CN102837125A

CN102837125A - 激光加工装置

Info

Publication number: CN102837125A
Application number: CN2011103560425A
Authority: CN
Inventors: 余锦; 刘洋; 张雪; 边强; 李晗; 樊仲维; 赵天卓; 闫莹; 麻云凤; 黄科
Original assignee: Academy of Opto Electronics of CAS
Current assignee: Academy of Opto Electronics of CAS
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2012-12-26

Abstract

本发明提供一种激光加工装置，包括：可多路输出多个波长激光的激光器，适于输出第一波长激光和第二波长激光，其中第一波长激光经过的光路为第一光路，第二波长激光经过的光路为第二光路；第一光路上的第一扩束镜组、第一反射镜、末端反射镜、以及聚焦物镜，所述第一反射镜适于透射第一波长激光并且反射第二波长激光到所述末端反射镜，所述末端反射镜适于将接收的激光反射到聚焦物镜，所述聚焦物镜适于将接收的激光汇聚到焦点；和第二光路上的第二扩束镜组、第二反射镜，所述第二反射镜适于反射第二波长激光到所述第一反射镜；通过调节所述第一扩束镜组和第二扩束镜组中的透镜间距离，使第一波长激光和第二波长激光经过聚焦物镜聚焦在同一个焦点。

Description

激光加工装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光加工装置。

背景技术

由于加工效率高、精度好，激光目前已经代替了传统的微孔加工，广泛应用于单晶硅片划切、树脂基板的穿孔、金刚石切割和打孔、宝石刻字等领域。

不同材料对不同波长的激光的吸收不同，并不是波长越短的激光加工效果越好。例如，金刚石相对于可见光和红外光而言，其对短波长(如紫外)的辐射具有较高的吸收率，所以如果待加工材料为金刚石，用短波长激光加工会有很好的效果；而当金刚石为待加工材料基底时，用短(紫外)波段激光加工会对基底造成损伤，影响加工质量。

所以，通常人们会根据加工材料的不同而选择不同波长的加工装置，但是这样做就需要购置多台激光加工装置，硬件成本很高。

或者在一台装置上根据不同波长光源装配不同构件，则整个装置变得体积庞大，结构复杂。

或者使用多波长激光器作为光源，不同波长的光源在加工时的工作距离不相同，根据每个波长配备相应的聚焦物镜，例如三波长激光器需要三个物镜，但是加工时只能出单一波长的激光，而且使用其他波长就要换物镜并重新调节工作距离，十分繁琐。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种激光加工装置，使用任意一种、两种或多种激光加工时不需要更换聚焦物镜，不需要调整工作距离，提高了工作效率，降低了生产成本。

为了实现上述目的，根据本发明一个方面，提供一种激光加工装置，包括：可多路输出多个波长激光的激光器，适于输出第一波长激光和第二波长激光，其中第一波长激光经过的光路为第一光路，第二波长激光经过的光路为第二光路；第一光路上的第一扩束镜组、第一反射镜、末端反射镜、以及聚焦物镜，所述第一反射镜适于透射第一波长激光并且反射第二波长激光到所述末端反射镜，所述末端反射镜适于将接收的激光反射到聚焦物镜，所述聚焦物镜适于将接收的激光汇聚到焦点；和第二光路上的第二扩束镜组、第二反射镜，所述第二反射镜适于反射第二波长激光到所述第一反射镜以耦合进第一光路；其中，所述第一和第二扩束镜组包括多片透镜，通过调节所述第一扩束镜组和第二扩束镜组中的透镜间距离，使第一波长激光和第二波长激光经过聚焦物镜聚焦在同一个焦点。

可选的，所述聚焦物镜为显微物镜或反射式物镜。

可选的，所述可多路输出多个波长激光的激光器输出的激光的脉宽形式包括纳秒激光，皮秒激光和飞秒激光。

可选的，所述可多路输出多个波长激光的激光器还适于输出第三波长激光，所述第三波长激光经过的光路为第三光路；所述激光加工装置还包括第三光路上的第三扩束镜组、第三反射镜，所述第三反射镜适于透射第二波长激光并且反射第三波长激光到第一反射镜；所述第一反射镜还适于反射第三波长激光以将其耦合进第一光路。

可选的，所述可多路输出多个波长激光的激光器还适于输出第四波长激光，所述第四波长激光经过的光路为第四光路；所述激光加工装置还包括第四光路上的第四扩束镜组、第四反射镜，所述第四反射镜适于透射第二波长激光并且反射第四波长激光到第一反射镜；所述第三反射镜还适于透射第四波长激光到所述第一反射镜；所述第一反射镜还适于反射第四波长激光以将其耦合进第一光路。

可选的，所述第一波长激光的波长为355nm；所述第二波长激光的波长为1064nm；所述第三波长激光的波长为532nm。

可选的，所述第一反射镜镀355nm45度增透射膜、532nm和1064nm45度高反射膜；所述第三反射镜镀1064nm45度增透射膜、532nm45度高反射膜；所述第二反射镜镀1064nm45度高反射膜；所述末端反射镜镀355nm、532nm和1064nm45度高反射膜。

可选的，所述激光加工装置还包括真空吸盘以及四维精密电控平移台；所述真空吸盘吸附加工对象，从而减少环境震动对加工造成的影响；所述真空吸盘被固定在四维精密电控平移台上；所述四维精密电控平移台能够线性运动和旋转运动。

可选的，所述扩束镜组内的透镜类型为凸透镜或凹透镜。

与现有技术先比，本发明的优点在于：

(1)利用调节扩束镜组中透镜间距离，使不同波长的激光能够聚焦在同一个焦点处，所以使用一个聚焦物镜即可对多束激光聚焦，不需更换聚焦物镜。

(2)多个波长的激光经聚焦物镜后焦点在同一位置，在加工复合材料时，可根据材料选择将要采用加工的激光波长数目，可实现一次加工成型，不需要反复加工。

附图说明

图1是本发明一个实施例中提供的激光加工装置的光路示意图；

图2是图1中扩束镜组结构示意图；

图3是调节图2中扩束镜组以改变焦点的示意图；

图4是本发明一个实施例中355nm，532nm和1064nm波长激光的聚焦光斑示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一个实施例中，提供一种激光加工装置。如图1所示，该激光加工装置包括：可三路输出三个波长激光的激光器101，在激光器101输出的激光光路上的扩束镜组102、反射镜103～106和聚焦物镜107，真空吸盘109以及四维精密电控平移台110。

其中，激光器101可输出的激光波长分别为1064nm(即基频光)，532nm(即二倍频光)和355nm(即三倍频光)。功率为：1064nm时15W，532nm时7.5W，355nm时3W。重复频率为10KHz，脉冲宽度均为13ps。

优选的，由于在355nm时的功率最低，为了减少功率损失，355nm的激光应在到达聚焦物镜107前经过的镜片最少。因此，如图1所示，三束激光的波长从上至下依次是355nm，532nm和1064nm。

优选的，激光器101具有可选择输出功能。即：可输出任意一个波长的激光，两个波长的激光或三个波长的激光同时输出。

反射镜103～反射镜106的镀膜种类分别为：反射镜103镀355nm45度增透射膜、532nm和1064nm45度高反射膜；反射镜104镀1064nm45度增透射膜、532nm45度高反射膜；反射镜105镀1064nm45度高反射膜；反射镜106镀45度355nm、532nm和1064nm高反射膜。从而反射镜103～106成为：三倍频或四倍频光透射、二倍频光和基频光反射镜103；二倍频光反射、基频光透射镜104；基频光反射镜105；基频光、二倍频光和三倍频或四倍频光全反射镜106。

所述聚集物镜107可以是反射式物镜或是显微物镜，可将激光聚焦在焦点上，此焦点位于加工对象108表面；该表面到聚焦物镜107的距离即为工作距离111。加工对象108被吸附在真空吸盘109上，目的是减少环境震动对加工造成的影响。真空吸盘109被固定在四维精密电控平移台110上。四维精密电控平移台110由计算机控制，可实现线性运动和旋转运动。本实施例中，聚焦物镜为显微物镜。有效焦距为40.9mm，数值孔径为0.3。

355nm，532nm和1064nm波长平行光经过同一个聚焦物镜，355nm光的波长短，折射率大，最先聚焦，其焦点距离聚焦物镜最近；然后是532nm光，最后是1064nm光。虽然这三束光同轴入射到聚焦物镜，但焦点却出现三个，这就是色差。本实施例中，所述扩束镜组102包含两片透镜，透镜301和透镜302，如图2所示。其中，透镜301的焦距为f1，透镜302的焦距为f2，透镜301和透镜302之间的距离为d，则扩束镜组102的焦距f的计算方式如下：

f = \frac{f_{1} f_{2}}{f_{1} + f_{2} - d}

分析该公式，如果d增大，则f增大，则入射光线将在更远的地方汇聚。

参考图3，左侧为入射光，当透镜301和透镜302之间的距离d增加时，出射光线不再完全平行，光线之间角度增加(即光线)D1将增大，经过两个反射镜401、402后(反射镜不改变光线的趋势)，D2、D3也将增大，最后经过聚焦物镜107，焦点的距离D′大于D，即焦点1071更远离聚焦物镜107。

基于上述分析，参考图1，以所述三个焦点中的一个例如532nm光(经过扩束镜组1022)通过聚焦物镜107的焦点为基准；扩大扩束镜组1021中两片透镜之间的距离，将355nm波长的光经过聚焦物镜107的焦点下移，与532nm对应的焦点重合；缩小扩束镜组1023中两片透镜之间的距离，将1064nm波长的光经过聚焦物镜107的焦点上移，与532nm对应的焦点重合；将所述三个焦点调整到同一个位置。再将扩束镜组102中的透镜位置固定，这样就保证了加工时工作距离为定值。

在本发明的其他实施例中，所述扩束镜组内的透镜可以为凸透镜或凹透镜，可以包括多片透镜。

如图4所示，聚焦光斑的位置均在加工对象108表面，其中光斑301为1064nm波长的激光聚焦光斑(直径约为12微米)，光斑302为532nm波长的激光聚焦光斑(直径约为6微米)，光斑303为355nm波长的激光聚焦光斑(直径约为4微米)。

在本发明的其他实施例中，上述激光加工装置可以包括可多路(大于等于两路)输出激光的激光器，通过调整各路激光光路中的扩束镜组内的透镜间距，使多路激光经过聚焦物镜聚焦于同一点，保证加工中的工作距离不变。

本发明的激光加工装置可提供多种波长激光通过同一个光路输出，不需要更换原件。不但节约了成本，而且调节方便简单，具有较好的应用前景。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims

1.一种激光加工装置，包括：

可多路输出多个波长激光的激光器，适于输出第一波长激光和第二波长激光，其中第一波长激光经过的光路为第一光路，第二波长激光经过的光路为第二光路；

第一光路上的第一扩束镜组、第一反射镜、末端反射镜、以及聚焦物镜，所述第一反射镜适于透射第一波长激光并且反射第二波长激光到所述末端反射镜，所述末端反射镜适于将接收的激光反射到聚焦物镜，所述聚焦物镜适于将接收的激光汇聚到焦点；和

第二光路上的第二扩束镜组、第二反射镜，所述第二反射镜适于反射第二波长激光到所述第一反射镜以耦合进第一光路；

其中，所述第一和第二扩束镜组包括多片透镜，通过调节所述第一扩束镜组和第二扩束镜组中的透镜间距离，使第一波长激光和第二波长激光经过聚焦物镜聚焦在同一个焦点。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中，所述聚焦物镜为显微物镜或反射式物镜。

3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中，所述可多路输出多个波长激光的激光器输出的激光的脉宽形式包括纳秒激光，皮秒激光和飞秒激光。

4.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中，

所述可多路输出多个波长激光的激光器还适于输出第三波长激光，所述第三波长激光经过的光路为第三光路；

所述激光加工装置还包括第三光路上的第三扩束镜组、第三反射镜，所述第三反射镜适于透射第二波长激光并且反射第三波长激光到第一反射镜；

所述第一反射镜还适于反射第三波长激光以将其耦合进第一光路。

5.根据权利要求4所述的激光加工装置，其中，

所述可多路输出多个波长激光的激光器还适于输出第四波长激光，所述第四波长激光经过的光路为第四光路；

所述激光加工装置还包括第四光路上的第四扩束镜组、第四反射镜，所述第四反射镜适于透射第二波长激光并且反射第四波长激光到第一反射镜；

所述第三反射镜还适于透射第四波长激光到所述第一反射镜；

所述第一反射镜还适于反射第四波长激光以将其耦合进第一光路。

6.根据权利要求4所述的激光加工装置，其中，

所述第一波长激光的波长为355nm；

所述第二波长激光的波长为1064nm；

所述第三波长激光的波长为532nm。

7.根据权利要求6所述的激光加工装置，其中，

所述第一反射镜镀355nm45度增透射膜、532nm和1064nm45度高反射膜；

所述第三反射镜镀1064nm45度增透射膜、532nm45度高反射膜；

所述第二反射镜镀1064nm45度高反射膜；

所述末端反射镜镀355nm、532nm和1064nm45度高反射膜。

8.根据权利要求1所述的激光加工装置，还包括真空吸盘以及四维精密电控平移台；

所述真空吸盘吸附加工对象，从而减少环境震动对加工造成的影响；

所述真空吸盘被固定在四维精密电控平移台上；

所述四维精密电控平移台能够线性运动和旋转运动。

9.根据权利要求1所述的激光加工装置，所述扩束镜组内的透镜类型为凸透镜或凹透镜。