[发明专利]一种激光微加工机光学聚焦系统

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造及激光微加工领域，特指一种激光微加工机光学聚焦系统，特别适用于既要求聚焦光斑小，聚焦光斑尺寸不随距离而变化，又要求对工件位置误差的敏感度为零，且无需考虑齐焦问题的加工中。

背景技术

激光加工是激光应用的主要方向之一，由于激光加工热影响区小，光束方向性好，而且能使光斑点聚焦到波长级，可准确地控制加工范围及深度，有较高的重复性和良好的边缘性，可进行选择性加工，精密加工，所以它是机加工中最具竞争力的一种替代手段。激光加工是一门综合技术的应用，涉及光、机、电、材料、计算机及自动控制等学科领域，正在形成高技术范围内多学科相互渗透的一门新型边缘学科。经过多年的研究，已在理论基础和应用工艺两个方面得到了迅速发展。在理论研究方面，激光加工机理已初步形成了较为完善的理论体系，而激光加工工艺亦已形成系列，并已在电子工业和机械制造两个领域得到应用。在电子工业领域，激光加工用于电阻微调、基板划片、打标和半导体处理等方面；在机械制造领域，激光加工已在切割、打孔、焊接、表面处理、切削加工等方面得到应用。

其中的光学系统是激光加工设备的重要组成部分之一，它的特性直接影响激光加工的性能。它的作用是将激光束从激光器的输出窗口引导至加工工件表面，并在加工部位获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度，激光微加工是激光加工最有发展前景的方向。如电子设备及器件的高热流密度的散热冷却一直是广大的科研工作者研究的方向之一，为提高冷却强度，需在冷板上开设微米级宽的微槽道，利用微槽道中高流冷却液的强化换热来达到大幅度提高散热的目的。而激光微加工中的聚焦系统比其它激光加工中的聚焦系统更重要，因此对激光微加工中的聚焦系统进行设计就显得异常重要。

对于由球面透镜组成的光学系统，激光微加工首先要求聚焦光斑小，其次为了防止加工时的溅射物污染透镜，必须有一定的工作距离，为了同时兼顾小的聚焦光斑和长工作距离的要求，激光微加工中通常采用发散-会聚系统和扩束-会聚系统作为聚焦系统。通常情况下要满足加工要求，不仅须将光束聚焦成直径为0.02mm的光斑，对工件的位置也有一定的要求。若要求加工的相对误差不超过5％，则工件距离激光高斯光束束腰须小于0.1mm，这样的距离对机械调整来说是相当苛刻的。另外，由于被加工工件存在表面起伏误差，要加工满足误差要求的微槽，必须配备一套性能优良的激光焦点位置自动控制系统用以自动检测并实时跟踪激光聚焦束腰的位置和工件之间的距离，使其在开槽加工中随工件的起伏始终小于误差，这样的控制系统必须是一个随动系统，而且要具有较高的精度和快速响应，该系统难以实现。即使可以实现，相应的费用将相当昂贵。要解决这一问题，必须使光学系统同时具有小的聚焦焦点和大的焦深。由物理光学可知，传统的球面透镜无法实现这一目标，只能通过适当的光路设计获得无衍射光束来实现这一目标。

Rochester大学的Durnin等人应用常规光学元件，在半径为R(R＝3.5mm)的正透镜(焦距f＝305mm)的前焦平面上放置一个平均中心直径d＝2.5mm，宽度Δd＝10μm的环状狭缝光阑，获得了无衍射距离为85cm的无衍射光束，但这种装置系统因为入射光能量的绝大部分被窄环光阑挡住丢失，其能量利用率太低，已被淘汰了。Herman等人提出采用旋转棱镜生成无衍射光束，结构简单，能量利用率高，能量转换效高，这也是目前激光微加工机主要采用的聚焦系统，但这种光学系统的不足之处在于对于确定的旋转棱镜，它所产生的无衍射光束的参数是确定的，其聚焦光斑的尺寸也是确定的，因而加工适应性差，同时由于误差的存在，这种系统实际产生无衍射光束的光斑事先确定，因而要获得满足加工要求所需的光斑，不可能一次设计加工出满足要求的旋转棱镜，需更换旋转棱镜，而非球面的光学元件加工精度要求高，价格昂贵，因此该系统仍然存在诸多不足。

发明内容

本发明的目的是要克服上述缺点，提供一种激光微加工机光学聚焦系统设计的方法，在尽量减少成本的基础上，获得不同光斑尺寸的无衍射光束，以适应不同的加工要求。