本發(fā)明涉及材料的激光加工，尤其涉及一種材料加工中的激光聚焦控制方法。

背景技術：

利用冷激光，例如利用超短脈沖激光器處理諸如脆性材料時不產(chǎn)生熱效應，沒有熱影響區(qū)(HAZ)。超短脈沖激光器材料加工與處理有兩種方式：材料改性和材料消融(燒蝕)。材料改性是物質(zhì)局部吸收飛秒激光后折射率發(fā)生變化，利用雙光子聚合和光化學反應等機理實現(xiàn)精細加工。材料消融(燒蝕)是冷激光燒蝕靶材產(chǎn)生高溫高壓等離子體。等離子體形成的時間小于將入射脈沖能量傳輸?shù)街苓叢牧系臅r間，故不會引起熱擴散效應。利用微加工區(qū)域的多光子非線性吸收和電離可對任何材料實現(xiàn)無熱傳遞的微細加工。

脆性材料切割的激光技術使用超短脈沖激光器在脆性材料如玻璃和藍寶石材料中產(chǎn)生所要求的缺陷陣列定義的切割路徑，然后利用脆性材料內(nèi)應力沿切割路徑自行釋放或利用外界方法產(chǎn)生的裂縫沿切割路徑傳播而產(chǎn)生脆性材料的分離或分裂。脆性材料切割也可以直接利用激光消融來或激光成絲來實現(xiàn)脆性材料的切割。

現(xiàn)有技術是利用超短脈沖激光器在脆性材料如玻璃和藍寶石材料中產(chǎn)生所要求的缺陷陣列定義的切割路徑，或是直接利用激光消融來或激光成絲來實現(xiàn)脆性材料的切割，這樣的切割速度都比較慢。

例如，圖1a所示為一個典型的現(xiàn)有技術的激光加工系統(tǒng)。激光器11產(chǎn)生的激光光源通過光學模組12和包括聚焦透鏡或掃描聚焦振鏡在內(nèi)的聚焦光學元件13聚焦在加工件14上。圖1b所示為現(xiàn)有技術的激光加工的光學聚焦圖，如圖1b所示，常規(guī)聚焦光斑15的尺寸由聚焦光學元件13、入射 光源的大小及波長共同決定。通常的聚焦光學元件13包括聚焦透鏡、聚焦透鏡組和掃描聚焦振鏡。通常的用于激光加工的聚焦光斑的光束束腰直徑一般為幾個微米到幾百個微米，取決于具體應用及光路設計。因此，無論是利用超短脈沖激光器在脆性材料如玻璃和藍寶石材料中產(chǎn)生所要求的缺陷陣列定義的切割路徑，還是直接利用激光消融來或激光成絲來實現(xiàn)脆性材料的切割，切割速度都比較慢。這是因為在缺陷陣列產(chǎn)生區(qū)域，或是激光消融或激光成絲區(qū)域，必須使用高數(shù)值孔徑聚焦鏡產(chǎn)生的高強度激光聚焦光斑以達到缺陷、消融或成絲所要求的臨界強度。對于一定大小的聚焦光斑，高數(shù)值孔徑的聚焦限制了沿光束傳播方向的焦深。焦深和光束束腰的大小直接決定了缺陷、消融或成絲的大小。因此，聚焦鏡和/或脆性材料必須沿光束傳播方向反復移動或掃描，從而在光束傳播方向(即分離或分裂面方向)形成重復的缺陷陣列、激光消融或激光成絲。對于厚度較大的脆性材料的切割，反復移動或掃描的次數(shù)越多，這樣的方法使得脆性材料切割的操作時間變得很長。對于球面聚焦鏡來說，光束束腰隨著非球面共焦參數(shù)的增加而增加。這表面對于任何球面聚焦鏡來說，對于有限的光束束腰，焦深具有基本限制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種材料加工中的激光聚焦控制方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種材料加工中的激光聚焦控制方法，包括：

將一衍射光學元件與聚焦光學元件組合在一起，所述組合能夠增加材料加工的有效焦深，而不犧牲所要求的焦點光斑尺寸及光束束腰；

使激光光束從所述衍射光學元件入射，經(jīng)所述聚焦光學元件聚焦后，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，所述衍射光學元件為徑向多焦距衍射光學元件，所述方法包括：

將所述徑向多焦距衍射光學元件與所述聚焦光學元件組合在一起；

使激光光束從所述徑向多焦距衍射光學元件入射，經(jīng)所述聚焦光學元件聚焦后，照射在加工件上；

使所述激光光束在所述加工件上形成徑向多焦距聚焦光斑。

如上所述的方法，其中，進一步將一橫向多焦距衍射光學元件與所述徑向多焦距衍射光學元件組合在一起，使所述激光光束在所述加工件上形成橫向與徑向多焦距光斑陣列。

如上所述的方法，其中，進一步將一橫向聚焦延長衍射光學元件與所述徑向多焦距衍射光學元件組合在一起，使所述激光光束在所述加工件上形成橫向聚焦延長與徑向多焦距光斑陣列。

如上所述的方法，其中，進一步將一徑向色散光學元件與所述徑向多焦距衍射光學元件組合在一起，使所述激光光束在所述加工件上形成徑向聚焦延長光斑陣列。

如上所述的方法，其中，進一步將一徑向色散光學元件與所述徑向多焦距衍射光學元件和所述橫向聚焦延長衍射光學元件組合在一起，使所述激光光束在所述加工件上形成橫向聚焦延長與徑向多焦距色散聚焦光斑陣列。

如上所述的方法，其中，所述衍射光學元件為徑向聚焦延長衍射光學元件，所述方法包括：

將所述徑向聚焦延長衍射光學元件與所述聚焦光學元件組合在一起；

使激光光束從所述徑向聚焦延長衍射光學元件入射，經(jīng)所述聚焦光學元件聚焦后，照射在加工件上；

使所述激光光束在所述加工件上形成徑向延長聚焦光斑。

如上所述的方法，其中，進一步將一橫向多焦距衍射光學元件與所述徑向聚焦延長衍射光學元件組合在一起，使所述激光光束在所述加工件上形成徑向聚焦延長與橫向多焦距光斑陣列。

如上所述的方法，其中，進一步將一橫向聚焦延長衍射光學元件與所述徑向聚焦延長衍射光學元件組合在一起，使所述激光光束在所述加工件上形成橫向聚焦延長與徑向聚焦延長聚焦面。

如上所述的方法，其中，進一步將一徑向色散光學元件與所述橫向聚焦延長衍射光學元件和所述徑向聚焦延長衍射光學元件組合在一起，使所述激光光束在所述加工件上形成橫徑向聚焦延長色散聚焦面。

如上所述的方法，其中，所述衍射光學元件為橫向多焦距衍射光學元件，所述方法包括：

將所述橫向多焦距衍射光學元件與所述聚焦光學元件組合在一起；

使激光光束從所述橫向多焦距衍射光學元件入射，經(jīng)所述聚焦光學元件聚焦后，照射在加工件上；

使所述激光光束在所述加工件上形成橫向多聚焦光斑。

如上所述的方法，其中，進一步將一徑向多焦距衍射光學元件和一徑向色散光學元件與所述橫向多焦距衍射光學元件組合在一起，使所述激光光束在所述加工件上形成橫向多焦距徑向多焦距色散聚焦陣列。

如上所述的方法，其中，所述衍射光學元件為橫向聚焦延長衍射光學元件，所述方法包括：

將所述橫向聚焦延長衍射光學元件與所述聚焦光學元件組合在一起；

使激光光束從所述橫向聚焦延長衍射光學元件入射，經(jīng)所述聚焦光學元件聚焦后，照射在加工件上；

使所述激光光束在所述加工件上形成橫向延長聚焦光斑。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種材料加工中的激光聚焦控制方法，包括：

將一徑向色散光學元件與聚焦光學元件組合在一起，所述組合能夠增加材料加工的有效焦深，而不犧牲所要求的焦點光斑尺寸及光束束腰；

使激光光束從所述聚焦光學元件入射，經(jīng)所述徑向色散光學元件增加徑向焦距后照射在加工件上；

使所述激光光束在所述加工件上形成徑向延長聚焦的色散聚焦光斑。

如上所述的方法，其中，還可以采用激光成絲技術，在所述加工件上形成一個激光成絲陣列。

根據(jù)本發(fā)明描述的提高材料(包括金屬、半導體、陶瓷和脆性材料)加 工速度的激光聚焦控制的方法，基于通過增加有效焦深而不犧牲所要求的焦點光斑尺寸或光束束腰來實現(xiàn)提高諸如脆性材料加工速度。這可以通過衍射光學元件來實現(xiàn)，也可以通過色散光學元件來實現(xiàn)。同時該方法提出了引進空間焦距陣列的方法更進一步提高諸如脆性材料加工速度。

以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的材料加工中的激光聚焦控制方法進行詳細的描述。本發(fā)明的其它的目的、優(yōu)點和效果在以下結合附圖和實施例的描述中將變得更加清楚和明了。

附圖說明

圖1a所示為一個典型的現(xiàn)有技術的激光加工系統(tǒng)。

圖1b所示為現(xiàn)有技術的激光加工的光學聚焦圖。

圖2至圖14分別是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。

圖15是表示在本發(fā)明的實施例中可以采用激光成絲技術來實現(xiàn)脆性材料的切割的示意圖。

圖16是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。

具體實施方式

根據(jù)以下本發(fā)明具體描述的提高材料(包括金屬、半導體、陶瓷和脆性材料)加工速度的激光聚焦控制的方法，基于通過增加有效焦深而不犧牲所要求的焦點光斑尺寸或光束束腰來實現(xiàn)提高諸如脆性材料的加工速度，這可以通過衍射光學元件來實現(xiàn)，也可以通過色散光學元件來實現(xiàn)。例如，通過衍射光學元件實現(xiàn)的方案是將一衍射光學元件與聚焦光學元件組合在一起，所述組合能夠增加材料加工的有效焦深，而不犧牲所要求的焦點光斑尺寸及光束束腰；使激光光束從所述衍射光學元件入射，經(jīng)所述聚焦光學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。

圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖2，該方法采用一種徑向多焦距衍射光學元件可以實現(xiàn)徑向多焦距(這里的“徑向”通常指沿激光束傳輸?shù)姆较蚧蚬饴分鬏S的方向)。當該徑向多焦距衍射光學元件21與常規(guī)的聚焦光學元件23組合時形成徑向多焦距聚焦光斑25，這些徑向焦距彼此復制并且基本等間距。利用這些徑向多焦距增加有效焦深而不犧牲所要求的焦點光束束腰尺寸來實現(xiàn)提高脆性材料加工速度。相對于傳統(tǒng)的單焦距光學系統(tǒng)，徑向多焦距衍射光學元件21可以實現(xiàn)徑向多焦距數(shù)目：例如2到10(圖示為5)。

圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖3，該方法采用一種徑向聚焦延長衍射光學元件可以實現(xiàn)徑向距焦延長，當所述徑向聚焦延長衍射光學元件31與常規(guī)的聚焦光學元件33組合時形成徑向延長聚焦光斑35。這個徑向延長聚焦不犧牲所要求的橫向焦點光束束腰尺寸，從而實現(xiàn)提高脆性材料加工速度。相對于傳統(tǒng)的單焦距光學系統(tǒng)，徑向聚焦延長衍射光學元件可以實現(xiàn)徑向瑞利長度(Rayleigh range)增加。

圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖4，該方法采用一種橫向多焦距衍射光學元件可以實現(xiàn)橫向多焦距(這里的“橫向”通常指沿與激光束傳輸方向垂直的方向)，當所述橫向多焦距衍射光學元件41與常規(guī)的聚焦光學元件43組合時形成橫向多焦距聚焦光斑45，這些橫向焦距彼此復制并且基本等間距。這些橫向多焦距增加有效焦深而不犧牲所要求的徑向焦點光束束腰尺寸來提高材料(包括金屬、半導體、陶瓷和脆性材料)的加工速度。

圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖5，該方法采用一種橫向聚焦延長衍射光學元件可以實現(xiàn)橫向聚焦延長，當所述橫向聚焦延長衍射光學元件51與常規(guī)的聚焦光學元件53組合時形成橫向延長聚焦光斑55。這個橫向延長聚焦不犧牲所要求的徑向焦點光束束腰尺寸，從而實現(xiàn)提高材料(包括金屬、半導體、陶瓷和脆性材料)加工速度。

圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖6，該方法采用一種橫向多焦距衍射光學元件與徑向多焦距衍射光學元件組合61可以實現(xiàn)橫向與徑向多焦距光斑陣列，其中，橫向多焦距衍射光學元件與徑向多焦距衍射光學元件在光路中可以序列(不分次序)，也可以將橫向多焦距衍射光學元件與徑向多焦距衍射光學元件例如集成在一塊襯底上。當其與常規(guī)的聚焦光學元件63組合時形成橫向與徑向多焦距光斑陣列65。這個橫向與徑向多焦距光斑陣列不犧牲所要求的徑向焦點光束束腰尺寸，從而實現(xiàn)提高脆性材料加工速度。

圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖7，該方法采用一種橫向聚焦延長衍射光學元件與徑向多焦距衍射光學元件組合71可以實現(xiàn)橫向聚焦延長與徑向多焦距光斑陣列，其中，橫向聚焦延長衍射光學元件與徑向多焦距衍射光學元件在光路中可以序列(不分次序)，也可以將橫向聚焦延長衍射光學元件與徑向多焦距衍射光學元件例如集成在一塊襯底上。當其與常規(guī)的聚焦光學元件73組合時形成橫向聚焦延長與徑向多焦距光斑陣列75。這個橫向聚焦延長與徑向多焦距光斑陣列不犧牲所要求的徑向焦點光束束腰尺寸，從而實現(xiàn)提高脆性材料加工速度。

圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖8，該方法采用一種徑向聚焦延長衍射光學元件與橫向多焦距衍射光學元件組合81可以實現(xiàn)徑向聚焦延長與橫向多焦距光斑陣列85。徑向聚焦延長衍射光學元件與橫向多焦距衍射光學元件在光路中可以序列(不分次序)，也可以將徑向聚焦延長衍射光學元件與橫向多焦距衍射光學元件例如集成在一塊襯底上。當其與常規(guī)的聚焦光學元件83組合時形成徑向聚焦延長與橫向多焦距光斑陣列85。這個徑向聚焦延長與橫向多焦距光斑陣列不犧牲所要求的橫向焦點光束束腰尺寸，從而實現(xiàn)提高脆性材料加工速度。

圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖9，該方法采用一種橫向聚焦延長衍射光學元件與徑向 聚焦延長衍射光學元件組合91可以實現(xiàn)橫向聚焦延長與徑向聚焦延長聚焦面。其中，橫向聚焦延長衍射光學元件與徑向聚焦延長衍射光學元件在光路中可以序列(不分次序)，也可以將橫向聚焦延長衍射光學元件與徑向聚焦延長衍射光學元件例如集成在一塊襯底上。當其與常規(guī)的聚焦光學元件93組合時形成橫向聚焦延長與徑向聚焦延長聚焦面95。這個橫向聚焦延長與徑向聚焦延長聚焦面可以實現(xiàn)提高脆性材料加工速度。

此外，通過徑向色散光學元件實現(xiàn)徑向焦距延長的方案是將一徑向色散光學元件與聚焦光學元件組合在一起，所述組合能夠增加材料加工的有效焦深，而不犧牲所要求的焦點光斑尺寸及光束束腰；使激光光束從所述聚焦光學元件入射，經(jīng)所述徑向色散光學元件增加徑向焦距后照射在加工件上；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。。

圖10是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖10，例如通過調(diào)節(jié)球形色散(像差)來增加徑向焦距。這個色散光學元件101可以是具有一定厚度的透明材料，色散光學元件101例如可以位于聚焦光學元件103的后方，當其與常規(guī)的聚焦光學元件103組合時形成徑向延長的色散聚焦光斑105。這個徑向延長聚焦不犧牲所要求的橫向焦點光束束腰尺寸，從而實現(xiàn)提高脆性材料加工速度。

圖11是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖11，將一種徑向多焦距衍射光學元件114與徑向色散光學元件111組合可以實現(xiàn)徑向多焦距色散聚焦光斑陣列。徑向多焦距衍射光學元件與徑向色散光學元件在光路中可以序列，也可以將徑向多焦距衍射光學元件與徑向色散光學元件例如集成在一塊襯底上。當其與常規(guī)的聚焦光學元件113組合時形成徑向多焦距色散聚焦光斑陣列115。這個徑向多焦距色散聚焦光斑陣列不犧牲所要求的橫向焦點光束束腰尺寸，從而實現(xiàn)提高脆性材料加工速度。

圖12是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖12，將一種橫徑向多焦距衍射光學元件124與徑向色散光學元件121組合可以實現(xiàn)橫向多焦距徑向多焦距色散聚焦陣列。橫 徑向多焦距衍射光學元件與徑向色散光學元件在光路中可以序列，也可以將橫徑向多焦距衍射光學元件集成在一塊襯底上，也可以將橫徑向多焦距衍射光學元件與徑向色散光學元件集成在一塊襯底上。當其與常規(guī)的聚焦光學元件123組合時形成橫向多焦距與徑向多焦距色散聚焦光斑陣列125。這個橫向多焦距與徑向多焦距色散聚焦光斑陣列不犧牲所要求的橫向焦點光束束腰尺寸，從而實現(xiàn)提高脆性材料加工速度。

圖13是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖13，將一種橫向聚焦延長、徑向多焦距衍射光學元件134與徑向色散光學元件131組合可以實現(xiàn)橫向聚焦延長與徑向多焦距色散聚焦光斑陣列。橫向聚焦延長、徑向多焦距衍射光學元件與徑向色散光學元件在光路中可以序列，也可以將橫向聚焦延長與徑向多焦距衍射光學元件集成在一塊襯底上，也可以將橫向聚焦延長與徑向多焦距衍射光學元件與徑向色散光學元件集成在一塊襯底上。當其與常規(guī)的聚焦光學元件133組合時形成橫向聚焦延長與徑向多焦距色散聚焦光斑陣列135。這個橫向聚焦延長與徑向多焦距色散聚焦光斑陣列可以實現(xiàn)提高脆性材料加工速度。

圖14是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制方法的示意圖。參見圖14，將一種橫徑向聚焦延長衍射光學元件144與徑向色散光學元件141組合可以實現(xiàn)橫徑向聚焦延長色散聚焦面。橫徑向聚焦延長衍射光學元件與徑向色散光學元件在光路中可以序列，也可以將橫徑向聚焦延長衍射光學元件集成在一塊襯底上，也可以將橫徑向聚焦延長衍射光學元件與徑向色散光學元件集成在一塊襯底上。當其與常規(guī)的聚焦光學元件143組合時形成橫徑向聚焦延長色散聚焦面145。這個橫徑向聚焦延長色散聚焦面可以實現(xiàn)提高脆性材料加工速度。

超短脈沖激光器在脆性材料如玻璃和藍寶石材料切割中還可以配合聚焦光學元件153采用激光成絲技術154來實現(xiàn)脆性材料158的切割，如圖15所示。

圖16是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的材料加工中的激光聚焦控制 方法的示意圖。參見圖16，采用橫向多焦距衍射光學元件、徑向多焦距衍射光學元件、橫向焦距延長衍射光學元件和徑向焦距延長衍射光學元件中的任一衍射光學元件161或其組合可以實現(xiàn)橫向/徑向激光成絲陣列。當其與常規(guī)的聚焦光學元件163組合時形成橫向/徑向激光成絲陣列164，這些橫向/徑向激光成絲彼此復制并且基本等間距。這些橫向/徑向激光成絲陣列可以實現(xiàn)極大地提高脆性材料168的加工速度。

以上所述僅僅是本發(fā)明的材料加工中的激光聚焦控制方法的若干實施例，根據(jù)本發(fā)明的上述構思，本領域的技術人員還可以對此作出各種變化和變換，但是這些變化和變換均屬于本發(fā)明的范圍。