CN220805907U - 一种超快飞秒微纳加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光加工技术领域，具体涉及一种超快飞秒微纳加工设备。包括加工平台，其放置待加工材料；第一激光组件，其包括第一激光发射器，第一激光发射器输出的第一激光束输入第一光学元件；第二激光组件，其包括第二激光发射器，第二激光发射器输出的第二激光束输入第二光学元件；快门，其切换第一激光束与第二激光束，第一激光束与第二激光束交替聚焦至加工平台，第一激光束的激光脉宽与第二激光束的激光脉宽不同；运动控制系统，其与加工平台和快门连接且控制加工平台与快门联动，该超快飞秒微纳加工设备能够准确和迅速地切换不同激光束，具有加工精度高和有效提高激光能量利用率的优点。

Description

一种超快飞秒微纳加工设备

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术领域，具体涉及一种超快飞秒微纳加工设备。

背景技术

以半导体晶片、石墨模具、石英半球谐振子、蓝宝石显示基板等为代表的典型硬脆材料以及电子复合材料零部件是我国3C、半导体、5G通讯、新能源、航空航天等诸多领域发展的支柱。这类典型硬脆材料切削加工时易变形、易断裂、易损伤，导致加工时零部件易崩碎断裂、亚表面损伤严重、表面一致性差、尺寸和形状位置精度难以保证，刀具磨损快寿命短，在大规模生产中尤为突出，是高效精密加工的热点和难题之一。

超快激光具有超强、超快、超精密特性，是制造技术领域的前沿方向和重要生长点之一。以超快激光为主要工具的激光微纳加工技术更精密、更准确和更迅速。但目前激光加工技术仍存在一些缺陷：在加工材料时，聚焦材料内部的激光能量分布不均匀导致加工精度不足、高频脉冲的激光在加工过程中存在热累积现象，低频脉冲的激光的加工的精度以及加工效率无法达到加工的要求，难以实现无损高效加工、对激光的能量利用率不高等。

因此，面向我国硬脆材料及电子复合材料零部件高性能制造需求，需要搭建一个能够实现多激光多光束整形集成的加工平台，使得加工过程更精密、更准确和更迅速。该平台可集成单紫外飞秒激光、单绿光皮秒激光、单紫外纳秒激光的加工能力以及任意两种激光同轴异步加工能力，实现无损加工并提高加工效率；同时还需集成多套光路系统，可分别针对不同激光束实现贝塞尔光束整形和平顶光束整形，从而提高激光分布的均匀性以及提高激光能量的利用率。最终可实现对金刚石、蓝宝石、玻璃、单晶硅碳化硅等典型硬脆材料以及电子复合材料的精密微细切割、划线、切槽、刻蚀、钻孔、隐切等多种加工工艺。

发明内容

本实用新型的目的之一在于避免现有技术中的不足之处而提供一种超快飞秒微纳加工设备，该超快飞秒微纳加工设备能够准确、快速地切换不同激光束，具有加工精度高、激光能量利用率高的优点。

本实用新型的目的之二在于提供一种飞秒微纳加工方法。

为实现上述目的之一，本实用新型提供以下技术方案：

提供一种超快飞秒微纳加工设备，包括

加工平台，其放置待加工材料；

第一激光组件，其包括第一激光发射器，所述第一激光发射器输出的第一激光束输入第一光学元件；

第二激光组件，其包括第二激光发射器，所述第二激光发射器输出的第二激光束输入第二光学元件；

快门，其切换所述第一激光束与所述第二激光束，所述第一激光束与所述第二激光束交替聚焦至所述加工平台，所述第一激光束的激光脉宽与所述第二激光束的激光脉宽不同；

运动控制系统，其与所述加工平台和所述快门连接且控制所述加工平台与所述快门联动。

在一些实施方式中，所述第一光学元件包括沿所述第一激光束输出方向依次设置的第一扩束镜、第一反射镜、DOE元件和振镜；

所述第二光学元件包括沿所述第二激光束输出方向依次设置的第二扩束镜、第二反射镜；经由所述第二反射镜传播的第二激光束依次经所述DOE元件、所述振镜。

在一些实施方式中，所述第一光学元件包括沿所述第一激光束输出方向依次设置的第一扩束镜、第一轴棱镜、第一平凸透镜和第一物镜；

所述第二光学元件包括沿所述第二激光束输出方向依次设置的第二扩束镜、第二轴棱镜、第二平凸透镜和第二物镜；

所述加工平台交替移至所述第一激光束的输出端和所述第二激光束的输出端。

在一些实施方式中，所述加工平台为气浮加工平台。

在一些实施方式中，所述气浮加工平台的X/Y轴的行程不低于150mm；X/Y轴定位精度不低于±0.4um；X/Y轴重复定位精度不低于0.1um；直线度不低于±0.5um；平面度不低于±0.5um；Z轴定位精度±1um；重复定位精度±0.1um；直线度/平面度±1um；Z轴行程不低于50mm。

在一些实施方式中，所述快门设于扩束镜的输出端。

在一些实施方式中，所述运动控制系统包括CCD视觉定位系统和控制器，所述CCD视觉系统监测所述加工平台，所述快门经由所述CCD视觉定位系统与所述控制器连接，所述加工平台经由所述CCD视觉定位系统与所述控制器连接。

在一些实施方式中，所述第一激光发射器和所述第二激光发射器为秒激光发射器、皮秒激光发射器和飞秒激光发射器中的一种。

本实用新型一种超快飞秒微纳加工设备的有益效果：

(1)本实用新型的超快飞秒微纳加工设备，其第一激光组件和第二激光组件在快门的控制下实现切换不同的激光束，继而能够实现多激光多光束整形集成，使得加工过程更精准。

(2)本实用新型的超快飞秒微纳加工设备，其快门和加工平台通过运动控制系统联动连接，在切换激光束时，快门和加工平台联动协同运行，能迅速调整激光切换，提高加工效率，即，运动控制系统控制的加工平台与快门进行相互作用，不仅能够达到降低热影响的目的，而且也缩短了两激光交替所需时间，减少对加工效率的影响，提高工件最终加工效果。

(3)本实用新型的超快飞秒微纳加工设备，其激光束切换功能可以分别针对不同激光束实现不同组合，提高激光分布的均匀性以及提高激光能量的利用率，克服传统高频脉冲的激光在加工过程中存在热累积问题和低频脉冲的激光的加工的精度以及加工效率无法达到加工的要求问题，实现无损高效加工和提高激光的能量利用率。

附图说明

图1是本申请实施例1的超快飞秒微纳加工设备输出的平顶加工光路的示意图。

图2是本申请实施例2的一种超快飞秒微纳加工设备输出的贝塞尔加工光路的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的优选实施方式。虽然附图中显示了本实用新型的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本实用新型更加透彻和完整，并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本实用新型使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“该”旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本实用新型可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本实用新型范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。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。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

本实施例公开的超快飞秒微纳加工设备，包括加工平台，其放置待加工材料；第一激光组件，其包括第一激光发射器，所述第一激光发射器输出的第一激光束输入第一光学元件，即，第一激光发射器发射的第一激光束通过第一光学元件传输至代加工材料上。

第二激光组件，其包括第二激光发射器，所述第二激光发射器输出的第二激光束输入第二光学元件，即，第二激光发射器发射的第二激光束通过第二光学元件传输至代加工材料上。

快门，其切换所述第一激光束与所述第二激光束，所述第一激光束与所述第二激光束交替聚焦至所述加工平台，所述第一激光束的激光脉宽与所述第二激光束的激光脉宽不同，若用手动完成两种激光的交替则牺牲了加工效率，并且间断的加工过程会对加工质量造成一定的影响，快门则是控制第一激光束和第二激光束的输出或关闭；

运动控制系统，其与所述加工平台和所述快门连接且控制所述加工平台与所述快门联动，运动控制系统同时控制加工平台和快门，因此加工平台能根据快门运行情况进行调整，使得加工平台能与快门协同切换，提高切换效率。

本实用新型的超快飞秒微纳加工设备，其第一激光组件和第二激光组件在快门的控制下实现切换不同的激光束，继而能够实现多激光多光束整形集成，使得加工过程更精准。

本实用新型的超快飞秒微纳加工设备的作用和好处：其快门和加工平台通过运动控制系统联动连接，在切换激光束时，快门和加工平台联动协同运行，能迅速调整激光切换，提高加工效率。其激光束切换功能可以分别针对不同激光束实现不同组合，提高激光分布的均匀性以及提高激光能量的利用率，克服传统高频脉冲的激光在加工过程中存在热累积问题和低频脉冲的激光的加工的精度以及加工效率无法达到加工的要求问题，实现无损高效加工和提高激光的能量利用率，实现透明材料和复合材料的高效加工。

面向硬脆材料及电子复合材料零部件高性能制造需求，本实用新型的加工设备使得加工过程更精密、更准确和更迅速。该平台可集成单紫外飞秒激光、单绿光皮秒激光、单紫外纳秒激光的加工能力以及任意两种激光同轴异步加工能力，实现无损加工并提高加工效率；同时还需集成多套光路系统，可分别针对不同激光束实现贝塞尔光束整形和平顶光束整形，从而提高激光分布的均匀性以及提高激光能量的利用率。最终可实现对金刚石、蓝宝石、玻璃、单晶硅碳化硅等典型硬脆材料以及电子复合材料的精密微细切割、划线、切槽、刻蚀、钻孔、隐切等多种加工工艺。

本实施例中，如图1所示，利用超快飞秒微纳加工设备输出平顶加工光路，其光学元件如下：所述第一光学元件包括沿所述第一激光束输出方向依次设置的第一扩束镜、第一反射镜、DOE元件和振镜；所述第二光学元件包括沿所述第二激光束输出方向依次设置的第二扩束镜、第二反射镜；经由所述第二反射镜传播的第二激光束依次经所述DOE元件(衍射光学元件)、所述振镜，其中DOE元件将由反射镜反射后的高斯分布激光束进行整形得到平顶分布的激光束，振镜可将经DOE元件转变形成的平顶光束进行偏转，使激光聚焦点移动到工件加工位置。

反射镜改变第一激光发射器和第二激光发射器发出并通过快门的激光束的传播方向，使得高斯分布激光束到达DOE元件并转变为平顶分布激光束，再通过振镜将平顶光束进行偏转，使激光聚焦点移动到工件加工位置进行加工。

即，第一激光发射器、第二激光发射器产生高斯分布的激光束(纳秒、皮秒或飞秒)，其中第一激光发射器应与第二激光发射器所发出的激光束不同。激光器发出的激光通过扩束镜实现聚焦。运动控制系统控制加工平台与快门进行相互作用，实现不同脉宽的激光脉冲对同一位置进行交替加工。若第一激光发射器发射的激光通过快门，则到达反射镜改变激光的出射方向；若第二激光器发射的激光通过快门，则到达反射镜改变激光的出射方向。经发射的高斯分布激光束再经过DOE元件转变为平顶分布激光束，再通过振镜将平顶光束进行偏转，使激光聚焦点移动到工件加工位置进行加工。

本实施例中，所述加工平台为气浮加工平台。气浮加工平台能快速实现平移，且技术成熟。

本实施例中，所述气浮加工平台的X/Y轴的行程不低于150mm；X/Y轴定位精度不低于±0.4um；X/Y轴重复定位精度不低于0.1um；直线度不低于±0.5um；平面度不低于±0.5um；Z轴定位精度±1um；重复定位精度±0.1um；直线度/平面度±1um；Z轴行程不低于50mm。

上述气浮加工平台能在XYZ轴上运动，能最大限度且最大精确度地满足加工需要。

本实施例中，所述快门设于扩束镜的输出端。

本实施例中，所述运动控制系统包括CCD视觉定位系统和控制器，所述CCD视觉系统监测所述加工平台，所述快门经由所述CCD视觉定位系统与所述控制器连接，所述加工平台经由所述CCD视觉定位系统与所述控制器连接。

CCD视觉定位系统根据加工平台上的加工情况继而通过控制器控制快门和加工平台。

本实施例中，所述第一激光发射器和所述第二激光发射器为秒激光发射器、皮秒激光发射器和飞秒激光发射器中的一种。例如，使得加工设备具备单紫外飞秒、单绿光皮秒、单紫外纳秒加工，或者任意两种激光同轴异步加工能力。

实施例2

便于理解，以下提供了超快飞秒微纳加工设备的一个实施例进行说明，在实际应用中，图2示出了贝塞尔加工光路：所述第一光学元件包括沿所述第一激光束输出方向依次设置的第一扩束镜、第一轴棱镜、第一平凸透镜和第一物镜；所述第二光学元件包括沿所述第二激光束输出方向依次设置的第二扩束镜、第二轴棱镜、第二平凸透镜和第二物镜；所述加工平台交替移至所述第一激光束的输出端和所述第二激光束的输出端。轴棱镜将第一激光发射器和第三激光发射器发出并通过快门的高斯分布激光束转变为贝塞尔分布的激光束，激光束再通过平凸透镜和物镜，通过先扩束，再聚焦的方法获得一个能量更加集中，聚焦光斑更小的贝塞尔光用于实际加工。

即，第一激光发射器、第二激光发射器产生高斯分布的激光束(纳秒、皮秒、或飞秒)，其中第一激光发射器应与第二激光发射器所发出的激光束不同。激光器发出的激光通过扩束镜实现聚焦。运动控制系统与快门进行相互作用，实现不同脉宽的激光脉冲对同一位置进行交替加工。轴棱镜将第一激光发射器和第三激光发射器发出并通过快门的高斯分布激光束转变为贝塞尔分布的激光束，激光束再通过平凸透镜和物镜，通过先扩束，再聚焦的方法获得一个能量更加集中，聚焦光斑更小的贝塞尔光用于实际加工。

实施例3

本实施例公开的飞秒微纳加工方法，采用实施例1或实施例2所述的超快飞秒微纳加工设备，包括以下步骤：

将待加工材料置于加工平台，开启第一激光发射器和第二激光发射器，所述运动控制系统控制所述快门与所述加工平台联动，使所述快门切换所述第一激光束与所述第二激光束，同时调整所述加工平台的运动方向，使所述第一激光束与所述第二激光束对所述待加工材料的同一位置进行交替加工。所述待加工材料为金刚石、蓝宝石、玻璃或单晶硅碳化硅，实际应用中，还可以是其他加工材料，此处不作唯一限制。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超快飞秒微纳加工设备，其特征是：包括

加工平台，其放置待加工材料；

第一激光组件，其包括第一激光发射器，所述第一激光发射器输出的第一激光束输入第一光学元件；

第二激光组件，其包括第二激光发射器，所述第二激光发射器输出的第二激光束输入第二光学元件；

快门，其切换所述第一激光束与所述第二激光束，所述第一激光束与所述第二激光束交替聚焦至所述加工平台，所述第一激光束的激光脉宽与所述第二激光束的激光脉宽不同；

运动控制系统，其与所述加工平台和所述快门连接且控制所述加工平台与所述快门联动。

2.根据权利要求1所述的超快飞秒微纳加工设备，其特征是：

所述第一光学元件包括沿所述第一激光束输出方向依次设置的第一扩束镜、第一反射镜、DOE元件和振镜；

所述第二光学元件包括沿所述第二激光束输出方向依次设置的第二扩束镜、第二反射镜；经由所述第二反射镜传播的第二激光束依次经所述DOE元件、所述振镜。

3.根据权利要求1所述的超快飞秒微纳加工设备，其特征是：所述第一光学元件包括沿所述第一激光束输出方向依次设置的第一扩束镜、第一轴棱镜、第一平凸透镜和第一物镜；

所述第二光学元件包括沿所述第二激光束输出方向依次设置的第二扩束镜、第二轴棱镜、第二平凸透镜和第二物镜；

所述加工平台交替移至所述第一激光束的输出端和所述第二激光束的输出端。

4.根据权利要求1所述的超快飞秒微纳加工设备，其特征是：所述加工平台为气浮加工平台。

5.根据权利要求4所述的超快飞秒微纳加工设备，其特征是：所述气浮加工平台的X/Y轴的行程不低于150mm；X/Y轴定位精度不低于±0.4um；X/Y轴重复定位精度不低于0.1um；直线度不低于±0.5um；平面度不低于±0.5um；Z轴定位精度±1um；重复定位精度±0.1um；直线度/平面度±1um；Z轴行程不低于50mm。

6.根据权利要求2或3所述的超快飞秒微纳加工设备，其特征是：所述快门设于扩束镜的输出端。

7.根据权利要求1所述的超快飞秒微纳加工设备，其特征是：所述运动控制系统包括CCD视觉定位系统和控制器，所述CCD视觉定位系统监测所述加工平台，所述快门经由所述CCD视觉定位系统与所述控制器连接，所述加工平台经由所述CCD视觉定位系统与所述控制器连接。

8.根据权利要求1所述的超快飞秒微纳加工设备，其特征是：所述第一激光发射器和所述第二激光发射器为秒激光发射器、皮秒激光发射器和飞秒激光发射器中的一种。