專利名稱：一種激光微加工機(jī)光學(xué)聚焦系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造及激光微加工領(lǐng)域，特指一種激光微加工機(jī)光學(xué)聚焦系 統(tǒng)，特別適用于既要求聚焦光斑小，聚焦光斑尺寸不隨距離而變化，又要求對(duì)工 件位置誤差的敏感度為零，且無(wú)需考慮齊焦問(wèn)題的加工中。
技術(shù)背景激光加工是激光應(yīng)用的主要方向之一，由于激光加工熱影響區(qū)小，光束方向 性好，而且能使光斑點(diǎn)聚焦到波長(zhǎng)級(jí)，可準(zhǔn)確地控制加工范圍及深度，有較高的 重復(fù)性和良好的邊緣性，可進(jìn)行選擇性加工，精密加工，所以它是機(jī)加工中最具 競(jìng)爭(zhēng)力的一種替代手段。激光加工是一門綜合技術(shù)的應(yīng)用，涉及光、機(jī)、電、材 料、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制等學(xué)科領(lǐng)域，正在形成高技術(shù)范圍內(nèi)多學(xué)科相互滲透的一 門新型邊緣學(xué)科。經(jīng)過(guò)多年的研究，已在理論基礎(chǔ)和應(yīng)用工藝兩個(gè)方面得到了迅 速發(fā)展。在理論研究方面，激光加工機(jī)理已初步形成了較為完善的理論體系，而 激光加工工藝亦巳形成系列，并己在電子工業(yè)和機(jī)械制造兩個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。在 電子工業(yè)領(lǐng)域，激光加工用于電阻微調(diào)、基板劃片、打標(biāo)和半導(dǎo)體處理等方面； 在機(jī)械制造領(lǐng)域，激光加工已在切割、打孔、焊接、表面處理、切削加工等方面 得到應(yīng)用。其中的光學(xué)系統(tǒng)是激光加工設(shè)備的重要組成部分之一，它的特性直接影響激 光加工的性能。它的作用是將激光束從激光器的輸出窗口引導(dǎo)至加工工件表面， 并在加工部位獲得所需的光斑形狀、尺寸及功率密度，激光微加工是激光加工最 有發(fā)展前景的方向。如電子設(shè)備及器件的高熱流密度的散熱冷卻一直是廣大的科 研工作者研究的方向之一，為提高冷卻強(qiáng)度，需在冷板上開設(shè)微米級(jí)寬的微槽道， 利用微槽道中高流冷卻液的強(qiáng)化換熱來(lái)達(dá)到大幅度提高散熱的目的。而激光微加 工中的聚焦系統(tǒng)比其它激光加工中的聚焦系統(tǒng)更重要，因此對(duì)激光微加工中的聚 焦系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)就顯得異常重要。對(duì)于由球面透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)，激光微加工首先要求聚焦光斑小，其次為 了防止加工時(shí)的濺射物污染透鏡，必須有一定的工作距離，為了同時(shí)兼顧小的聚 焦光斑和長(zhǎng)工作距離的要求，激光微加工中通常采用發(fā)散-會(huì)聚系統(tǒng)和擴(kuò)束-會(huì)聚 系統(tǒng)作為聚焦系統(tǒng)。通常情況下要滿足加工要求，不僅須將光束聚焦成直徑為0.02mm的光斑，對(duì)工件的位置也有一定的要求。若要求加工的相對(duì)誤差不超過(guò) 5%，則工件距離激光高斯光束束腰須小于0.1mm,這樣的距離對(duì)機(jī)械調(diào)整來(lái)說(shuō) 是相當(dāng)苛刻的。另外，由于被加工工件存在表面起伏誤差，要加工滿足誤差要求 的微槽，必須配備一套性能優(yōu)良的激光焦點(diǎn)位置自動(dòng)控制系統(tǒng)用以自動(dòng)檢測(cè)并實(shí) 時(shí)跟蹤激光聚焦束腰的位置和工件之間的距離，使其在開槽加工中隨工件的起伏 始終小于誤差，這樣的控制系統(tǒng)必須是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，而且要具有較高的精度和 快速響應(yīng)，該系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)。即使可以實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的費(fèi)用將相當(dāng)昂貴。要解決這 一問(wèn)題，必須使光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)具有小的聚焦焦點(diǎn)和大的焦深。由物理光學(xué)可知， 傳統(tǒng)的球面透鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，只能通過(guò)適當(dāng)?shù)墓饴吩O(shè)計(jì)獲得無(wú)衍射光束來(lái) 實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。Rochester大學(xué)的Durnin等人應(yīng)用常規(guī)光學(xué)元件，在半徑為= 3.5mm)的 正透鏡(焦距/ = 305mm)的前焦平面上放置一個(gè)平均中心直徑J = 2.5mm ， 寬度Ac/二10/zm的環(huán)狀狹縫光闌，獲得了無(wú)衍射距離為85cm的無(wú)衍射光束，但這種裝置系統(tǒng)因?yàn)槿肷涔饽芰康慕^大部分被窄環(huán)光闌擋住丟失，其能量利用率太 低，已被淘汰了。 Herman等人提出采用旋轉(zhuǎn)棱鏡生成無(wú)衍射光束，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 能量利用率高，能量轉(zhuǎn)換效高，這也是目前激光微加工機(jī)主要采用的聚焦系統(tǒng)， 但這種光學(xué)系統(tǒng)的不足之處在于對(duì)于確定的旋轉(zhuǎn)棱鏡，它所產(chǎn)生的無(wú)衍射光束的 參數(shù)是確定的，其聚焦光斑的尺寸也是確定的，因而加工適應(yīng)性差，同時(shí)由于誤 差的存在，這種系統(tǒng)實(shí)際產(chǎn)生無(wú)衍射光束的光斑事先確定，因而要獲得滿足加工 要求所需的光斑，不可能一次設(shè)計(jì)加工出滿足要求的旋轉(zhuǎn)棱鏡，需更換旋轉(zhuǎn)棱鏡， 而非球面的光學(xué)元件加工精度要求高，價(jià)格昂貴，因此該系統(tǒng)仍然存在諸多不足。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是要克服上述缺點(diǎn)，提供一種激光微加工機(jī)光學(xué)聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的方法，在盡量減少成本的基礎(chǔ)上，獲得不同光斑尺寸的無(wú)衍射光束，以適應(yīng)不 同的加工要求。一種激光微加工機(jī)光學(xué)聚焦系統(tǒng)，其特征在于在正旋轉(zhuǎn)棱鏡后放置兩個(gè)球 面透鏡，第一個(gè)球面透鏡到正旋轉(zhuǎn)棱鏡的距離根據(jù)激光器的功率確定，第二個(gè)球面透鏡與第一個(gè)球面透鏡共焦；只需制造一個(gè)旋轉(zhuǎn)棱鏡，通過(guò)更換第二個(gè)球面透
鏡就能方便地產(chǎn)生不同光斑尺寸的無(wú)衍射光束，以適應(yīng)不同的加工要求，激光器 的輸出光束經(jīng)伽利略望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直，經(jīng)正旋轉(zhuǎn)棱鏡變換后產(chǎn)生發(fā)散的一組錐體 波矢平面波，這組平面波經(jīng)透鏡在其像方焦平面聚焦成細(xì)圓環(huán)，經(jīng)另一透鏡變換 后生成一組錐體波矢，在錐體波矢會(huì)聚區(qū)內(nèi)形成無(wú)衍射光束，在加工部位，獲得 所需的光斑形狀、尺寸及功率密度。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1. 因系統(tǒng)的出射光束是無(wú)衍射光束，聚焦光斑尺寸不隨距離而變化，因而 加工的動(dòng)態(tài)范圍大，在無(wú)衍射范圍內(nèi)對(duì)工件位置誤差的敏感度為零，對(duì) 工件表面的平整度適應(yīng)性強(qiáng)，且沿光軸方向既不需精密聚焦(無(wú)需考慮 齊焦的問(wèn)題)也不需移動(dòng)被加工工件，這樣可使三維工作臺(tái)簡(jiǎn)化為二維 工作臺(tái)并可避免使用昂貴的精密機(jī)械調(diào)整裝置；2. 只需一個(gè)旋轉(zhuǎn)棱鏡，通過(guò)更換價(jià)格低廉的普通球面透鏡可得到不同尺寸的微米級(jí)的無(wú)衍射光束，適應(yīng)不同的加工要求。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。 圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明設(shè)計(jì)的示意圖。1.激光器2.伽利略望遠(yuǎn)鏡3.正旋轉(zhuǎn)棱鏡4.第一個(gè)球面透鏡5.焦 平面6.第二個(gè)球面透鏡具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)方法的細(xì)節(jié)和工作情況。 本發(fā)明包括激光器1、伽利略望遠(yuǎn)鏡2、正旋轉(zhuǎn)棱鏡3以及第一個(gè)球面透鏡4 和第二個(gè)球面透鏡6，由激光器1產(chǎn)生的激光輸出光束經(jīng)伽利略望遠(yuǎn)鏡2擴(kuò)束準(zhǔn) 直后，經(jīng)正旋轉(zhuǎn)棱鏡3變換后產(chǎn)生以確發(fā)散的一組錐體波矢平面波，這組平面 波經(jīng)第一個(gè)球面透鏡4在其像方焦平面聚焦成細(xì)圓環(huán)，因第一個(gè)球面透鏡4的像 方焦平面與第二個(gè)球面透鏡6的物方焦平面重合，細(xì)圓環(huán)經(jīng)透鏡6變換后生成一 組與Z軸夾角為W的錐體波矢，會(huì)聚區(qū)為Z，在會(huì)聚區(qū)內(nèi)為無(wú)衍射光束。考慮第一個(gè)球面透鏡4的失調(diào)靈敏度，第一個(gè)球面透鏡4上的光束離光軸越 遠(yuǎn)越好，即設(shè)計(jì)時(shí)要求正旋轉(zhuǎn)棱鏡到第一個(gè)球面透鏡4的距離大。但如果這個(gè)距 離增大，又會(huì)導(dǎo)致第二個(gè)球面透鏡6到無(wú)衍區(qū)起點(diǎn)之間的間隔減少，甚至為負(fù)，
因被加工工件必須放在無(wú)衍射區(qū)，考慮到激光加工時(shí)工作距離不宜過(guò)短，則必須 有一部分無(wú)衍射區(qū)不能作為工作區(qū)，這樣未能充分利用無(wú)衍射的范圍，因而設(shè)計(jì) 時(shí)應(yīng)同時(shí)兼顧第一個(gè)球面透鏡4的失調(diào)靈敏度和充分利用無(wú)衍射區(qū)。系統(tǒng)中通過(guò) 改變第二個(gè)球面透鏡6的焦距值可獲得所需大小的光斑尺寸，小的中心光斑其無(wú) 衍射距離短，同時(shí)，通過(guò)改變正旋轉(zhuǎn)棱鏡到第一個(gè)球面透鏡4的距離可整體移動(dòng) 出射光的無(wú)衍射區(qū)。假設(shè)激光器1輸出的激光光斑半徑為0.5mm，伽利略望遠(yuǎn)鏡2的放大率為 10倍，正旋轉(zhuǎn)棱鏡3的材料用K9玻璃，其底面錐角為10°，折射率為1.5，根據(jù) 激光器的功率以及球面透鏡4的損傷閾值，確定焦距為40mm的第一個(gè)球面透鏡 4到正旋轉(zhuǎn)棱鏡3的距離是10mm，則可以得到無(wú)衍射光束的光斑直徑和無(wú)衍射 距離(即激光微加工機(jī)的加工動(dòng)態(tài)范圍)隨第二個(gè)球面透鏡6變化的關(guān)系當(dāng)透 鏡6的焦距在20mm 120mm之間變動(dòng)時(shí)，無(wú)衍射光束的光斑直徑可處于 5mm 27mm范圍內(nèi)，同時(shí)能提供10mm 520mm的加工動(dòng)態(tài)范圍。
權(quán)利要求
1、一種激光微加工機(jī)光學(xué)聚焦系統(tǒng)，其特征在于在正旋轉(zhuǎn)棱鏡后放置兩個(gè)球面透鏡，第一個(gè)球面透鏡到正旋轉(zhuǎn)棱鏡的距離根據(jù)激光器的功率確定，第二個(gè)球面透鏡與第一個(gè)球面透鏡共焦。
2、 權(quán)利要求1所述的激光微加工機(jī)光學(xué)聚焦系統(tǒng)，其特征在于通過(guò)改變第二 個(gè)球面透鏡的焦距值獲得所需大小的光斑尺寸。
3、 權(quán)利要求1所述的激光微加工機(jī)光學(xué)聚焦系統(tǒng)，其特征在于通過(guò)改變正旋 轉(zhuǎn)棱鏡到第一個(gè)球面透鏡的距離整體移動(dòng)出射光的無(wú)衍射區(qū)。
全文摘要
一種激光微加工機(jī)光學(xué)聚焦系統(tǒng)，涉及機(jī)械制造及激光微加工領(lǐng)域，其特別適用于既要求聚焦光斑小，聚焦光斑尺寸不隨距離而變化，又要求對(duì)工件位置誤差的敏感度為零，且無(wú)需考慮齊焦問(wèn)題的加工中，其特征在于在正旋轉(zhuǎn)棱鏡后放置兩個(gè)球面透鏡，第一個(gè)球面透鏡到正旋轉(zhuǎn)棱鏡的距離根據(jù)激光器的功率確定，第二個(gè)球面透鏡與第一個(gè)球面透鏡共焦；只需制造一個(gè)旋轉(zhuǎn)棱鏡，通過(guò)更換第二個(gè)球面透鏡就能方便地產(chǎn)生不同光斑尺寸的無(wú)衍射光束，以適應(yīng)不同的加工要，本發(fā)明只需一個(gè)旋轉(zhuǎn)棱鏡，通過(guò)更換價(jià)格低廉的普通球面透鏡可得到不同尺寸的微米級(jí)的無(wú)衍射光束，能適應(yīng)不同的加工要求。
文檔編號(hào)B23K26/04GK101148002SQ20071013455
公開日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者霞 葉, 姚紅兵, 張永康, 李國(guó)杰, 魯金忠 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)