專利名稱：基于激光光束的微孔加工裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于激光光束的微孔加工裝置及方法。
背景技術(shù)：
在一些精密光機(jī)電系統(tǒng)上，需要加工孔徑小且深徑比大的微孔，微孔孔徑在亞毫米量級(jí)，深徑比大于10?，F(xiàn)有技術(shù)中的微孔加工方法(如機(jī)械鉆孔、電火花打孔、電化學(xué)打孔等方法)都無法高質(zhì)量加工這類微孔，因此非常迫切需要開發(fā)一種小孔徑且大深徑比的微孔加工技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光光束的微孔加工裝置及方法，實(shí)現(xiàn)小孔徑且大深徑比的微孔加工，同時(shí)提高微孔的切割速度和效率。本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于激光光束的微孔加工裝置，包括徑向偏振光束生成單兀，用于將激光光束轉(zhuǎn)換為徑向偏振光束,并將所述徑向偏振光束發(fā)射至衍射光學(xué)元件；所述衍射光學(xué)元件，用于調(diào)制所述徑向偏振光束的振幅和相位，并將調(diào)制后的所述徑向偏振光束發(fā)射至聚焦透鏡；所述聚焦透鏡，用于將調(diào)制后的所述徑向偏振光束進(jìn)行聚焦，在所述聚焦透鏡的焦點(diǎn)附近獲取所述徑向偏振光束的聚焦場(chǎng)，所述聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布由所述衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)和所述聚焦透鏡的數(shù)值孔徑確定，通過控制所述聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布對(duì)待加工的材料進(jìn)行微孔加工。本發(fā)明實(shí)施例還提供一種基于激光光束的微孔加工方法，包括通過徑向偏振光束生成單兀將激光光束轉(zhuǎn)換為徑向偏振光束；通過所述衍射光學(xué)元件調(diào)制所述徑向偏振光束的振幅和相位；通過所述聚焦透鏡將調(diào)制后的所述徑向偏振光束進(jìn)行聚焦，在所述聚焦透鏡的焦點(diǎn)附近獲取所述徑向偏振光束的聚焦場(chǎng)，所述聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布由所述衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)和所述聚焦透鏡的數(shù)值孔徑確定；通過控制所述聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布對(duì)微孔進(jìn)行加工。本發(fā)明提供的基于激光光束的微孔加工裝置及方法，通過調(diào)控衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)和聚焦透鏡的數(shù)值孔徑可以調(diào)控光束聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布，因此可以根據(jù)微孔的深度和孔徑設(shè)置合適的聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布，并且由于從徑向偏振光束可以獲得長(zhǎng)焦深超小的聚焦光斑，且聚焦光場(chǎng)具有柱對(duì)稱偏振分布，因此通過控制聚焦光斑即可靈活地控制微孔的切割深度與寬度的比值，同時(shí)提高了微孔的切割速度和效率。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發(fā)明實(shí)施例所使用的徑向偏振光束在橫截面上的偏振分布示意圖；圖2為本發(fā)明基于激光光束的微孔加工裝置一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明基于激光光束的微孔加工裝置又一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明基于激光光束的微孔加工裝置再一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為根據(jù)圖4所示實(shí)施例中的衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為根據(jù)圖4所示實(shí)施例一個(gè)透過率函數(shù)的聚焦整形后的光場(chǎng)強(qiáng)度分布的示意圖；圖7為根據(jù)圖4所示實(shí)施例又一個(gè)透過率函數(shù)的聚焦整形后的光場(chǎng)強(qiáng)度分布的示意圖；圖8為根據(jù)圖4所示實(shí)施例再一個(gè)透過率函數(shù)的聚焦整形后的光場(chǎng)強(qiáng)度分布的示意圖；圖9為本發(fā)明基于激光光束的微孔加工方法一個(gè)實(shí)施例的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。圖I為本發(fā)明實(shí)施例所使用的徑向偏振光束在橫截面上的偏振分布示意圖；如圖I所示，在光束橫截面上，徑向偏振光束的任意一點(diǎn)(中心點(diǎn)除外)的偏振態(tài)都為線偏振，而且徑向偏振光束的電場(chǎng)矢量沿半徑方向；徑向偏振光束是目前應(yīng)用最為廣泛的一種矢量光束，現(xiàn)有技術(shù)中有很多方法生成徑向偏振光束，例如在激光腔內(nèi)加入特定的光學(xué)元件調(diào)制振蕩模式輸出徑向偏振光束，利用干涉儀通過模式疊加生成，以及在激光腔外通過某些偏振轉(zhuǎn)換器件將空間均勻的線偏振光或圓偏振光轉(zhuǎn)換為徑向偏振光。徑向偏振光束在高數(shù)值孔徑聚焦的情況下，可以得到一圓對(duì)稱的超小聚焦光斑，除了橫向分量，還產(chǎn)生了一個(gè)較強(qiáng)的軸向光場(chǎng)分量；進(jìn)一步地，聚焦場(chǎng)的偏振分布依然關(guān)于光束的傳播軸柱對(duì)稱分布。通過調(diào)控聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布，可以獲得多種獨(dú)特的光場(chǎng)分布。圖2為本發(fā)明基于激光光束的微孔加工裝置一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例包括徑向偏振光束生成單元21、衍射光學(xué)元件22、聚焦透鏡23、待加工的材料20。具體地,徑向偏振光束生成單7Π 21將激光光束轉(zhuǎn)換為徑向偏振光束,并將徑向偏振光束發(fā)射至衍射光學(xué)元件22 ;衍射光學(xué)元件(Diffractivc Optical Element,簡(jiǎn)稱為DOE) 22調(diào)制該徑向偏振光束的振幅和相位，并將調(diào)制后的徑向偏振光束發(fā)射至聚焦透鏡 23 ;聚焦透鏡23將調(diào)制后的徑向偏振光束進(jìn)行聚焦，在聚焦透鏡23的焦點(diǎn)附近獲取徑向偏振光束的聚焦場(chǎng)，聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布由衍射光學(xué)元件22的結(jié)構(gòu)和聚焦透鏡23的數(shù)值孔徑確定，通過控制聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布對(duì)待加工的材料20進(jìn)行微孔加工。
本發(fā)明實(shí)施例提供的基于激光光束的微孔加工裝置，通過調(diào)控衍射光學(xué)元件22的結(jié)構(gòu)和聚焦透鏡23的數(shù)值孔徑可以調(diào)控光束聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布，因此可以根據(jù)微孔的深度和孔徑設(shè)置合適的聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布，并且由于從徑向偏振光束可以獲得長(zhǎng)焦深超小的聚焦光斑，且聚焦光場(chǎng)具有柱對(duì)稱偏振分布，因此通過控制聚焦光斑即可靈活地控制微孔的切割深度與寬度的比值，同時(shí)提高了待加工的材料20的切割速度和效率。
圖3為本發(fā)明基于激光光束的微孔加工裝置又一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例中的徑向偏振光束生成單元31具體包括腔內(nèi)設(shè)置有設(shè)定的光學(xué)元件的激光器311、空間濾波系統(tǒng)312、準(zhǔn)直透鏡313、可調(diào)衰減片315 ;在徑向偏振光束生成單元31與衍射光學(xué)元件32之間還設(shè)置有擴(kuò)束系統(tǒng)34。具體地，腔內(nèi)設(shè)置有設(shè)定的光學(xué)元件的激光器311利用光學(xué)元件調(diào)制腔內(nèi)振蕩模式使激光器311輸出徑向偏振光,激光器311將該徑向偏振光束發(fā)射至空間濾波系統(tǒng)312 ；空間濾波系統(tǒng)312對(duì)該徑向偏振光束進(jìn)行濾波，并將濾波后的徑向偏振光束發(fā)射至準(zhǔn)直透鏡313 ;準(zhǔn)直透鏡313對(duì)濾波后的徑向偏振光束進(jìn)行準(zhǔn)直，形成準(zhǔn)直的徑向偏振光束，并將該準(zhǔn)直的徑向偏振光束發(fā)射至可調(diào)衰減片315，可調(diào)衰減片315可以調(diào)節(jié)該徑向偏振光束的強(qiáng)度，之后可調(diào)裳減片315將該徑向偏振光束發(fā)射至擴(kuò)束系統(tǒng)34,該擴(kuò)束系統(tǒng)34調(diào)整徑向偏振光束的光斑尺寸，并將調(diào)整后的徑向偏振光束發(fā)射至衍射光學(xué)兀件32。衍射光學(xué)元件32調(diào)制該徑向偏振光束的振幅和相位，并將調(diào)制后的徑向偏振光束發(fā)射至聚焦透鏡33 ;聚焦透鏡33將調(diào)制后的徑向偏振光束進(jìn)行聚焦，在聚焦透鏡33的焦點(diǎn)附近獲取徑向偏振光束的聚焦場(chǎng)，聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布由衍射光學(xué)元件32的結(jié)構(gòu)和聚焦透鏡33的數(shù)值孔徑確定，通過控制聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布對(duì)待加工的材料30進(jìn)行微孔加工。本發(fā)明實(shí)施例提供的基于激光光束的微孔加工裝置，通過調(diào)控衍射光學(xué)元件32的結(jié)構(gòu)和聚焦透鏡33的數(shù)值孔徑可以調(diào)控光束聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布，因此可以根據(jù)微孔的深度和孔徑設(shè)置合適的聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布，并且由于從徑向偏振光束可以獲得長(zhǎng)焦深超小的聚焦光斑，且聚焦光場(chǎng)具有柱對(duì)稱偏振分布，因此通過控制聚焦光斑即可靈活地控制微孔的切割深度與寬度的比值，同時(shí)提高了待加工的材料30的切割速度和效率。進(jìn)一步地，在上述圖3所示實(shí)施例中，設(shè)定的光學(xué)元件具體可以為雙折射晶體或者角錐棱鏡；通過在激光器311內(nèi)設(shè)置特定的光學(xué)元件，可以使激光光束在激光器311的激光腔內(nèi)以特定的偏振模式振蕩，從而使激光養(yǎng)311輸出的光束為徑向偏振光束。進(jìn)一步地，在上述圖3所示實(shí)施例中，空間濾波系統(tǒng)312具體可以包括顯微物鏡和針孔。圖4為本發(fā)明基于激光光束的微孔加工裝置再一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)不意圖；如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例中的徑向偏振光束生成單元41具體包括激光器411、空間濾波系統(tǒng)412、準(zhǔn)直透鏡413、偏振轉(zhuǎn)換器414、可調(diào)衰減片415 ;在徑向偏振光束生成單元41與衍射光學(xué)元件42之間還設(shè)置有擴(kuò)束系統(tǒng)44。具體地，激光器411生成激光光束，并將該激光光束發(fā)射至空間濾波系統(tǒng)412 ;空間濾波系統(tǒng)412對(duì)該激光光束進(jìn)行濾波，并將濾波后的激光光束發(fā)射至準(zhǔn)直透鏡413 ;準(zhǔn)直透鏡413對(duì)濾波后的激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直，形成強(qiáng)度均勻的準(zhǔn)直光束，并將該準(zhǔn)直光束發(fā)射至偏振轉(zhuǎn)換器414 ;偏振轉(zhuǎn)換器414于將該準(zhǔn)直光束轉(zhuǎn)換為徑向偏振光束,并將該徑向偏振光束發(fā)射至擴(kuò)束系統(tǒng)44,該擴(kuò)束系統(tǒng)44可以調(diào)整徑向偏振光束的光斑尺寸，并將調(diào)整后的徑向偏振光束發(fā)射至可調(diào)衰減片415，可調(diào)衰減片415可以調(diào)節(jié)該徑向偏振光束的強(qiáng)度，之后可調(diào)衰減片415將該徑向偏振光束發(fā)射至衍射光學(xué)元件42。衍射光學(xué)元件42調(diào)制該徑向偏振光束的振幅和相位，并將調(diào)制后的徑向偏振光束發(fā)射至聚焦透鏡43 ;聚焦透鏡43將調(diào)制后的徑向偏振光束進(jìn)行聚焦，在聚焦透鏡43的焦點(diǎn)附近獲取徑向偏振光束的聚焦場(chǎng)，聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布由衍射光學(xué)元件42的結(jié)構(gòu)和聚焦透鏡43的數(shù)值孔徑確定，通過控制聚焦、場(chǎng)的強(qiáng)度分布對(duì)待加工的材料40進(jìn)行微孔加工。本發(fā)明實(shí)施例提供的基于激光光束的微孔加工裝置，通過調(diào)控衍射光學(xué)元件42的結(jié)構(gòu)和聚焦透鏡43的數(shù)值孔徑可以調(diào)控光束聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布，因此可以根據(jù)微孔的深度和孔徑設(shè)置合適的聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布，并且由于從徑向偏振光束可以獲得長(zhǎng)焦深超小的聚焦光斑，且聚焦光場(chǎng)具有柱對(duì)稱偏振分布，因此通過控制聚焦光斑即可靈活地控制微孔的切割深度與寬度的比值，同時(shí)提高了待加工的材料40的切割速度和效率。為了更清楚的說明圖4所示實(shí)施例的技術(shù)方案，下面結(jié)合圖5 圖8對(duì)圖4所示實(shí)施例進(jìn)行示例性說明；圖5為根據(jù)圖4所示實(shí)施例中的衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6為根據(jù)圖4所示實(shí)施例一個(gè)透過率函數(shù)的聚焦整形后的光場(chǎng)強(qiáng)度分布的示意圖，圖7為根據(jù)圖4所示實(shí)施例又一個(gè)透過率函數(shù)的聚焦整形后的光場(chǎng)強(qiáng)度分布的示意圖，圖8為根據(jù)圖4所示實(shí)施例再一個(gè)透過率函數(shù)的聚焦整形后的光場(chǎng)強(qiáng)度分布的示意圖。圖5為根據(jù)圖4所示實(shí)施例中的衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖5所示，本發(fā)明實(shí)施例中的DOE具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的多環(huán)帶結(jié)構(gòu),環(huán)帶的半徑分別為1^、r2> r3、. . .、rN_j及rN,
在聚焦系統(tǒng)中這些環(huán)帶外邊沿對(duì)應(yīng)的光束會(huì)聚角分別為QpQye3.....^吣及eN。若
DOE的復(fù)振幅透過率如等式(I)所示
權(quán)利要求
1.一種基于激光光束的微孔加工裝置，其特征在于，所述裝置包括 徑向偏振光束生成單兀，用于將激光光束轉(zhuǎn)換為徑向偏振光束，并將所述徑向偏振光束發(fā)射至衍射光學(xué)元件； 所述衍射光學(xué)元件，用于調(diào)制所述徑向偏振光束的振幅和相位，并將調(diào)制后的所述徑向偏振光束發(fā)射至聚焦透鏡； 所述聚焦透鏡，用于將調(diào)制后的所述徑向偏振光束進(jìn)行聚焦，在所述聚焦透鏡的焦點(diǎn)附近獲取所述徑向偏振光束的聚焦場(chǎng)，所述聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布由所述衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)和所述聚焦透鏡的數(shù)值孔徑確定，通過控制所述聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布對(duì)待加工的材料進(jìn)行微孔加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述徑向偏振光束生成單元包括 激光器，用于生成激光光束，并將所述激光光束發(fā)射至空間濾波系統(tǒng)； 所述空間濾波系統(tǒng)，用于對(duì)所述激光光束進(jìn)行濾波，并將濾波后的所述激光光束發(fā)射至準(zhǔn)直透鏡； 所述準(zhǔn)直透鏡，用于對(duì)濾波后的所述激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直，形成強(qiáng)度均勻的準(zhǔn)直光束，并將所述準(zhǔn)直光束發(fā)射至偏振轉(zhuǎn)換器； 所述偏振轉(zhuǎn)換器，用于將所述準(zhǔn)直光束轉(zhuǎn)換為徑向偏振光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述徑向偏振光束生成單元包括 腔內(nèi)設(shè)置有設(shè)定的光學(xué)元件的激光器，通過所述光學(xué)元件調(diào)制所述腔內(nèi)的振蕩模式使所述激光器輸出徑向偏振光束； 所述空間濾波系統(tǒng)，用于對(duì)所述徑向偏振光束進(jìn)行濾波，并將濾波后的所述徑向偏振光束發(fā)射至準(zhǔn)直透鏡； 所述準(zhǔn)直透鏡，用于對(duì)濾波后的所述徑向偏振光束進(jìn)行準(zhǔn)直，形成準(zhǔn)直的徑向偏振光束，并將所述準(zhǔn)直的徑向偏振光束發(fā)射至可調(diào)衰減片； 所述可調(diào)衰減片，用于調(diào)節(jié)所述徑向偏振光束的強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述設(shè)定的光學(xué)元件為雙折射晶體或者角錐棱鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4任一所述的裝置，其特征在于，所述衍射光學(xué)元件為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的多環(huán)帶結(jié)構(gòu)，所述衍射光學(xué)元件的最大半徑由所述聚焦透鏡的數(shù)值孔徑確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求I 4任一所述的裝置，其特征在于，所述徑向偏振光束生成單元與所述衍射光學(xué)元件之間還設(shè)置有擴(kuò)束系統(tǒng)，所述擴(kuò)束系統(tǒng)用于調(diào)整所述徑向偏振光束的光斑尺寸。
7.一種基于激光光束的微孔加工方法，其特征在于，所述方法包括 通過徑向偏振光束生成單7Π將激光光束轉(zhuǎn)換為徑向偏振光束； 通過所述衍射光學(xué)元件調(diào)制所述徑向偏振光束的振幅和相位； 通過所述聚焦透鏡將調(diào)制后的所述徑向偏振光束進(jìn)行聚焦，在所述聚焦透鏡的焦點(diǎn)附近獲取所述徑向偏振光束的聚焦場(chǎng)，所述聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布由所述衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)和所述聚焦透鏡的數(shù)值孔徑確定； 通過控制所述聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布對(duì)待加工的材料進(jìn)行微孔加工。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述通過徑向偏振光束生成單元將激光光束轉(zhuǎn)換為徑向偏振光束的步驟與所述通過所述衍射光學(xué)元件調(diào)制所述徑向偏振光束的振幅和相位的步驟之間，還包括 通過擴(kuò)束系統(tǒng)調(diào)整所述徑向偏振光束的光斑尺寸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于激光光束的微孔加工裝置及方法，該裝置包括徑向偏振光束生成單元，用于將激光光束轉(zhuǎn)換為徑向偏振光束，并將所述徑向偏振光束發(fā)射至衍射光學(xué)元件；所述衍射光學(xué)元件，用于調(diào)制所述徑向偏振光束的振幅和相位，并將調(diào)制后的所述徑向偏振光束發(fā)射至聚焦透鏡；所述聚焦透鏡，用于將調(diào)制后的所述徑向偏振光束進(jìn)行聚焦，在所述聚焦透鏡的焦點(diǎn)附近獲取所述徑向偏振光束的聚焦場(chǎng)，所述聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布由所述衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)和所述聚焦透鏡的數(shù)值孔徑確定，通過控制所述聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度分布對(duì)待加工的材料進(jìn)行微孔加工。本發(fā)明實(shí)施例可加工大深徑比的微孔且提高了微孔的切割速度和效率。
文檔編號(hào)B23K26/06GK102642092SQ20121010733
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者周哲海, 張曉青, 杜富榮, 王曉玲, 祝連慶 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)