CN203124969U

CN203124969U - 基于自适应光学的激光微细加工设备

Info

Publication number: CN203124969U
Application number: CN 201320035333
Authority: CN
Inventors: 刘茂珍; 李喜锦; 李育华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2023-01-23

Abstract

本实用新型公开一种基于自适应光学的激光微细加工设备，主要由激光器、扩束器、第一反射镜、变形镜、第二反射镜、垂直支架、x轴电机、第三反射镜、x轴平台、分光镜、第四反射镜、z轴电机、z轴平台、二维扫描振镜、扫描物镜、水平支架、y轴电机、y轴平台、第一透镜、第二透镜、波前传感器和计算机组成；本实用新型通过自适应光学技术，可以动态调地调激光加工设备的光路状态，可以有效地解决激光加工设备采用飞行光路所带来的焦点大小、焦深改变、焦点位置偏移得问题；同时，还可以利用自适应光学技术系统的产生高斯光、平顶光、超高斯光等光强分布，并利用得到的光强分布进行激光切割、激光打孔。

Description

基于自适应光学的激光微细加工设备

技术领域

本实用新型涉及激光加工领域，具体涉及一种基于自适应光学的激光微细加工设备。

背景技术

目前，激光加工设备广泛应用于金属、陶瓷、玻璃、印刷电路的激光切割和激光打孔。目前的激光加工设备的工作平台主要有两种结构方式，一种是整体式x，y两维平台，另一种是分离式x，y二维平台。随着技术的发展以及应用的需求，激光加工设备也渐渐向分离式方向发展。这是因为，分离式平台更适应自动化以及流水线生产的需要。但是这种方式也给激光光路带来了很大的挑战，其中最主要是飞行光路带来的以下几个方面的变化：（1）由于目前的激光器的出射光都为高斯光束，它具有一定的发散角，当飞行光路长度改变时，在聚焦物镜射光中发散角也不一样，聚焦透镜表面的光束横截面积也随着变化，对光束的聚焦效果产生了影响。（2）激光器的出射光并不是一个理想的光束，会具有一定的像差，同时，光路系统也存着一点的像差，当飞行光路位置改变时，会产生不同的衍射效果，对光束的聚焦产生影响。（3）飞行光路都是固定于一个可移动平台上的，平台在x-y,y-z-z-x几个方向的平整度会对光束的入射角度产生影响，从而使得焦点位置产生变化。因此，飞行光路会对激光聚焦焦点大小，焦点深度、焦点位置都会产生变化，这必然会对加工产生很大的影响，严重地影响了激光切割特别是激光打孔的性能。

为了解决飞行光路带来的问题，人们提出了很多方法，如（1）采用扩束镜进行光路准直，通过增加光束的束腰来减少远场发散角，但是光束的大小不能无限扩大，而且扩束镜也会带来额外的系统像差以及功率损耗。（2）采用变曲率半径镜片（VRM），变曲率半径能够在光路长度改变时动态地调整光束的特征参数，来保持焦点的半径和焦点尝试的稳定，但是这种方法不能够很好地调整个光路系统误差。（3）伺服电机直接驱动的等光程系统，它具有结构简单，成本低、调整方便等优点，但是不能有效地校正电机平整度的影响，只能调整激光设备的焦点半径和焦深的大小。

目前，自适应光学技术广泛地应用于天文望远镜，激光光束整形等领域，美国专利US Pat.No.8,198,564和US.Pat.No.US2012/0250134提出了利用自适应光学技术应用于激光加工设备的技术，动态地调整激光光束的质量，可以获得很好的激光切割，激光打孔效果，同时，利用自适应光学技术，还可以对激光光束进行整形，获得平顶光输出，有利于获得良好的激光打孔效果，但是该实用新型采用双波前传感器，结构较复杂，成本较高，而且他们的机械平台采用的是整体式二维平移台，不能很好地于自动化上下料结合，不利于提高激光加工效率。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题决是现有激光微细加工设备采用飞行光路所带来的焦点大小、焦深改变和焦点位置偏移等问题，提供一种基于自适应光学的激光微细加工设备。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下方案实现的：

一种基于自适应光学的激光微细加工设备，主要由激光器、扩束器、第一反射镜、变形镜、第二反射镜、垂直支架、x轴电机、第三反射镜、x轴平台、分光镜、第四反射镜、z轴电机、z轴平台、二维扫描振镜、扫描物镜、水平支架、y轴电机、y轴平台、第一透镜、第二透镜、波前传感器和计算机组成；

第四反射镜、二维扫描振镜和扫描物镜位于z轴平台上；z轴平台、分光镜、第一透镜、第二透镜和波前传感器位于x轴平台上；x轴平台、第三反射镜、第二反射镜、变形镜、第一反射镜、扩束器和激光器位于垂直支架上；y轴平台位于水平支架上；

x轴电机、z轴电机和y轴电机与计算机相连；z轴平台与z轴电机相连，z轴电机在计算机的控制下带动z轴平台在x轴平台上做上下移动；x轴平台与x轴电机相连，x轴电机在计算机的控制下带动x轴平台在垂直支架上做左右移动；y轴平台与y轴电机相连，y轴电机在计算机的控制下带动y轴平台在水平支架上做前后移动；

波前传感器和变形镜连接计算机；激光器发出的光经扩束器扩束后依次由第一反射镜、变形镜、第二反射镜、第三反射镜入射到分光镜进行分光，一部分的光依次经第一透镜和第二透镜进入波前传感器、由波前传感器探测光束波前特性后送入计算机中，另一部分的光经第四反射镜入射到二维扫描振镜、由二维扫描振镜反射到扫描物镜并聚焦到y轴平台上。

上述方案中，所述变形镜可以为分立式变形镜、连续式变形镜，双电压变形镜、MEMS变形镜、薄膜变形镜、液晶空间光调制器或快速倾斜镜中的一种。

上述方案中，所述变形镜的出射光在焦点位置附近的目标光斑为高斯光、超高斯光束或平顶光。

上述方案中，所述y轴平台可以为人工上料的普通平移台，也可以是自动上料的自动化上料设备。

本实用新型利用波前传感器探测激光光路的动态特性以及事先标定的标定文件，根据目标光斑，控制变形镜校正飞行光路的角度偏差以及波前特性，在扫描物镜焦点附近获得理想的聚焦特性并将聚焦点准确地聚焦在样品上，进行激光切割和激光加工；通过自适应光学技术，可以动态调地调激光加工设备的光路状态，可以有效地解决激光加工设备采用飞行光路所带来的焦点大小、焦深改变、焦点位置偏移得问题；同时，还可以利用自适应光学技术系统的产生高斯光、平顶光、超高斯光等光强分布，并利用得到的光强分布进行激光切割、激光打孔。因此，基于自适应光学的自动化激光微细加工设备，可以提高系统的稳定性、准确性以及实用性。

附图说明

图1为一种基于自适应光学的激光微细加工设备的示意图。

具体实施方式

图1所示的一种基于自适应光学的激光微细加工设备，主要由激光器1、扩束器2、第一反射镜3、变形镜4、第二反射镜5、垂直支架6、x轴电机7、第三反射镜8、x轴平台9、分光镜10、第四反射镜11、z轴电机12、z轴平台13、二维扫描振镜14、扫描物镜15、水平支架16、y轴电机17、y轴平台18、第一透镜19、第二透镜20、波前传感器21和计算机组成。

在本实施例中，激光器1采用紫外固定激光器，波长为355nm，出射光斑大小为2mm。激光器1发出的光经扩束器2扩束后，出射光斑为10mm。在本实用新型中，所述变形镜4可以为分立式变形镜、连续式变形镜，双电压变形镜、MEMS变形镜、薄膜变形镜、液晶空间光调制器或快速倾斜镜中的一种。变形镜4的出射光在焦点位置附近的目标光斑为高斯光、超高斯光束或平顶光。在本实施例中，变形镜4采用37单元的双压电变形镜，具有较大的动态行程，有利用于对波前进行校正和获得平顶光和超高斯光。波前传感器21采用传统的夏克-哈特曼波前传感器，子孔径数目为127个。二维扫描振镜14采用的是ScanLab二维扫描振镜。扫描物镜15采用F-theta透镜，可以保证聚焦光斑垂直入微到样品。x轴电机7、z轴电机12和y轴电机17采用的是HIWIN直线电机，定位精度及重复精度为5um。在本实用新型中，所述y轴平台18可以为人工上料的普通平移台，也可以是自动上料的自动化上料设备。在本实施例中，y轴平台18平台大小为450mm×450mm的自动化上料设备。

第四反射镜11、二维扫描振镜14和扫描物镜15位于z轴平台13上。z轴平台13、分光镜10、第一透镜19、第二透镜20和波前传感器21位于x轴平台9上。x轴平台9、第三反射镜8、第二反射镜5、变形镜4、第一反射镜3、扩束器2和激光器1位于垂直支架6上。y轴平台18位于水平支架16上。

x轴电机7、z轴电机12和y轴电机17与计算机相连。z轴平台13与z轴电机12相连，z轴电机12在计算机的控制下带动z轴平台13在x轴平台9上做上下移动。x轴平台9与x轴电机7相连，x轴电机7在计算机的控制下带动x轴平台9在垂直支架6上做左右移动。y轴平台18与y轴电机17相连，y轴电机17在计算机的控制下带动y轴平台18在水平支架16上做前后移动。

波前传感器21和变形镜4连接计算机的。激光器1发出的光经扩束器2扩束后依次由第一反射镜3、变形镜4、第二反射镜5、第三反射镜8入射到分光镜10进行分光，一部分的光依次经第一透镜19和第二透镜20进入波前传感器21、由波前传感器21探测光束波前特性后送入计算机中，另一部分的光经第四反射镜11入射到二维扫描振镜14、由二维扫描振镜14反射到扫描物镜15并聚焦到y轴平台18上。

根据上述激光微细加工设备所述设计的基于自适应光学的激光微细加工方法，包括如下步骤：

①计算机读取激光加工文件，得到需要加工的规划路径，并发出指令到x轴电机7、y轴电机17和/或z轴电机12去控制x轴平台9沿x轴运动、y轴平台18沿y轴运动和/或z轴平台13沿z轴运动，以实现聚焦光斑的三维移动；

②激光微细加工工作之前，通过移动z轴电机12，使z轴平台13处于不同的位置，利用波前传感器21和变形镜4进行闭环控制，获得光束经扫描物镜15聚焦的目标光斑，并将此时的变形镜4面形及波前传感器21数据保存为标定文件于计算机中；

③激光微细加工工作时，波前传感器21实时探测光束的波前，通过与计算机中的标定文件进行计算，获得变形镜4的变形量，控制变形镜4对光束的波前以及角度进行调整，使光束在扫描物镜焦点附近获得目标光斑并准确地入射到待加工样品中。

此外，在步骤②和③中，还进一步包括变形镜4对入射光束的波前进行调整，使出射光在焦点位置附近获得平顶光束、超高斯光束或平顶光目标光斑，来适应不同激光加工方法的需求的步骤。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换,这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.基于自适应光学的激光微细加工设备，其特征在于：

主要由激光器（1）、扩束器（2）、第一反射镜（3）、变形镜（4）、第二反射镜（5）、垂直支架（6）、x轴电机（7）、第三反射镜（8）、x轴平台（9）、分光镜（10）、第四反射镜（11）、z轴电机（12）、z轴平台（13）、二维扫描振镜（14）、扫描物镜（15）、水平支架（16）、y轴电机（17）、y轴平台（18）、第一透镜（19）、第二透镜（20）、波前传感器（21）和计算机组成；

第四反射镜（11）、二维扫描振镜（14）和扫描物镜（15）位于z轴平台（13）上；z轴平台（13）、分光镜（10）、第一透镜（19）、第二透镜（20）和波前传感器（21）位于x轴平台（9）上；x轴平台（9）、第三反射镜（8）、第二反射镜（5）、变形镜（4）、第一反射镜（3）、扩束器（2）和激光器（1）位于垂直支架（6）上；y轴平台（18）位于水平支架（16）上；

x轴电机（7）、z轴电机（12）和y轴电机（17）与计算机相连；z轴平台（13）与z轴电机（12）相连，z轴电机（12）在计算机的控制下带动z轴平台（13）在x轴平台（9）上做上下移动；x轴平台（9）与x轴电机（7）相连，x轴电机（7）在计算机的控制下带动x轴平台（9）在垂直支架（6）上做左右移动；y轴平台（18）与y轴电机（17）相连，y轴电机（17）在计算机的控制下带动y轴平台（18）在水平支架（16）上做前后移动；

波前传感器（21）和变形镜（4）连接计算机；激光器（1）发出的光经扩束器（2）扩束后依次由第一反射镜（3）、变形镜（4）、第二反射镜（5）、第三反射镜（8）入射到分光镜（10）进行分光，一部分的光依次经第一透镜（19）和第二透镜（20）进入波前传感器（21）、由波前传感器（21）探测光束波前特性后送入计算机中，另一部分的光经第四反射镜（11）入射到二维扫描振镜（14）、由二维扫描振镜（14）反射到扫描物镜（15）并聚焦到y轴平台（18）上。

2.根据权利要求1所述的基于自适应光学的激光微细加工设备，其特征在于：

变形镜（4）为分立式变形镜、连续式变形镜，双电压变形镜、MEMS变形镜、薄膜变形镜、液晶空间光调制器或快速倾斜镜。

3.根据权利要求1所述的基于自适应光学的激光微细加工设备，其特征在于：

变形镜（4）的出射光在焦点位置附近的目标光斑为高斯光、超高斯光束或平顶光。

4.根据权利要求1所述的基于自适应光学的激光微细加工设备，其特征在于：

y轴平台（18）为普通平移台或自动化上料设备。