一种超快激光加工装置及使用方法与流程-k8凯发

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种包含空间光调制器的超快激光加工系装置及使用方法，具体地说一种超快激光加工装置及使用方法。

背景技术：

1、激光在工业上的应用主要体现在利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行加工处理。激光加工相较传统加工方式具有可加工材料范围广、效率高、精度高、工件形变小等优势，可推动传统制造业全面转型升级。现代激光加工，以超快激光加工为主，即使用高强度的超快激光进行材料加工，具有峰值功率高、热熔区域小、加工速度快和重复精度高的特点。

2、目前主流的激光加工技术使用振镜技术，在光路上设置一对电机驱动的偏转镜面，分别在两个方向上对光束进行传播方向上的控制，单束激光经振镜组反射并聚焦后达到很高的能量密度进行材料加工。该技术存在加工效率低、能量利用率低和适应性差等不足等缺点，尤其是在半导体晶圆，玻璃等精密微加工领域存在缺陷。近年来，为了实现微加工工艺，一些厂家使用了衍射光学元件比如doe，dmd或者硅基液晶空间光调制器，即lcos来对加工光的相位及强度进行调制，从而实现更精细的激光加工，比如多焦点隐形切割，光束整形，3d加工，并行加工等等。

3、现有技术通过空间光调制器加载计算全息图、闪耀光栅等方法，将入射超快激光调制成多光束，再经过反射镜或透镜等光学元件传输后，聚焦至样品表面，进行精密加工。但是lcos本身是利用衍射原理来产生图案，由于像素尺寸的限制(大于5微米)，产生的一级衍射角度较小，导致在样品表面的加工尺寸为微米或者毫米级，限制了激光加工的幅面，需要通过位移台移动样品才能实现较大区域的并行加工，加工效率仍较低。同时，由于后续光路的存在，整个激光加工光学模组体积较大，限制了其在更多类型激光加工设备上的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种超快激光加工装置及使用方法，以在使用空间光调制器调制超快激光加工光的基础上，实现大面积3d高速精密加工，提高加工效率，并同时缩减光路元件数量，实现加工模组的小型化和标准化，适用各类激光加工设备。

2、为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种超快激光加工装置，其特征在于，包括超快激光器1，半波片2，扩束镜3，激光调制模组4，反射镜5、聚焦场镜6、控制电脑7和工作台8，所述激光调制模组4包括：相位型空间光调制器9、振幅型空间光调制器10和步进电机振镜组，其中所述步进电机振镜组包括所述x振镜11和所述y振镜12，所述超快激光器1发射的激光光束经过所述半波片2之后入射到所述扩束镜3进行扩束准直，扩束后的激光依次入射到固定于所述x振镜11上的所述相位型空间光调制器9和固定于所述y振镜12上的所述振幅型空间光调制器10，由所述激光调制模组4出射的激光光束经过所述反射镜5和所述反射光经场镜6聚焦后入射到所述工作台8上，用于激光加工。

4、所述超快激光器1发射的超快激光经过扩束准直后入射至所述相位型空间光调制器9上并反射，所述相位型空间光调制器9为硅基液晶lcos,入射光的偏振方向与lcos中液晶分子的光轴方向保持平行；lcos器件的硅基背板平行固定于由电磁或者压电陶瓷驱动的所述x振镜11上。

5、所述x振镜11的最大偏转角度为正负20°，所述x振镜11在收到驱动信号转动时，带动所述相位型空间光调制器9以相同角度和频率转动，根据目标加工区域位置，利用控制软件计算出所述x振镜11的偏转角度坐标值，并输出至伺服驱动器，通过电压信号控制所述x振镜11的偏转角度，同时利用全息算法生成全息图并加载至所述相位型空间光调制器9上。

6、根据激光加工的特定应用需求，所述相位型空间光调制器9可实时改变入射激光的相位分布，从而调控出射激光的空间分布，具体如：激光光束的数量，光束整形，像差矫正、改变加工激光的聚焦深度和形状的特性，可作为超快激光加工的理想光束整形器件；当入射光的角度过大时(>10°),所述相位型空间光调制器9的相位调制深度会随之降低，利用仿真软件和迭代gs算法优化加载到所述相位型空间光调制器9上的全息图，补偿相位并消除零级光，使得所述相位型空间光调制器9的反射光的相位调制满足需求

7、所述y振镜13与所述x振镜11采用几何正交布局，具有同样的驱动模式和参数；为了便于全息图的计算和校准，所述y振镜13与所述x振镜11的距离在近场范围之内(<5cm)；所述振幅型空间光调制器为digtial micromirror devices(dmd),dmd是一种被集成在芯片上的快速数字光开关(微镜)反射阵列,通过电寻址的方式控制每个微镜的旋转，从而使入射光的强度发生变化。所述振幅型空间光调制器10固定于由电磁或者压电陶瓷驱动的所述y振镜12上。所述y振镜12在根据目标加工区域位置得到的驱动信号偏转时，带动所述振幅型空间光调制器10以相同角度和频率转动；从所述相位型空间光调制器9反射的激光入射到所述振幅型空间光调制器10进行光强调制，作为相位调制的补充，可实现出射激光更精细的调控，降低全息图计算迭代时间，提高系统工作效率；所述振幅型空间光调制器10对于入射光的偏振状态不敏感，无需对偏振，所述振幅型空间光调制器10不加载全息图时，可作为反射镜使用。

8、采用微机电振镜可以代替所述步进电机振镜组中的所述x振镜11和所述y振镜12，此时所述激光调制模组4包括所述相位型空间光调制器9和所述微机电振镜，所述微机电振镜起到偏转光线实现扫描的作用，比传统的电机转镜系统，速度更快，体积更小，功耗更低；所述微机电振镜可设置为一维微机电振镜或二维微机电振镜。所述超快激光器1发射的超快激光经过扩束准直后入射至所述相位型空间光调制器9上并反射，所述相位型空间光调制器9为硅基液晶lcos,入射光的偏振方向与lcos中液晶分子的光轴方向保持平行，lcos器件的硅基背板平行固定于所述微机电振镜表面；所述微机电振镜的最大偏转角度为正负20°；利用全息算法生成全息图并加载至所述相位型空间光调制器9上，在远场调控出射激光的空间分布，实现激光光束的分束，整形等功能，由所述激光调制模组4出射的激光经场景聚焦后入射在所述工作台8上，用于加工样品。

9、一种超快激光加工装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

10、s1、将加工样品厚度约为800μm放置于工作台8表面并固定；恢复相位型空间光调制器9和振幅型空间光调制器10至初始状态，不加载任何全息图；恢复x振镜11与y振镜12至初始位置，使其呈几何正交布局；打开超快激光器1使得出射功率低于加工阈值，调整光路，使得出射激光聚焦于加工区域中心位置；

11、s2、测试并校准所述x振镜11和所述y振镜12的扫描范围100mm2,然后恢复振镜组至初始位置，设置振镜扫描的扫描频率和角度；

12、s3、将所述x振镜11和所述y振镜12位置坐标信息反馈至控制软件，根据所述x振镜11的位置计算出激光入射到所述相位型空间光调制器9上的角度，通过迭代gs算法利用所述相位型空间光调制器9的控制软件加载全息图，此时所述振幅型空间光调制器10不加载任何全息图，当反射镜使用；所述相位型空间光调制器9连接水冷结构并已包含有多层介质组成的结构来增加反射率，提高器件的阈值；入射至所述相位型空间光调制器9的激光会发生衍射，经过场镜聚焦后会产生纵向多焦点的光强分布；

13、s4、打开超快激光器1使得出射光的功率超过加工阈值，激光光束入射到半波片2和扩束镜3之后进行扩束准直，然后将光束以一定的偏振和入射角入射到所述相位型空间光调制器9上产生衍射；从所述激光调制模组4出射的激光光束，依次经过反射镜5和聚焦场镜6后对样品进行多焦点隐形切割；

14、s5、据设计好的程序，改变所述x振镜11和所述y振镜12的偏转角度，并根据实际情况调整加载在所述相位型空间光调制器9上的全息图，使得激光光束在另一个位置加工；

15、s6、重复以上步骤，当所需加工区域超过所述x振镜11和所述y振镜12的最大扫描范围，利用三维平移台移动样品并重复以上步骤直至样品加工完成。

16、作为优选，为减轻振镜的负载，增加扫描的频率和耐用性，所述相位型空间光调制器9和振幅型空间光调制器10可通过微加工的方法直接集成在振镜表面；在激光加工中，部分能量会被空间光调制器吸收，导致器件温度持续上升，产生相位偏移时，在器件背板添加水冷系统的制冷方法。另外，当超快激光的脉冲峰值能量过高时，在器件背板上添加多层周期结构作为反射镜，提高器件的反射率，降低材料对激光能量的非线性吸收，提高加工系统的功率阈值。当所需加工的范围超过空间光调制器与振镜组成的激光调制模组的扫描范围时，调整工作台的三轴运动模组，使所需加工的区域重新位于激光调制模组的扫描范围之内。

17、与现有技术相比，本发明有益效果如下：

18、本发明利用相位和振幅型空间光调制器对光束的精细调制特性，结合振镜的大角度扫描特性，提出一种超快激光大面积3d精细加工，满足多种加工需求，实现加工模组的小型化和标准化，是一种高效率、普适广泛的激光加工技术。

19、本发明通过空间光调制器与振镜的有效结合，分别利用了空间光调制器对光束的精细调控和振镜的高速大角度扫描，可以实现大面积、多光束激光并行加工，并对激光光束的运动状态进行高精度调制，对激光在样品加工区域的光场分布进行整形，大幅提高了超快激光的加工效率与质量，实现更多激光加工方式。本发明的技术方案可运用于隐形切割，激光打标，激光焊接等多个领域。