CN221494700U - 一种激光加工监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光加工监控装置，该装置包括激光器，用于发射激光束；第一光路组件，包括扩束系统、衍射整形器件、激光加工扫描系统、聚焦镜和图像采集系统；扩束系统、衍射整形器件和激光加工扫描系统依次设置在激光器发射的激光束的光路上；聚焦镜和图像采集系统依次设置在衍射整形器件的反射光路上；其中，衍射整形器件用于对激光束进行整形和光强均匀化得到匀化光斑，匀化光斑从衍射整形器件发射至激光加工扫描系统；衍射整形器件具有反射光，图像采集系统用于检测聚焦后的衍射整形器件的反射光的偏移量和光斑尺寸。采用本装置能够达到监控激光束的稳定性的目的。

Description

一种激光加工监控装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术领域，更具体地，涉及一种激光加工监控装置。

背景技术

激光加工设备中，对产能影响最大的是激光束的稳定性。如何监控激光束的稳定性十分重要，对于提高产能的也是一个关键问题。实际量产过程中，对于匀化光斑的应用场景，影响激光束的稳定性的主要因素包括匀化光斑能量发生偏移和聚焦光斑尺寸发生变化。

对于匀化光斑能量发生偏移的情况，匀化光斑能量发生偏移的根本原因是DOE(衍射光学元件)中心和激光光轴中心失配。其中DOE中心和激光光轴中心失配的原因包括激光器本身指向性发生变化、镜架温漂造成的光轴中心失配、设备振动等造成的光轴中心失配等等。此外，激光加工设备所处的环境一般都是恒温无尘车间，高产能需要更快的运行速度，这样必然会带来设备机械稳定性变差。因此在长期量产期间，不可避免会出现聚焦匀化光斑能量的偏移，为避免光学镜片被污染，光路必须密封，又由于能量的偏移经常需要工作人员开腔手动调试，开腔调试会带入污染，从而对光学镜片造成累计损伤。

针对匀化光斑能量发生偏移的情况，传统技术中采用衍射激光采样系统，主要是DOE的±1级，监测激光功率。但是由于衍射激光采样系统需要利用±1级衍射级次，不贴合实际应用，或者可能存在降低光束透过率的问题。

对于聚焦光斑尺寸发生变化的情况，聚焦光斑尺寸发生变化的根本原因是发散角发生变化。传统技术中通过加工结果确认聚焦光斑尺寸是否发生变化，如有尺寸变化，需开腔进行检查与调试，这会导致产能降低。

实用新型内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种激光加工监控装置，通过对衍射整形器件的反射光进行聚焦后再检测反射光的偏移量和光斑尺寸，从而能够达到监控激光束的稳定性的目的。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种激光加工监控装置，该装置包括激光器，激光器，用于发射激光束；第一光路组件，包括扩束系统、衍射整形器件、激光加工扫描系统、聚焦镜和图像采集系统；其中，所述扩束系统、所述衍射整形器件和所述激光加工扫描系统依次设置在所述激光器发射的激光束的光路上，所述聚焦镜和所述图像采集系统依次设置在所述衍射整形器件的反射光路上，所述图像采集系统用于检测聚焦后的所述衍射整形器件的反射光的偏移量和光斑尺寸。

进一步地，第一光路组件还包括电动位移平台，衍射整形器件安装在电动位移平台上，电动位移平台用于在垂直于激光束光路的光轴的平面进行上下左右位移，以调整衍射整形器件的中心点与激光束光路的光轴中心点重合。

进一步地，所述第一光路组件还包括第一反射镜、第二反射镜和第一探测器，第一反射镜和第二反射镜设置在激光器和扩束系统之间，第一探测器设置于第一反射镜的透射光路上，用于检测第一反射镜的透射光的偏移量和光斑尺寸。

进一步地，上述激光加工监控装置还包括分束系统和第二光路组件；所述分束系统设置在所述激光器发射的激光束的光路上，形成第一分光光路与第二分光光路，所述第一光路组件位于所述第一分光光路上，所述第二光路组件位于所述第二分光光路上；

第二光路组件包括扩束系统、衍射整形器件、激光加工扫描系统、聚焦镜和图像采集系统。

进一步地，上述激光加工监控装置还包括第三反射镜和第二探测器；第三反射镜设置于分束系统和第二光路组件中的扩束系统之间；第二探测器设置于第三反射镜的透射光路上，用于检测第三反射镜的透射光的偏移量和光斑尺寸。

进一步地，第一光路组件中的图像采集系统和第二光路组件中的图像采集系统采用同一图像采集系统，上述激光加工监控装置还包括两个控制器，其中一个控制器设置于分束系统和第一光路组件中的扩束系统之间，用于控制第一分光光路的输出条件；另一个控制器设置于分束系统和第二光路组件中的扩束系统之间，用于控制第二分光光路的输出条件，输出条件包括激光功率和激光加工时长。

进一步地，所述控制器包括声光调制器或电光调制器。

进一步地，所述分束系统包括半波片、分光平片或偏振分束器中的任意一种。

进一步地，所述图像采集系统为CCD相机。

进一步地，所述衍射整形器件的材质为玻璃，具有反射光，所述衍射整形器件为匀化衍射光学元件或衍射采样器。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本实用新型提供的激光加工监控装置，通过图像采集系统实时监测聚焦后的衍射整形器件的反射光的偏移量和光斑尺寸，能够达到监控激光束的稳定性的目的，并且，可明显减少激光加工监控装置的密封腔打开调试的频率、可实时监测匀化光斑的匀化效果，避免异常匀化光斑进入后道工序，显著降低了返工成本，且贴合实际应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一个实施例提供的激光加工监控装置的结构示意图；

图2为本实用新型另一个实施例提供的激光加工监控装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的激光加工监控装置中图像采集系统采集到的光斑能量分布的示意图；

图4为本实用新型另一个实施例提供的激光加工监控装置的结构示意图；

图5为本实用新型又一个实施例提供的激光加工监控装置的结构示意图；

附图标记为：

1——激光器，2——第一反射镜，3——第二反射镜，4——扩束系统，5——图像采集系统，6——聚焦镜，7——衍射整形器件，8——电动位移平台，9——激光加工扫描系统，10——分束系统，11——控制器，12——第一探测器，13——第二探测器，14——第三反射镜。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

应当理解的是，在本实用新型的描述中使用的“第一”、“第二”以及类似的术语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式的“一个”、“一”或者“该”等类似术语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

图1是激光加工监控装置的结构示意图。该激光加工监控装置包括激光器1和第一光路组件。第一光路组件包括扩束系统4、衍射整形器件7、激光加工扫描系统9、聚焦镜6和图像采集系统5，其中，扩束系统4、衍射整形器件7和激光加工扫描系统9依次设置在激光器1发射的激光束的光路上，聚焦镜6和图像采集系统5依次设置在衍射整形器件7的反射光路上。

激光器1，包括但不限于纳秒或皮秒激光器，用于发射激光束。激光束经过扩束系统4和激光加工扫描系统9之后，从激光加工扫描系统9射出，用于加工硅片等产品。

扩束系统4可以是扩束镜。

衍射整形器件7包括但不限于匀化DOE(衍射光学元件)或衍射采样器。匀化DOE和衍射采样器都是衍射光学器件，激光束经过衍射采样器后，能量有不同级次；激光束经过匀化DOE后，能量只有一个级次，其他级次被抑制没有能量。其中，匀化DOE(衍射光学元件)或衍射采样器为现有技术中的光学元器件，本领域技术人员可以根据实际需求选择对应的光学元器件，本申请实施例对此不作限定。

衍射整形器件7本身具有反射光，用于对激光束进行整形和光强均匀化，得到匀化光斑，匀化光斑从衍射整形器件7发射至激光加工扫描系统9。衍射整形器件7的反射光形成原因是其制作材质一般为玻璃，激光束入射到表面后，会有一定的反射率，强度大约0.5％。

激光加工扫描系统9包括振镜与场镜，用于控制激光束的扫描方向。

图像采集系统5包括但不限于CCD相机，用于检测聚焦后的衍射整形器件7的反射光的中心点相对于激光束光路的光轴的偏移量和光斑尺寸。

本实施例提供的激光加工监控装置，通过聚焦镜6对衍射整形器件7的反射光进行聚焦，再通过图像采集系统5对聚焦后的衍射整形器件7的反射光的偏移量进行实时监测，可以实时监测匀化光斑的匀化效果，判断匀化光斑能量是否发生偏移。

在一个实施例中，如图2所示，激光加工监控装置还包括用于调节光路方向的第一反射镜2、第二反射镜3，进一步地还可以包括第一探测器12。第一反射镜2和第二反射镜3设置在激光器1和扩束系统4之间。第一探测器12包括但不限于CCD相机或光电探测器，设置于第一反射镜2的透射光路上，用于检测第一反射镜2的透射光的偏移量和光斑尺寸。

通过第一探测器12实时监测第一反射镜2的透射光，在匀化光斑能量发生偏移的情况下，若第一反射镜2的透射光路的光轴发生偏移(即第一探测器12检测到的第一反射镜2的透射光的偏移量超过设定值，设定值为允许偏移量)，则确定激光器1对匀化光斑能量发生偏移有一定影响，并且通过比较第一探测器12检测到的第一反射镜2的透射光的偏移量和图像采集系统5检测到的聚焦后的衍射整形器件7的反射光的偏移量，可以确定第一反射镜2至衍射整形器件7这一段是否发生偏移。本实施例提供的激光加工监控装置，通过第一探测器12实时监测第一反射镜2的透射光，在确定匀化光斑能量发生偏移的情况下，还可以进一步地分析匀化光斑能量发生偏移的原因，是激光器出现故障还是第一反射镜2至衍射整形器件7这一段出现故障，从而能够针对性地调整，以提高产能。

在一个实施例中，如图1和图2所示，第一光路组件还包括电动位移平台8。衍射整形器件7安装在电动位移平台8上，电动位移平台8用于在垂直于激光束光路的光轴的平面进行上下左右位移，以调整衍射整形器件7的中心点与激光束光路的光轴中心点重合。如果通过图像采集系统5观察到匀化光斑能量发生偏移，并且匀化光斑偏离原始位置的范围在电动位移平台8的可调节范围内，则通过直接调节电动位移平台8，匹配衍射整形器件7的中心点与激光束光路的光轴中心点，以调整匀化效果。

进一步地，电动位移平台8位置调节的大小，可通过图像采集系统5上显示的图形能量偏移量大小进行计算得出。参考图3，图中左边所示的图像为匀化光斑能量分布均匀时的图像，右边所示的图像为匀化光斑能量分布不均匀(能量向右偏移)时的图像。比如光斑能量(反应在图像采集系统5为光斑位置)左右方向偏移10um，可以通过电动位移平台8对应地左右移动10um。在通过图像采集系统5观察到匀化光斑能量发生偏移、并且匀化光斑偏离原始位置的范围差异大的情况下，电动位移平台8需要调整的位置偏离原始位置过多，此时才需要开腔调试。

本实施例提供的激光加工监控装置，根据图像采集系统5的监测结果，通过移动电动位移平台8调整衍射整形器件7的位置，从而达到调整匀化光斑的匀化效果的目的，并且，可以明显减少开腔调试的频率。

在一个实施例中，激光加工监控装置还包括分束系统10和第二光路组件；分束系统10设置在激光器1发射的激光束的光路上，形成第一分光光路与第二分光光路，第一光路组件位于第一分光光路上，第二光路组件位于第二分光光路上；作为其中一种实施例，第二光路组件与第一光路组件完全相同，包括扩束系统4、衍射整形器件7、激光加工扫描系统9、聚焦镜6和图像采集系统5。即第二光路组件可以发挥与第一光路组件相同的功能，通过聚焦镜6对衍射整形器件7的反射光进行聚焦，再通过图像采集系统5对聚焦后的衍射整形器件7的反射光的偏移量进行实时监测，可以实时监测匀化光斑的匀化效果，判断匀化光斑能量是否发生偏移。通过分束系统10形成两条分光光路，可以提升产能。

更进一步地，第二光路组件也可以包括电动位移平台8，第二光路组件的衍射整形器件7安装在第二光路组件的电动位移平台8上，电动位移平台8用于在垂直于第二分光光路的光轴的平面进行上下左右位移，以调整所述衍射整形器件的中心点与第二分光光路的光轴中心点重合。

在一个实施例中，分束系统10的分光部分包括但不限于半波片、分光平片或偏振分束器(PBS，全称为Polarization Beam Splitter)。

在一个实施例中，激光加工监控装置还包括第三反射镜14和第二探测器13；第三反射镜14设置于分束系统10和第二光路组件中的扩束系统4之间；第二探测器13包括但不限于CCD相机或光电探测器，设置于第三反射镜14的透射光路上，用于检测第三反射镜14的透射光的偏移量和光斑尺寸。通过第二探测器13实时监测分束系统10的反射光，在第二分光光路的匀化光斑能量发生偏移的情况下，若第一反射镜2的透射光路的光轴未发生偏移、并且第三反射镜14的透射光路的光轴发生偏移，则确定分束系统10对匀化光斑能量发生偏移有一定影响。通过第二探测器13实时监测第三反射镜14的透射光，在确定第二分光光路的匀化光斑能量发生偏移的情况下，还可以进一步地分析匀化光斑能量发生偏移的原因，是激光器1出现故障还是分束系统10出现故障，从而能够针对性地调整，以提高产能。

在一个实施例中，如图5所示，在激光加工监控装置包括分束系统10和两组光路组件、并且第一光路组件中的图像采集系统和第二光路组件中的图像采集系统采用同一图像采集系统的情况下，激光加工监控装置还包括两个控制器11，控制器11包括但不限于声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)，用于独立地控制分光后各光路的输出条件，保证光路调试互不影响，并可实现不同工艺生产需求。当需要监测哪路分光光路时，另一路分光光路的控制器11控制该路关光即可。

具体地，其中一个控制器11设置于分束系统10和第一分光光路上的扩束系统4(或者称作第一光路组件中的扩束系统4)之间，用于控制第一分光光路的输出条件；另一个控制器11设置于分束系统10和第二分光光路上的扩束系统4(或者称作第二光路组件中的扩束系统4)之间，用于控制第二分光光路的输出条件。光路的输出条件包括激光功率和激光加工时长等。

本实施例中提供的激光加工监控装置，采用分光光路，可提高产能。通过在两路分光光路上设置控制器11，可实现各分光光路独立控制输出，控制输出的激光功率大小、加工时长等，可实现多振镜加工相同或不同图形。并且，两路分光光路可以共用一个图像采集系统5，还可以达到节约成本的目的。

以上所述，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的实施方案。本实用新型旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光加工监控装置，其特征在于，包括：

激光器，用于发射激光束；

第一光路组件，包括扩束系统、衍射整形器件、激光加工扫描系统、聚焦镜和图像采集系统；其中，所述扩束系统、所述衍射整形器件和所述激光加工扫描系统依次设置在所述激光器发射的激光束的光路上，所述聚焦镜和所述图像采集系统依次设置在所述衍射整形器件的反射光路上，所述图像采集系统用于检测聚焦后的所述衍射整形器件的反射光的偏移量和光斑尺寸。

2.根据权利要求1所述的激光加工监控装置，其特征在于，所述第一光路组件还包括电动位移平台，所述衍射整形器件安装在所述电动位移平台上，所述电动位移平台用于在垂直于激光束光路的光轴的平面进行上下左右位移，以调整所述衍射整形器件的中心点与所述激光束光路的光轴中心点重合。

3.根据权利要求1所述的激光加工监控装置，其特征在于，所述第一光路组件还包括第一反射镜、第二反射镜和第一探测器，所述第一反射镜和所述第二反射镜设置在所述激光器和所述扩束系统之间，所述第一探测器设置于所述第一反射镜的透射光路上，用于检测所述第一反射镜的透射光的偏移量和光斑尺寸。

4.根据权利要求1所述的激光加工监控装置，其特征在于，所述激光加工监控装置还包括分束系统和第二光路组件；

所述分束系统设置在所述激光器发射的激光束的光路上，形成第一分光光路与第二分光光路，所述第一光路组件位于所述第一分光光路上，所述第二光路组件位于所述第二分光光路上；

所述第二光路组件包括扩束系统、衍射整形器件、激光加工扫描系统、聚焦镜和图像采集系统。

5.根据权利要求4所述的激光加工监控装置，其特征在于，所述激光加工监控装置还包括第三反射镜和第二探测器；

所述第三反射镜设置于所述分束系统和所述第二光路组件中的扩束系统之间；

所述第二探测器设置于所述第三反射镜的透射光路上，用于检测所述第三反射镜的透射光的偏移量和光斑尺寸。

6.根据权利要求4所述的激光加工监控装置，其特征在于，所述第一光路组件中的图像采集系统和所述第二光路组件中的图像采集系统采用同一图像采集系统，所述激光加工监控装置还包括两个控制器，其中一个控制器设置于所述分束系统和所述第一光路组件中的扩束系统之间，用于控制所述第一分光光路的输出条件；另一个控制器设置于所述分束系统和所述第二光路组件中的扩束系统之间，用于控制所述第二分光光路的输出条件，所述输出条件包括激光功率和激光加工时长。

7.根据权利要求6所述的激光加工监控装置，其特征在于，所述控制器包括声光调制器或电光调制器。

8.根据权利要求4所述的激光加工监控装置，其特征在于，所述分束系统包括半波片、分光平片或偏振分束器中的任意一种。

9.根据权利要求1～8任一项所述的激光加工监控装置，其特征在于，所述图像采集系统为CCD相机。

10.根据权利要求1～8任一项所述的激光加工监控装置，其特征在于，所述衍射整形器件的材质为玻璃，具有反射光，所述衍射整形器件为匀化衍射光学元件或衍射采样器。