專利名稱：基于自適應光學的激光微細加工設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及激光加工領域，具體涉及一種基于自適應光學的激光微細加工設備。
背景技術：
目前，激光加工設備廣泛應用于金屬、陶瓷、玻璃、印刷電路的激光切割和激光打孔。目前的激光加工設備的工作平臺主要有兩種結構方式，一種是整體式x，y兩維平臺，另一種是分離式x，y 二維平臺。隨著技術的發展以及應用的需求，激光加工設備也漸漸向分離式方向發展。這是因為，分離式平臺更適應自動化以及流水線生產的需要。但是這種方式也給激光光路帶來了很大的挑戰，其中最主要是飛行光路帶來的以下幾個方面的變化:
(I)由于目前的激光器的出射光都為高斯光束，它具有一定的發散角，當飛行光路長度改變時，在聚焦物鏡射光中發散角也不一樣，聚焦透鏡表面的光束橫截面積也隨著變化，對光束的聚焦效果產生了影響。(2)激光器的出射光并不是一個理想的光束，會具有一定的像差，同時，光路系統也存著一點的像差，當飛行光路位置改變時，會產生不同的衍射效果，對光束的聚焦產生影響。(3)飛行光路都是固定于一個可移動平臺上的，平臺在X-y，y-Z-Z-X幾個方向的平整度會對光束的入射角度產生影響，從而使得焦點位置產生變化。因此，飛行光路會對激光聚焦焦點大小，焦點深度、焦點位置都會產生變化，這必然會對加工產生很大的影響，嚴重地影響了激光切割特別是激光打孔的性能。為了解決飛行光路帶來的問題，人們提出了很多方法，如(I)采用擴束鏡進行光路準直，通過增加光束的束腰來減少遠場發散角，但是光束的大小不能無限擴大，而且擴束鏡也會帶來額外的系統像差以及功率損耗。(2)采用變曲率半徑鏡片(VRM)，變曲率半徑能夠在光路長度改變時動態地調整光束的特征參數，來保持焦點的半徑和焦點嘗試的穩定，但是這種方法不能夠 很好地調整個光路系統誤差。(3)伺服電機直接驅動的等光程系統，它具有結構簡單，成本低、調整方便等優點，但是不能有效地校正電機平整度的影響，只能調整激光設備的焦點半徑和焦深的大小。目前，自適應光學技術廣泛地應用于天文望遠鏡，激光光束整形等領域，美國專利US Pat.N0.8，198，564和US.Pat.N0.US2012/0250134提出了利用自適應光學技術應用于激光加工設備的技術，動態地調整激光光束的質量，可以獲得很好的激光切割，激光打孔效果，同時，利用自適應光學技術，還可以對激光光束進行整形，獲得平頂光輸出，有利于獲得良好的激光打孔效果，但是該實用新型采用雙波前傳感器，結構較復雜，成本較高，而且他們的機械平臺采用的是整體式二維平移臺，不能很好地于自動化上下料結合，不利于提高激光加工效率。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題決是現有激光微細加工設備采用飛行光路所帶來的焦點大小、焦深改變和焦點位置偏移等問題，提供一種基于自適應光學的激光微細加工設備。為解決上述問題，本實用新型是通過以下方案實現的:—種基于自適應光學的激光微細加工設備，主要由激光器、擴束器、第一反射鏡、變形鏡、第二反射鏡、垂直支架、X軸電機、第三反射鏡、X軸平臺、分光鏡、第四反射鏡、z軸電機、z軸平臺、二維掃描振鏡、掃描物鏡、水平支架、y軸電機、y軸平臺、第一透鏡、第二透鏡、波前傳感器和計算機組成；第四反射鏡、二維掃描振鏡和掃描物鏡位于z軸平臺上；z軸平臺、分光鏡、第一透鏡、第二透鏡和波前傳感器位于X軸平臺上軸平臺、第三反射鏡、第二反射鏡、變形鏡、第一反射鏡、擴束器和激光器位于垂直支架上軸平臺位于水平支架上；X軸電機、z軸電機和y軸電機與計算機相連；z軸平臺與z軸電機相連,z軸電機在計算機的控制下帶動z軸平臺在X軸平臺上做上下移動；x軸平臺與X軸電機相連，X軸電機在計算機的控制下帶動X軸平臺在垂直支架上做左右移動；y軸平臺與I軸電機相連，y軸電機在計算機的控制下帶動I軸平臺在水平支架上做前后移動；波前傳感器和變形鏡連接計算機；激光器發出的光經擴束器擴束后依次由第一反射鏡、變形鏡、第二反射鏡、第三反射鏡入射到分光鏡進行分光，一部分的光依次經第一透鏡和第二透鏡進入波前傳感器、由波前傳感器探測光束波前特性后送入計算機中，另一部分的光經第四反射鏡入射到二維掃描振鏡、由二維掃描振鏡反射到掃描物鏡并聚焦到y軸平臺上。上述方案中，所述變形鏡可以為分立式變形鏡、連續式變形鏡，雙電壓變形鏡、MEMS變形鏡、薄膜變形鏡、液晶空間光調制器或快速傾斜鏡中的一種。上述方案中，所述變形鏡的出射光在焦點位置附近的目標光斑為高斯光、超高斯光束或平頂光。 上述方案中，所述y軸平臺可以為人工上料的普通平移臺，也可以是自動上料的自動化上料設備。本實用新型利用波前傳感器探測激光光路的動態特性以及事先標定的標定文件，根據目標光斑，控制變形鏡校正飛行光路的角度偏差以及波前特性，在掃描物鏡焦點附近獲得理想的聚焦特性并將聚焦點準確地聚焦在樣品上，進行激光切割和激光加工；通過自適應光學技術，可以動態調地調激光加工設備的光路狀態，可以有效地解決激光加工設備采用飛行光路所帶來的焦點大小、焦深改變、焦點位置偏移得問題；同時，還可以利用自適應光學技術系統的產生高斯光、平頂光、超高斯光等光強分布，并利用得到的光強分布進行激光切割、激光打孔。因此，基于自適應光學的自動化激光微細加工設備，可以提高系統的穩定性、準確性以及實用性。
圖1為一種基于自適應光學的激光微細加工設備的不意圖。
具體實施方式
圖1所示的一種基于自適應光學的激光微細加工設備，主要由激光器1、擴束器2、第一反射鏡3、變形鏡4、第二反射鏡5、垂直支架6、X軸電機7、第三反射鏡8、X軸平臺9、分光鏡10、第四反射鏡ll、z軸電機12、z軸平臺13、二維掃描振鏡14、掃描物鏡15、水平支架16、y軸電機17、y軸平臺18、第一透鏡19、第二透鏡20、波前傳感器21和計算機組成。在本實施例中，激光器I米用紫外固定激光器，波長為355nm,出射光斑大小為2_。激光器I發出的光經擴束器2擴束后，出射光斑為10_。在本實用新型中，所述變形鏡4可以為分立式變形鏡、連續式變形鏡，雙電壓變形鏡、MEMS變形鏡、薄膜變形鏡、液晶空間光調制器或快速傾斜鏡中的一種。變形鏡4的出射光在焦點位置附近的目標光斑為高斯光、超高斯光束或平頂光。在本實施例中，變形鏡4采用37單元的雙壓電變形鏡，具有較大的動態行程，有利用于對波前進行校正和獲得平頂光和超高斯光。波前傳感器21采用傳統的夏克-哈特曼波前傳感器，子孔徑數目為127個。二維掃描振鏡14采用的是ScanLab 二維掃描振鏡。掃描物鏡15米用F-theta透鏡,可以保證聚焦光斑垂直入微到樣品。x軸電機7、z軸電機12和y軸電機17采用的是HIWIN直線電機，定位精度及重復精度為5um。在本實用新型中，所述y軸平臺18可以為人工上料的普通平移臺，也可以是自動上料的自動化上料設備。在本實施例中，I軸平臺18平臺大小為450mmX450mm的自動化上料設備。第四反射鏡11、二維掃描振鏡14和掃描物鏡15位于z軸平臺13上。z軸平臺13、分光鏡10、第一透鏡19、第二透鏡20和波前傳感器21位于X軸平臺9上。X軸平臺9、第三反射鏡8、第二反射鏡5、變形鏡4、第一反射鏡3、擴束器2和激光器I位于垂直支架6上。y軸平臺18位于水平支架16上。X軸電機7、z軸電機12和y軸電機17與計算機相連。z軸平臺13與z軸電機12相連，z軸電機12在計算機的控制下帶動z軸平臺13在X軸平臺9上做上下移動。X軸平臺9與X軸電機7相連,X軸電機7在計算機的控制下帶動X軸平臺9在垂直支架6上做左右移動。I軸平臺18與y軸電機17相連，y軸電機17在計算機的控制下帶動y軸平臺18在水平支架16上做前后移動。波前傳感器21和變形鏡4連接計算機的。激光器I發出的光經擴束器2擴束后依次由第一反射鏡3、變形鏡4、第二反射鏡5、第三反射鏡8入射到分光鏡10進行分光，一部分的光依次經第一透鏡·19和第二透鏡20進入波前傳感器21、由波前傳感器21探測光束波前特性后送入計算機中，另一部分的光經第四反射鏡11入射到二維掃描振鏡14、由二維掃描振鏡14反射到掃描物鏡15并聚焦到I軸平臺18上。根據上述激光微細加工設備所述設計的基于自適應光學的激光微細加工方法，包括如下步驟:①計算機讀取激光加工文件，得到需要加工的規劃路徑，并發出指令到X軸電機
7、y軸電機17和/或z軸電機12去控制X軸平臺9沿X軸運動、y軸平臺18沿y軸運動和/或z軸平臺13沿z軸運動，以實現聚焦光斑的三維移動；②激光微細加工工作之前，通過移動z軸電機12，使z軸平臺13處于不同的位置，利用波前傳感器21和變形鏡4進行閉環控制，獲得光束經掃描物鏡15聚焦的目標光斑，并將此時的變形鏡4面形及波前傳感器21數據保存為標定文件于計算機中；③激光微細加工工作時，波前傳感器21實時探測光束的波前，通過與計算機中的標定文件進行計算，獲得變形鏡4的變形量，控制變形鏡4對光束的波前以及角度進行調整，使光束在掃描物鏡焦點附近獲得目標光斑并準確地入射到待加工樣品中。此外，在步驟②和③中，還進一步包括變形鏡4對入射光束的波前進行調整，使出射光在焦點位置附近獲得平頂光束、超高斯光束或平頂光目標光斑，來適應不同激光加工方法的需求的步驟。以上是對本實用新型的較佳實施進行了具體說明，但本實用新型創造并不限于所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本實用新型精神的前提下還可作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形 或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內。
權利要求1.基于自適應光學的激光微細加工設備，其特征在于: 主要由激光器(I)、擴束器(2)、第一反射鏡(3)、變形鏡(4)、第二反射鏡(5)、垂直支架(6)、X軸電機(7)、第三反射鏡(8)、X軸平臺(9)、分光鏡(10)、第四反射鏡(11)、z軸電機(12)、2軸平臺(13)、二維掃描振鏡(14)、掃描物鏡(15)、水平支架(16)、7軸電機(17)、7軸平臺(18)、第一透鏡(19)、第二透鏡(20)、波前傳感器(21)和計算機組成； 第四反射鏡(11)、二維掃描振鏡(14)和掃描物鏡(15)位于z軸平臺(13)上；z軸平臺(13),分光鏡(10)、第一透鏡(19)、第二透鏡(20)和波前傳感器(21)位于X軸平臺(9)上；X軸平臺(9)、第三反射鏡(8)、第二反射鏡(5)、變形鏡(4)、第一反射鏡(3)、擴束器(2)和激光器(I)位于垂直支架(6)上；y軸平臺(18)位于水平支架(16)上； X軸電機(7)、z軸電機(12)和y軸電機(17)與計算機相連；z軸平臺(13)與z軸電機(12)相連，z軸電機(12)在計算機的控制下帶動z軸平臺(13)在X軸平臺(9)上做上下移動；x軸平臺(9)與X軸電機(7)相連,X軸電機(7)在計算機的控制下帶動X軸平臺(9)在垂直支架(6)上做左右移動；y軸平臺(18)與y軸電機(17)相連，y軸電機(17)在計算機的控制下帶動I軸平臺(18)在水平支架(16)上做前后移動； 波前傳感器(21)和變形鏡(4)連接計算機；激光器(I)發出的光經擴束器(2)擴束后依次由第一反射鏡(3 )、變形鏡(4)、第二反射鏡(5 )、第三反射鏡(8 )入射到分光鏡(10 )進行分光，一部分的光依次經第一透鏡(19)和第二透鏡(20)進入波前傳感器(21)、由波前傳感器(21)探測光束波前特性 后送入計算機中，另一部分的光經第四反射鏡(11)入射到二維掃描振鏡(14)、由二維掃描振鏡(14)反射到掃描物鏡(15)并聚焦到I軸平臺(18)上。
2.根據權利要求1所述的基于自適應光學的激光微細加工設備，其特征在于: 變形鏡(4)為分立式變形鏡、連續式變形鏡，雙電壓變形鏡、MEMS變形鏡、薄膜變形鏡、液晶空間光調制器或快速傾斜鏡。
3.根據權利要求1所述的基于自適應光學的激光微細加工設備，其特征在于: 變形鏡(4)的出射光在焦點位置附近的目標光斑為高斯光、超高斯光束或平頂光。
4.根據權利要求1所述的基于自適應光學的激光微細加工設備，其特征在于: y軸平臺(18)為普通平移臺或自動化上料設備。
專利摘要本實用新型公開一種基于自適應光學的激光微細加工設備，主要由激光器、擴束器、第一反射鏡、變形鏡、第二反射鏡、垂直支架、x軸電機、第三反射鏡、x軸平臺、分光鏡、第四反射鏡、z軸電機、z軸平臺、二維掃描振鏡、掃描物鏡、水平支架、y軸電機、y軸平臺、第一透鏡、第二透鏡、波前傳感器和計算機組成；本實用新型通過自適應光學技術，可以動態調地調激光加工設備的光路狀態，可以有效地解決激光加工設備采用飛行光路所帶來的焦點大小、焦深改變、焦點位置偏移得問題；同時，還可以利用自適應光學技術系統的產生高斯光、平頂光、超高斯光等光強分布，并利用得到的光強分布進行激光切割、激光打孔。
文檔編號B23K26/38GK203124969SQ20132003533
公開日2013年8月14日 申請日期2013年1月23日 優先權日2013年1月23日
發明者劉茂珍, 李喜錦, 李育華 申請人:劉茂珍, 李喜錦, 李育華