[发明专利]材料加工中的激光聚焦控制方法

说明书

发明领域

本发明涉及材料的激光加工，尤其涉及一种材料加工中的激光聚焦控制方法。

背景技术

利用冷激光，例如利用超短脉冲激光器处理诸如脆性材料时不产生热效应，没有热影响区(HAZ)。超短脉冲激光器材料加工与处理有两种方式：材料改性和材料消融(烧蚀)。材料改性是物质局部吸收飞秒激光后折射率发生变化，利用双光子聚合和光化学反应等机理实现精细加工。材料消融(烧蚀)是冷激光烧蚀靶材产生高温高压等离子体。等离子体形成的时间小于将入射脉冲能量传输到周边材料的时间，故不会引起热扩散效应。利用微加工区域的多光子非线性吸收和电离可对任何材料实现无热传递的微细加工。

脆性材料切割的激光技术使用超短脉冲激光器在脆性材料如玻璃和蓝宝石材料中产生所要求的缺陷阵列定义的切割路径，然后利用脆性材料内应力沿切割路径自行释放或利用外界方法产生的裂缝沿切割路径传播而产生脆性材料的分离或分裂。脆性材料切割也可以直接利用激光消融来或激光成丝来实现脆性材料的切割。

现有技术是利用超短脉冲激光器在脆性材料如玻璃和蓝宝石材料中产生所要求的缺陷阵列定义的切割路径，或是直接利用激光消融来或激光成丝来实现脆性材料的切割，这样的切割速度都比较慢。

例如，图1a所示为一个典型的现有技术的激光加工系统。激光器11产生的激光光源通过光学模组12和包括聚焦透镜或扫描聚焦振镜在内的聚焦光学元件13聚焦在加工件14上。图1b所示为现有技术的激光加工的光学聚焦图，如图1b所示，常规聚焦光斑15的尺寸由聚焦光学元件13、入射 光源的大小及波长共同决定。通常的聚焦光学元件13包括聚焦透镜、聚焦透镜组和扫描聚焦振镜。通常的用于激光加工的聚焦光斑的光束束腰直径一般为几个微米到几百个微米，取决于具体应用及光路设计。因此，无论是利用超短脉冲激光器在脆性材料如玻璃和蓝宝石材料中产生所要求的缺陷阵列定义的切割路径，还是直接利用激光消融来或激光成丝来实现脆性材料的切割，切割速度都比较慢。这是因为在缺陷阵列产生区域，或是激光消融或激光成丝区域，必须使用高数值孔径聚焦镜产生的高强度激光聚焦光斑以达到缺陷、消融或成丝所要求的临界强度。对于一定大小的聚焦光斑，高数值孔径的聚焦限制了沿光束传播方向的焦深。焦深和光束束腰的大小直接决定了缺陷、消融或成丝的大小。因此，聚焦镜和/或脆性材料必须沿光束传播方向反复移动或扫描，从而在光束传播方向(即分离或分裂面方向)形成重复的缺陷阵列、激光消融或激光成丝。对于厚度较大的脆性材料的切割，反复移动或扫描的次数越多，这样的方法使得脆性材料切割的操作时间变得很长。对于球面聚焦镜来说，光束束腰随着非球面共焦参数的增加而增加。这表面对于任何球面聚焦镜来说，对于有限的光束束腰，焦深具有基本限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种材料加工中的激光聚焦控制方法。

根据本发明的一个方面，提供一种材料加工中的激光聚焦控制方法，包括：

将一衍射光学元件与聚焦光学元件组合在一起，所述组合能够增加材料加工的有效焦深，而不牺牲所要求的焦点光斑尺寸及光束束腰；

使激光光束从所述衍射光学元件入射，经所述聚焦光学元件聚焦后，照射在加工件上；

使所述激光光束在所述加工件上形成具有有效焦深的光斑或聚焦面。

如上所述的方法，其中，所述衍射光学元件为径向多焦距衍射光学元件，所述方法包括：

将所述径向多焦距衍射光学元件与所述聚焦光学元件组合在一起；

使激光光束从所述径向多焦距衍射光学元件入射，经所述聚焦光学元件聚焦后，照射在加工件上；

使所述激光光束在所述加工件上形成径向多焦距聚焦光斑。

如上所述的方法，其中，进一步将一横向多焦距衍射光学元件与所述径向多焦距衍射光学元件组合在一起，使所述激光光束在所述加工件上形成横向与径向多焦距光斑阵列。

如上所述的方法，其中，进一步将一横向聚焦延长衍射光学元件与所述径向多焦距衍射光学元件组合在一起，使所述激光光束在所述加工件上形成横向聚焦延长与径向多焦距光斑阵列。

如上所述的方法，其中，进一步将一径向色散光学元件与所述径向多焦距衍射光学元件组合在一起，使所述激光光束在所述加工件上形成径向聚焦延长光斑阵列。

如上所述的方法，其中，进一步将一径向色散光学元件与所述径向多焦距衍射光学元件和所述横向聚焦延长衍射光学元件组合在一起，使所述激光光束在所述加工件上形成横向聚焦延长与径向多焦距色散聚焦光斑阵列。