，非相干辐照度从X坐标的0位置向两侧逐渐降低，非相干辐照度的数值在7.95E+004至0.00E+000范围内变化。图5为本发明实施例中保护窗片底部光束分布X方向截面图，从图5中可见，光斑在X方向的长度L(1/e²)为20mm。 图6为本发明实施例中保护窗片底部光束分布Y方向截面图，从图6中可见，光斑在Y方向的宽度W(1/e²)为80um。其中，光束能量分布类似一个高斯曲线，上述长度L和宽度W标1/e²是指光束能量下降到峰值能量的13.5%时的尺寸。
本发明实施例提供的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，能够将圆形激光光束整形成线状激光光束与线状微射流耦合。不同于传统的点状加工方式，本发明中线状激光耦合的微射流，可采用线状加工方式，可减少机床轴的运动频次，因此加工效率更高。本发明直接产生线状激光耦合微射流，一次性加工区域更广，对加工面进行多次加工，其加工面更加平整。而且本发明激光耦合的微射流截面面积更大，例如传统的60um直径微射流，其截面面积约为0.00283mm²，而本发明所涉及光学结构产生的线激光尺寸为80um20mm，略大于光束尺寸的狭缝所产生的线状微射流耦合，其截面积将大约为0.08/>20=1.6mm²，在相同的功率密度下，可耦合的激光光功率将是传统方式的560多倍。
第二方面，相应于第一方面提供的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，本发明实施例还提供了一种加工设备，包括第一方面提出的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，以及相机和喷嘴；
其中，所述加工设备利用所述用于线形激光与微射流耦合的光学结构输出线状光束，所述线状光束被耦合到所述喷嘴的狭缝所喷射出的线状水射流中，形成线状激光微射流，以用于对半导体材料进行加工。
关于该加工设备中的用于线形激光与微射流耦合的光学结构的具体结构请参见第一方面的相关内容，在此不做赘述。
本发明实施例基于所提出的用于线形激光与微射流耦合的光学结构实现一种加工设备，具有以下有益效果：
1.不同于传统的点状加工方式，本发明所产生的线状加工方式效率更高；
2.本发明在加工面/挖槽时，加工面/槽底更加平整；
3.由于本发明的线状激光微射流截面积(例如100um24000um)远远大于传统激光加工头所产生的圆柱形微射流的截面积(通常直径为40um~100um)，在相同的功率密度下，线激光微射流的耦合功率远高于传统方式，能够极高地提高加工效率。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，包括：
光纤准直镜，用于将光纤激光器输出的垂直向发散光束进行准直，输出垂直向准直光束；
45°平面反射镜，用于接收所述垂直向准直光束，变向后输出水平向准直光束；
X方向柱面镜，用于对所述水平向准直光束的X方向进行压缩，输出X向压缩后光束；
第一Y方向柱面镜，用于对所述X向压缩后光束的Y方向进行压缩，输出第一Y向压缩后光束；
第二Y方向柱面镜，用于对所述第一Y向压缩后光束的Y方向进行压缩，输出第二Y向压缩后光束；其中，针对任一柱面镜，Z方向对应水平方向，Y方向对应垂直方向，X、Y、Z方向遵循右手定则；
二色镜，所述二色镜的上下表面非平行，下表面与水平方向夹角为45°，所述下表面用于将所述第二Y向压缩后光束变向，输出垂直向光束；上表面用于避免所述下表面反射的杂散光传输至相机；
保护窗片，用于接收所述垂直向光束并向下透射，还用于防止所述保护窗片下方的水进入所述保护窗片上方的其余光学结构；
分束镜，用于将来自于所述相机的照明光束向下反射，穿过所述二色镜、所述保护窗片，照射位于所述保护窗片底部的喷嘴；将喷嘴的反射光经所述保护窗片、所述二色镜输出的光束向上透射，传播至所述相机以对所述喷嘴成像；
耦合器，用于利用所述喷嘴中间的狭缝接收所述保护窗片输出的光束，输出线状光束，将所述线状光束耦合到所述喷嘴的狭缝所喷射出的线状水射流中。
2. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述光纤激光器输出的垂直向发散光束的半角发散角为5°；其中，半角发散角是指垂直向发散光束的任一侧光束边缘与中轴线的夹角。
3. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述光纤准直镜的焦距为200mm，直径为40mm。
4. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述X方向柱面镜的X方向曲率半径为689.09mm，Y方向曲率半径为无穷大，镜片直径为40mm。
5. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述第一Y方向柱面镜和所述第二Y方向柱面镜的Y方向曲率半径为50mm，X方向曲率半径为无穷大，镜片直径为40mm。
6. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述二色镜的上表面和下表面的夹角为5°。
7. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述保护窗片的厚度为4mm，长度为40mm，宽度为10mm；其中，所述保护窗片的厚度沿Z方向，长度沿X方向，宽度沿Y方向。
8. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述分束镜由两片截面为直角等腰三角形的三角棱柱沿底面贴合而成，贴合面对来自于所述相机的照明光束具有50%的透过率和50%的反射率；其中，所述两片截面位于YZ平面。
9.一种加工设备，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，以及相机和喷嘴；其中，所述加工设备利用所述用于线形激光与微射流耦合的光学结构输出线状光束，所述线状光束被耦合到所述喷嘴的狭缝所喷射出的线状水射流中，形成线状激光微射流，以用于对半导体材料进行加工。
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