[发明专利]一种薄膜材料去除的激光加工装置和方法

说明书

本发明公开一种薄膜材料去除的激光加工装置，沿着激光光线传播路径，依次设置：激光器、小孔光阑和透镜系统，所述透镜系统包括等效透镜一和透镜二，所述激光器发出的高斯光束经过小孔光阑及透镜系统后形成一个边缘锐利的像，同时所述高斯光束经过小孔光阑后，由于衍射现象而出现边缘不明显的衍射级次，不同的衍射级经过所述透镜系统汇聚叠加后将高斯光束的光斑成像为边缘锐利且平顶形状的光。本发明还公开一种薄膜材料去除的激光加工方法。本发明公开的装置和方法解决了平顶光斑整形技术复杂和薄膜材料应用难的问题。

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体为一种薄膜材料去除的激光加工装置和方法。

背景技术

随着激光技术的发展和激光研究的深入，激光加工应用领域、应用方式也随之扩展，要求也极高。一般的激光器输出为基模，其光束传播方向的横截面光强呈高斯分布，如图1所示，表现为中间强，周边逐渐减弱的分布。因此，利用高斯辐照度分布的激光进行热敏感基材表面薄膜材料选择性去除时，由于中间区域和边缘区域光强大小不同，或出现中间区域预先达到合适的能量密度进行物质加工，而边缘区域能量密度不足，导致边缘易产生熔融现象以及中间区域和边缘区域去除率不同，将产生去除区域的锥度等现象；或出现边缘区域达到合适的能量密度进行物质加工，而中间区域能量密度过高，基材底部将受到强热造成损伤，严重时甚至被击穿的现象。

与具有不均匀的高斯辐照度分布曲线的传统激光束相比，平顶光束具有边缘锐利，光强空间分布均匀等优点，被广泛应用到激光热处理、光的数字化处理、激光材料加工等实际应用中。特别地，平顶光束用于热敏感基材表面薄膜材料选择性去除时，既可避免激光高斯光斑较弱的边缘能量与薄膜材料相互作用时热影响的产生，又因中间区域与边缘区域能量密度相同，避免了基材受损甚至被击穿的风险,提高产品的良率和质量。

基于平顶光束上述优点，近年来先后出现各式各样的方法来实现平顶光束。理论上，可以采用偏心高斯光束叠加，多束高斯光束叠加，复宗量拉盖尔-高斯光束叠加和厄米-高斯光束合成等方法产生和模拟平顶光束。而在实验上，研究者们先后提出用吸收滤光片,微透镜阵列，衍射光学元件，双折射镜组，调制光栅等，非球面镜组等方法得到平顶光束。其中以衍射光学元件为典型代表，其在光束匀化整形方面取得极大进展，如位相片、全息片、二元光学器件等衍射元件均可获得光强分布均匀的光斑。用于光束整形的衍射元件其传统的设计方法有模拟退火法、遗传算法、G-S算法、汉克尔变换代替傅里叶变换式G-S算法等。其中模拟退火法、遗传算法是基于搜索极值的优化算法，鲁棒性强，且因收敛速度极慢，想要获取最优解，通常需要消耗大量的搜索时间。G-S算法虽然收敛速度快，但是由于使用傅里叶变换，计算量大，运算周期长，很难实现快速、准确的设计和结果分析。以汉克尔变换代替傅里叶变换应用于G-S算法的方法虽然可大大提高计算速度，节省运算时间，但是汉克尔变换仅仅适用于旋转对称性质的傅里叶变换，存在一定的局限性。现有专利存在将高斯光束整形为平顶光束的装置和方法，是利用非球面来达到整形的目的，但是缺点是需要3组扩束镜组件，每一个组件的匹配参数需要精细的调节，虽然减小了激光束腰位置的影响但是针对性并不易实现；目前还有一些方法是将光束扩束之后只截取中间部分光束来达到平顶光束的效果，能量利用率极低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种薄膜材料去除的激光加工装置和方法，解决平顶光斑整形技术复杂和薄膜材料应用难的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种薄膜材料去除的激光加工装置，沿着激光光线传播路径，依次设置：激光器、小孔光阑和透镜系统，所述透镜系统包括等效透镜一和透镜二，所述激光器发出的高斯光束经过小孔光阑及透镜系统后形成一个边缘锐利的像，同时所述高斯光束经过小孔光阑后，由于衍射现象而出现边缘不明显的衍射级次，不同的衍射级经过所述透镜系统汇聚叠加后将高斯光束的光斑成像为边缘锐利且平顶形状的光。