CN2650926Y - 用于微米级管道刻蚀的二氧化碳激光汇聚装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于微米级管道刻蚀的二氧化碳激光汇聚装置，它由激光器、扩束装置、汇聚器以及电源系统、计算机等部件构成，汇聚器由扩束镜与凸透镜组合而成；扩束镜由在前的凹透镜和在后的凸透镜A组成，并与另一凸透镜B纵向排列安装。其凹透镜与凸透镜A之间、凸透镜A与凸透镜B之间的安装距离分别为300mm和10mm。采用本实用新型可以提高光束的质量，由于采用焦距为100mm的凸透镜进行汇聚，可使汇聚光斑直径小于150微米。

Description

用于微米级管道刻蚀的二氧化碳激光汇聚装置

技术领域：

本实用新型为一种二氧化碳激光的高能量微米级光束的汇聚装置，属于激光技术和微机电加工领域，用于加工芯片的微米级管道。

背景技术：

随着激光技术的日益发展和完善，高能激光器在工业加工中起着越来越重要的作用，尤其气体二氧化碳气体激光器，更是被广泛的应用于金属切割、电焊等高能加工的行业当中。激光因为其良好的光学特性在微机电系统的加工中也被日益关注。具有三维微纳米级管道的集成芯片，在医疗、检测、传感技术等各个领域起着越来越重要的作用。而目前国内外二氧化碳激光管及相应的二氧化碳激光器直接应用与芯片的微米级管道加工存在以下问题：

1、光束汇聚直径较大：二氧化碳激光管激励出的激光为远红外激光束，其在理论上按波长的长度可以进行微米级的加工，但是目前实际生产中的激光发光管所产生的光斑原始直径为毫米量级。如何提高光束质量，将光束汇聚成直径在微米量级，是能否将二氧化碳激光器应用于微机电系统加工的关键。

2、能量相对较低：气体激光器，尤其是二氧化碳激光器，属能量较高的激光设备，但是在微机电加工中，我们需要更高的能量来完成刻蚀，这样才能保证管道加工的质量和得到深宽比较好的三微结构。已有的公知技术中，在集束型高能二氧化碳激光器中，应用了二十根二氧化碳激光管来提高光束的能量，但光路系统难于调试，而且造价昂贵。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本实用新型提供一种二氧化碳激光的高能量微米级光束的汇聚装置，它由激光器、扩束装置及汇聚器构成，使汇聚高能量光斑到微米量级，以直接刻蚀微管道。

本实用新型所要解决的技术问题是：

由激光器、扩束装置及汇聚器构成的用于微米级管道刻蚀的二氧化碳激光汇聚装置，其中的汇聚器由扩束镜与凸透镜构成，其扩束镜由凹透镜与凸透镜A组成，并与凸透镜B三者呈纵轴方向排列安装，将凸透镜与凹透镜之间的安装距离调整为300mm，凸透镜A和凸透镜B之间的安装距离调整为10mm，以提高光束的质量，并利用焦距为100mm的凹透镜、焦距为300mm的凸透镜A、焦距为100mm的凸透镜B进行汇聚，汇聚光斑直径小于150微米。

本实用新型的有益效果是：

汇聚高能量光斑到微米量级。利用二级储能电源和光学汇聚系统将激光光束汇聚到具有高能量、微米量级，以直接刻蚀微管道；价格低，和其它微米级刻蚀一起相比，本系统具有低廉的价格；效率高，目前许多微管道加工都有两种或者更多的步骤才能完成，利用二氧化碳激光汇聚系统进行直接刻蚀可以一步完成，而且可以加工复杂形状的微管道，效率较高；寿命较长，我们利用水冷循环系统冷却高能工作的二氧化碳激光管，同时冷却了汇聚系统，延长了整个激光汇聚系统。汇聚高能量光斑可以到微米级。

附图说明：

图1为本实用新型的工作原理图

图2为二氧化碳激光汇聚装置结构图

图3为电源脉冲过程示意图

图4为激光打孔效果示意图

图5为锐利长度示意图

图中：1.激光器、2.汇聚器、3.电源系统、4.冷却系统、5.计算机、6.LCD显示器、7.键盘、8.反射镜、9.凹透镜、10.凸透镜A、11.凸透镜B

具体实施方式：

参照图1，通过键盘7输入数据，计算机5执行命令，激光器1在电源系统3的激励下产生原始的光斑。此时计算机5的附件LCD显示器6会显示出工作状态。激光器1产生的原始光斑在经过汇聚器2以后，得到微米级的光斑，并且整个装置由冷却系统4进行冷却，以保证整个激光汇聚装置的使用寿命。

如果按原始光斑进行汇聚，最终得到的光斑直径将为毫米量级。为了解决这个问题，望远镜扩速装置是十分必要的。理论上扩速的倍数与光束最终的光斑直径成反比，即扩速倍数越大，光斑直径越小。

参照图2，汇聚器2由扩束镜与凸透镜构成，扩束镜包括一片凹透镜9和一片凸透镜10，即望远镜系统(即一个凹透镜9在上，一个在凸透镜10在下)，凹透镜9与凸透镜10、凸透镜11呈纵向排列安装；同时调整凹透镜9与凸透镜10之间的距离为300mm，凸透镜10与凸透镜11之间的距离为10mm，这样可以提高光束的质量，将凹透镜9的焦距调到100mm，凸透镜10的焦距调为300mm，凸透镜11的焦距调为100mm，利用焦距为100mm的凸透镜11进行汇聚，汇聚光斑直径小于150微米。

由此我们可以得到最后的锐利长度大于5mm，即激光有效的刻蚀长度为5mm以上，有力的保证了高深宽比的管道的加工。

二氧化碳激光器1为发射源，谐振产生原始激光光束，经过无氧铜反射镜8后，激光光束由横向变为纵向，二级储能脉冲电源系统3提供二氧化碳激光管工作所需的电压电源；汇聚器2则将产生的原始激光光束汇聚到微米量级。

其工作原理为，原始二氧化碳激光管为单管，由于起辉电压为几千伏，我们需要电源提供较高的能量。二级储能脉冲电源根据激光管所需的能量进行设计，其工作峰值能达到几万伏，以保证激光管的正常工作。在脉冲电源提供激光管的工作电压以后，激光管进入连续工作状态，根据需要，我们将脉冲宽度可调，即激光脉冲的作用时间可以调整，这样可以保证我们刻蚀不同深度的管道，提高了工作效率。同时，由于原始激光光束存在一定的发散角，故直接汇聚激光不能达到理想的微米级光束，为了提高光束质量，较小光斑汇聚的半径，我们设计了光学扩速装置，最后用汇聚装置2进行汇聚，由于光束质量的改善，我们利用汇聚装置得到了微米级的激光光斑。

激光刻蚀的工作范围在焦点附近，因为在焦点附近光斑直径最小。其锐利长度由以下公式计算：

$q_0=\frac{{\mathrm{\π\ω}}^2}{\mathrm{\λ}}$

其中q₀为锐利长度，即激光刻蚀微管道的工作长度。ω为激光焦点处的光斑半径。λ为二氧化碳激光的波长。

而ω＝f×θ

其中f为汇聚镜片的焦距，θ为激光光束的扩散角，ω则为激光光束的束腰宽度。

Claims (3)

1.用于微米级管道刻蚀的二氧化碳激光汇聚装置，包括激光器、扩束装置、汇聚器，其特征在于所说的汇聚器由扩束镜与凸透镜共同构成；

2.如权利要求1所述的二氧化碳激光汇聚装置，其特征在于扩束镜由凹透镜和凸透镜A组成，并与凸透镜B呈纵轴方向排列安装；

3.如权利要求2所述的二氧化碳激光汇聚装置，其特征在于扩束镜中的凹透镜与凸透镜A之间安装距离为300mm，凸透镜A和凸透镜B之间安装距离为10mm；

如权利要求3所述的二氧化碳激光汇聚装置，其特征在于扩束镜中的凹透镜焦距为100mm，凸透镜A的焦距为300mm，凸透镜B的焦距为100mm。

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