CN214518289U - 一种飞秒激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种飞秒激光加工系统，包括：飞秒激光模块，用于出射第一飞秒激光光束，第一飞秒激光光束具有第一功率；位于第一飞秒激光光束传播路径上的扩束模块，扩束模块用于对第一飞秒激光光束进行光束扩束和准直，形成第二飞秒激光光束；位于第二飞秒激光光束传播路径上的衰减模块，衰减模块包括衰减片，衰减片用于对第二飞秒激光光束进行功率衰减，以形成第三飞秒激光光束，第三飞秒激光光束具有第二功率；第二功率小于第一功率；位于第三飞秒激光光束传播路径上的加工切割头，加工切割头用于聚焦第三飞秒激光光束并对待加工材料打孔。解决了现有技术中对玻璃材料微孔加工中无法实现更小的微孔直径以及无法解决崩边较大等技术问题。

Description

一种飞秒激光加工系统

技术领域

本实用新型实施例涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种飞秒激光加工系统。

背景技术

目前玻璃在工业上应用非常广泛，针对玻璃要求更多样化；市场上针对玻璃微孔加工需求更加迫切。

传统的普通纳秒激光钻孔方法，加工微孔直径无法更小以及无法解决崩边较大等问题，已无法满足更高要求的玻璃微孔的加工需求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种飞秒激光加工系统，以解决现有技术中对玻璃材料微孔加工中无法实现更小的微孔直径以及无法解决崩边较大等技术问题。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种飞秒激光加工系统，包括：

飞秒激光模块，用于出射第一飞秒激光光束，所述第一飞秒激光光束具有第一功率；

位于所述第一飞秒激光光束传播路径上的扩束模块，所述扩束模块用于对所述第一飞秒激光光束进行光束扩束和准直，形成第二飞秒激光光束；

位于所述第二飞秒激光光束传播路径上的衰减模块，所述衰减模块包括衰减片，所述衰减片用于对所述第二飞秒激光光束进行功率衰减，以形成第三飞秒激光光束，所述第三飞秒激光光束具有第二功率；所述第二功率小于所述第一功率；

位于所述第三飞秒激光光束传播路径上的加工切割头，所述加工切割头用于聚焦所述第三飞秒激光光束并对待加工材料打孔，以在所述待加工材料上形成过孔。

可选的，所述衰减模块还包括1/2波片和1/4波片；所述1/2波片和所述1/4波片依次位于所述第二飞秒激光光束的传播路径上；

所述1/2波片和1/4波片用于调整所述第二飞秒激光光束的偏振方向形成所述第三飞秒激光光束。

可选的，所述第三飞秒激光光束为圆偏振光。

可选的，所述飞秒激光加工系统还包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；

所述第一反射镜位于所述第一飞秒激光光束的传播路径上，用于反射所述第一飞秒激光光束至所述扩束模块；

所述第二反射镜位于所述第二飞秒激光光束的传播路径上，用于反射所述第二飞秒激光光束进入所述衰减模块；

所述第三反射镜位于所述第三飞秒激光光束的传播路径上，用于反射所述第三飞秒激光光束进入所述加工切割头。

可选的，所述第一功率P1满足1W≤P1≤5W；

所述第二功率P2满足0＜P2≤P1/10。

可选的，所述飞秒激光加工系统还包括载物台，所述载物台用于承载所述待加工材料。

可选的，所述飞秒激光加工系统还包括冷却模块；

所述冷却模块位于所述载物台远离所述待加工材料的一侧，用于对所述待加工材料进行降温。

可选的，所述飞秒激光加工系统还包括碎屑吸附装置；

所述碎屑吸附装置位于所述载物台远离所述待加工材料的一侧，用于吸附所述待加工材料加工过程中产生的碎屑。

可选的，所述过孔的直径d满足d≤10μm。

可选的，所述待加工材料包括玻璃。

本实用新型实施例提供的一种飞秒激光加工系统，通过设置飞秒激光模块出射第一飞秒激光光束，第一飞秒激光光束具有第一功率；设置位于第一飞秒激光光束传播路径上的扩束模块对第一飞秒激光光束进行光束扩束和准直，形成第二飞秒激光光束；设置位于第二飞秒激光光束传播路径上的衰减模块，衰减模块包括衰减片，对第二飞秒激光光束进行功率衰减，以形成第三飞秒激光光束，第三飞秒激光光束具有第二功率，第二功率小于所述第一功率，进一步的，通过位于第三飞秒激光光束传播路径上的加工切割头聚焦第三飞秒激光光束并对待加工材料打孔，实现精细加工。通过设置衰减模块使激光光斑能量密度分布变得均匀，避免在玻璃微孔加工中因为光斑能量不稳定，能量密度分布不均匀而造成微孔加工崩边较大和孔径较大问题，解决了现有技术中对玻璃材料微孔加工中无法实现更小的微孔直径以及无法解决崩边较大等技术问题，扩展了玻璃微孔加工的应用，满足市场对玻璃微孔加工的要求。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例提供的一种飞秒激光加工系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的衰减模块的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种飞秒激光加工系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本实用新型实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本实用新型的技术方案。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本实用新型的保护范围之内。

实施例

本实用新型实施例提供一种飞秒激光加工系统，图1是本实用新型实施例一种飞秒激光加工系统的结构示意图。如图1所示，飞秒激光加工系统包括：飞秒激光模块1，用于出射第一飞秒激光光束A，第一飞秒激光光束A具有第一功率P₁；位于第一飞秒激光光束A传播路径上的扩束模块2，扩束模块2用于对第一飞秒激光光束A进行光束扩束和准直，形成第二飞秒激光光束B；位于第二飞秒激光光束B传播路径上的衰减模块3，衰减模块3包括衰减片(图中未示出)，衰减片用于对第二飞秒激光光束B进行功率衰减，以形成第三飞秒激光光束C，第三飞秒激光光束C具有第二功率P₂；第二功率P₂小于第一功率P₁；位于第三飞秒激光光束C传播路径上的加工切割头4，加工切割头4用于聚焦第三飞秒激光光束C并对待加工材料5打孔，以在待加工材料上5形成过孔。

示例性的，如图1所示，飞秒激光加工系统包括飞秒激光模块1，用于发射第一飞秒激光光束A，具有第一功率P₁，其中，飞秒激光模块包括超短脉宽的飞秒激光器，飞秒激光器具有脉宽窄，单脉冲能量高、重频高等优点，将其用于玻璃钻孔微加工，可提高玻璃加工的精度和效率。可选的，飞秒激光器的激光波长范围例如可以为190-550nm，发射的激光脉宽例如可以为500fs以下，激光输出功率最大例如可达5W。根据待加工材料的特点，可以选择市面上比较成熟的飞秒激光器产品用于材料加工，这里不做具体描述。

进一步，在第一飞秒激光光束A的传播路径上设置激光扩束模块2，激光扩束模块2包括激光扩束准直器，对第一飞秒激光光束A进行扩束进而改变光束的光斑大小，以及调整第一飞秒激光光束A的发散角，形成扩束平行输出的第二飞秒激光光束B，衰减模块3包括衰减片，具有衰减激光能量的作用，衰减片将第二飞秒激光光束B的能量衰减得到第三飞秒激光光束C，保证第三飞秒激光光束C的第二功率P2小于第一飞秒激光光束A的第一功率P₁。

进一步的，第三飞秒激光光束C经加工切割头4聚焦作用在待加工材料5上进行加工作业，可选的，待加工材料5包括玻璃，如在玻璃上加工孔径直径在微米级别的过孔，或者刻线等。由于飞秒激光模块1发射的第一飞秒激光光束A的光斑能量过高，并且能量呈高斯分布，具体表现为能量密度中心大，边缘小，当直接采用第一飞秒激光光束A对待加工材料上5进行过孔加工，孔的直径尺寸难以做到微米级别以及容易出现崩边较大等问题。通过对大功率的飞秒激光光束先扩束准直再衰减后，得到小功率的飞秒激光光束进行材料加工，一方面避免了飞秒激光光束在小功率输出时激光功率稳定性差的问题，另一方面，由于飞秒激光光束大功率输出时稳定性较好，采用较大的飞秒激光光束先扩束准直再衰减，衰减后的飞秒激光光束的光斑能量稳定，能量密度分布更均匀，再由加工切割头4聚焦后，光斑能量分布仍然均匀，在玻璃钻孔过程中，可以起到稳定控制钻孔质量，保持设定的加工孔径大小。

综上所述，本实用新型实施例提供的一种飞秒激光加工系统，通过设置飞秒激光模块出射第一飞秒激光光束，第一飞秒激光光束具有第一功率；设置位于第一飞秒激光光束传播路径上的扩束模块对第一飞秒激光光束进行光束扩束和准直，形成第二飞秒激光光束；设置位于第二飞秒激光光束传播路径上的衰减模块，衰减模块包括衰减片，对第二飞秒激光光束进行功率衰减，以形成第三飞秒激光光束，第三飞秒激光光束具有第二功率，第二功率小于所述第一功率，进一步的，通过位于第三飞秒激光光束传播路径上的加工切割头聚焦第三飞秒激光光束并对待加工材料打孔，实现精细加工。通过设置衰减模块使激光光斑能量密度分布变得均匀，避免在玻璃微孔加工中因为光斑能量不稳定，能量密度分布不均匀而造成微孔加工崩边较大和孔径较大问题，解决了现有技术中对玻璃材料微孔加工中无法实现更小的微孔直径以及无法解决崩边较大等技术问题，扩展了玻璃微孔加工的应用，满足市场对玻璃微孔加工的要求。

图2为本实用新型实施例提供的衰减模块的结构示意图。如图2所示，可选的，衰减模块3还包括1/2波片32和1/4波片34；1/2波片32和1/4波33片依次位于第二飞秒激光光束B的传播路径上；1/2波片32和1/4波片33用于调整第二飞秒激光光束B的偏振方向形成第三飞秒激光光束C。

示例性的，由于市面上的飞秒激光器发射的飞秒激光光束通常为线偏振光，当直接采用线偏振光对待加工材料进行钻孔，容易形成椭圆状的钻孔，影响加工质量。为了进一步保证玻璃钻孔加工的圆度，设置衰减模块3包括衰减片31，还包括1/2波片32和1/4波片33，1/2波片32和1/4波片33具有改变激光光束的相位从而改变偏振方向的作用，第二飞秒激光光束B经过衰减片31功率被衰减，再通过1/2波片32和1/4波片33的组合使第二飞秒激光光束B的偏振方向发生改变形成第三飞秒激光光束C，经保护片34出射，可选的，第三飞秒激光光束C为圆偏振光。第三飞秒激光光束C为圆偏振光，当被加工切割头聚焦后对待加工材料钻孔，根据实际对玻璃进行钻孔加工结果表明，加工得到的过孔基本为圆形，并且过孔的直径d满足d≤10μm，满足玻璃精细加工的高精度要求。

可选的，第一功率P1满足1W≤P1≤5W；第二功率P2满足0＜P2≤P1/10。示例性的，选用飞秒激光模块出射的第一飞秒激光光束的第一功率P1满足1W≤P1≤5W，经衰减模块衰减后，实际用于飞秒激光加工的第三飞秒激光光束的第二功率P2满足0＜P2≤P1/10，即衰减模块的衰减效率最低为90％最高小于100％。采用较大功率的飞秒激光光束先扩束准直再衰减后，得到小功率的飞秒激光光束进行加工材料，一方面避免了飞秒激光光束在小功率输出时激光功率稳定性差的问题，另一方面，由于飞秒激光光束大功率输出时稳定性较好，采用较大的飞秒激光光束先扩束准直再衰减，衰减后的飞秒激光光束的光斑能量稳定，能量密度分布更均匀，再由加工切割头聚焦后，光斑能量分布仍然均匀，在玻璃钻孔过程中，可以起到稳定控制钻孔质量，保持设定的加工孔径大小不崩边。

作为一种可行的实施方式，图3为本实用新型实施例提供的另一种飞秒激光加工系统的结构示意图。如图3所示，可选的，飞秒激光加工系统还包括第一反射镜L₁、第二反射镜L₂和第三反射镜L₃；第一反射镜L₁位于第一飞秒激光光束A的传播路径上，用于反射第一飞秒激光光束A至扩束模块2；第二反射镜L₂位于第二飞秒激光光束B的传播路径上，用于反射第二飞秒激光光束B进入衰减模块3；第三反射镜L₃位于第三飞秒激光光束C的传播路径上，用于反射第三飞秒激光光束C进入加工切割头4。

示例性的，在飞秒激光加工系统光路搭建的时候考虑到各个模块的体积及结构，采用多片反射镜调整飞秒激光光路，实现激光光路方向调整。具体的，如图3所示，设置第一反射镜L₁位于第一飞秒激光光束A的传播路径上，第一反射镜L₁反射面的法线与第一飞秒激光光束A光轴的夹角可以为45°，第一反射镜L₁将第一飞秒激光光束A反射至扩束模块2，第一飞秒激光光束A经扩束和准直后形成第二飞秒激光光束B；设置第二反射镜L₂位于第二飞秒激光光束B的传播路径上，第二反射镜L₂反射面的法线与第二飞秒激光光束B光轴的夹角可以为45°,第二反射镜L₂将第二飞秒激光光束B反射进入衰减模块3，第二飞秒激光光束B经功率衰减后形成第三飞秒激光光束C；相应的，设置第三反射镜L₃位于第三飞秒激光光束C的传播路径上，第三反射镜L₃反射面的法线与第三飞秒激光光束C光轴的夹角可以为45°，第三反射镜L₃将第三飞秒激光光束C反射进入加工切割头4，第三飞秒激光光束C经聚焦后作用在待加工材料5的表面，进行钻孔等加工作业。通过合理设置反射镜的数量，实现飞秒激光光路调整，降低光路调整难度，提高加工操作的可行性。

继续参照图1或图3，可选的，飞秒激光加工系统还包括载物台6，载物台用于承载待加工材料5。

示例性的，继续参照图1或图3，飞秒激光加工系统还包括载物台6，用于承载待加工材料5，载物台6与至少3轴联动机械传动装置连接，用于至少X轴方向、Y轴方向和Z轴方向移动，实现加工位置的精确移动。

可选的，飞秒激光加工系统还包括冷却模块(图中未示出)；冷却模块位于载物台远离所述待加工材料的一侧，用于对待加工材料进行降温。

具体的，飞秒激光加工系统还包括冷却模块，由于飞秒加工能量密度高，待加工材料在持续加工过程中易形成热量累积，过高的温度易引起材料的热变形，影响加工良率，设置冷却模块位于载物台远离所述待加工材料的一侧极待加工材料的下方，冷却模块包括水冷器或风冷器，通过冷却散热对待加工材料进行物理降温，提高飞秒激光加工的产品良率。

可选的，飞秒激光加工系统还包括碎屑吸附装置；碎屑吸附装置位于载物台远离待加工材料的一侧，用于吸附待加工材料加工过程中产生的碎屑。

示例性的，由于飞秒激光加工速度快，待加工材料在加工过程中产生会产生碎屑粉尘堆积从而影响加工的精度，飞秒激光加工系统还包括碎屑吸附装置，设置在载物台远离待加工材料的一侧即载物台的下方设置碎屑吸附装置，使碎屑粉尘被快速吸走，具体的，当对玻璃进行钻孔加工时，避免加工孔径内部粉尘堆积，从而提高玻璃加工的精度。

综上，本实用新型实施例提供的一种飞秒激光加工系统，通过设置飞秒激光模块出射第一飞秒激光光束，第一飞秒激光光束具有第一功率；设置位于第一飞秒激光光束传播路径上的扩束模块对第一飞秒激光光束进行光束扩束和准直，形成第二飞秒激光光束；设置位于第二飞秒激光光束传播路径上的衰减模块，对第二飞秒激光光束进行功率衰减以及偏振态调整，以形成功率较小的圆偏振光的第三飞秒激光光束，再经加工切割头聚焦后对待加工材料打孔，保证玻璃钻孔的孔径直径以及孔的圆度。通过设置衰减模块使激光光斑能量密度分布变得均匀，避免在玻璃微孔加工中因为光斑能量不稳定，能量密度分布不均匀而造成微孔加工崩边较大和孔径较大问题，解决了现有技术中对玻璃材料微孔加工中无法实现更小的微孔直径以及无法解决崩边较大等技术问题，扩展了玻璃微孔加工的应用，满足市场对玻璃微孔加工的要求。

作为一个可行的实施方案，列举一个具体的实施例，基于上述实施例提供的飞秒激光加工系统在0.1mm厚度的玻璃上加工直径10um的过孔。继续参考图3所示：

选用飞秒激光器的，其中发射的第一飞秒激光光束的波长为345nm，脉冲脉宽为350fs，重复频率为175KHz,飞秒激光光束直径为1.5mm，单脉冲能量50uJ，第一功率为5W,经衰减模块3衰减后，第二功率为0.5W，同时采用加工速度2000mm/s，加工次数10次，可完成在0.1mm厚度玻璃上加工直径10um的过孔且不崩边。

综上，采用本实用新型实施例提供的飞秒激光加工系统，可以对玻璃材料进行微米级别精细加工且不崩边，扩展了玻璃微孔加工的应用，满足市场对玻璃微孔加工的要求。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，本实用新型的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种飞秒激光加工系统，其特征在于，包括：

飞秒激光模块，用于出射第一飞秒激光光束，所述第一飞秒激光光束具有第一功率；

位于所述第一飞秒激光光束传播路径上的扩束模块，所述扩束模块用于对所述第一飞秒激光光束进行光束扩束和准直，形成第二飞秒激光光束；

位于所述第二飞秒激光光束传播路径上的衰减模块，所述衰减模块包括衰减片，所述衰减片用于对所述第二飞秒激光光束进行功率衰减，以形成第三飞秒激光光束，所述第三飞秒激光光束具有第二功率；所述第二功率小于所述第一功率；

位于所述第三飞秒激光光束传播路径上的加工切割头，所述加工切割头用于聚焦所述第三飞秒激光光束并对待加工材料打孔，以在所述待加工材料上形成过孔。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光加工系统，其特征在于，所述衰减模块还包括1/2波片和1/4波片；所述1/2波片和所述1/4波片依次位于所述第二飞秒激光光束的传播路径上；

所述1/2波片和1/4波片用于调整所述第二飞秒激光光束的偏振方向形成所述第三飞秒激光光束。

3.根据权利要求2所述的飞秒激光加工系统，其特征在于，所述第三飞秒激光光束为圆偏振光。

4.根据权利要求1所述的飞秒激光加工系统，其特征在于，所述飞秒激光加工系统还包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；

所述第一反射镜位于所述第一飞秒激光光束的传播路径上，用于反射所述第一飞秒激光光束至所述扩束模块；

所述第二反射镜位于所述第二飞秒激光光束的传播路径上，用于反射所述第二飞秒激光光束进入所述衰减模块；

所述第三反射镜位于所述第三飞秒激光光束的传播路径上，用于反射所述第三飞秒激光光束进入所述加工切割头。

5.根据权利要求1所述的飞秒激光加工系统，其特征在于，所述第一功率P1满足1W≤P1≤5W；

所述第二功率P2满足0＜P2≤P1/10。

6.根据权利要求1所述的飞秒激光加工系统，其特征在于，所述飞秒激光加工系统还包括载物台，所述载物台用于承载所述待加工材料。

7.根据权利要求6所述的飞秒激光加工系统，其特征在于，所述飞秒激光加工系统还包括冷却模块；

所述冷却模块位于所述载物台远离所述待加工材料的一侧，用于对所述待加工材料进行降温。

8.根据权利要求6所述的飞秒激光加工系统，其特征在于，所述飞秒激光加工系统还包括碎屑吸附装置；

所述碎屑吸附装置位于所述载物台远离所述待加工材料的一侧，用于吸附所述待加工材料加工过程中产生的碎屑。

9.根据权利要求1所述的飞秒激光加工系统，其特征在于，所述过孔的直径d满足d≤10μm。

10.根据权利要求1所述的飞秒激光加工系统，其特征在于，所述待加工材料包括玻璃。

Images