專利名稱：采用液晶光閥整形的激光直寫(xiě)加工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種新型加工系統(tǒng)，特別是涉及一種激光直寫(xiě)加工的方法及裝置，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光直寫(xiě)是將激光聚焦在材料上，通過(guò)高溫?zé)g，在被加工材料表面加工出所需圖案的激光加工技木?，F(xiàn)有的激光直寫(xiě)技術(shù)通常是通過(guò)將激光匯聚到一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)加工。通過(guò)控制匯聚點(diǎn)的·精確的、有規(guī)律的移動(dòng)，直寫(xiě)出所需要的圖形。但是受到激光燒蝕時(shí)間、聚焦點(diǎn)移動(dòng)速度的影響，這種直寫(xiě)方案的效率低，加工成本高。液晶光閥作為ー種整形器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)注入激光束的精確整形。液晶光閥是在兩片透明電極基板之間充入10微米左右厚的向列扭轉(zhuǎn)液晶，使液晶分子的長(zhǎng)軸在基板間發(fā)生90°的扭曲。向列扭轉(zhuǎn)液晶(twisted nematic liquid crystal, TNLC)分子材料沒(méi)有電壓加載時(shí)，光經(jīng)過(guò)光閥后偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)90° ,如果有電壓加載在向列扭轉(zhuǎn)液晶上,分子的取向受到外加電場(chǎng)的影響，而通過(guò)光的偏振態(tài)會(huì)沿著分子取向而改變。這就使得外加電壓能夠精確控制透過(guò)光的偏振態(tài)。將這ー結(jié)構(gòu)放在兩個(gè)正交的偏振片之間，就可以實(shí)現(xiàn)激光振幅的調(diào)制。液晶光閥就是由上述整形微元構(gòu)成的陣列，每個(gè)微元的長(zhǎng)和寬均在10微米至40微米之間，陣列橫向包括緊密排布的I至2048個(gè)微元，縱向也可以包括I至2048個(gè)微元，這樣的一個(gè)陣列可以將光束細(xì)分成微元數(shù)目的子光束，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的精確調(diào)制。通過(guò)快速更換加載的整形圖形，可以對(duì)直寫(xiě)激光的能量(功率)分布進(jìn)行整形，并且整形的速度可以達(dá)到微秒量級(jí)。液晶光閥包括透射式和反射式兩種。透射式液晶光閥是對(duì)入射光束調(diào)制并散射和反射不必要的光，在透射方向上形成所需要的圖形；反射式液晶光閥是對(duì)入射光束調(diào)制并散射不必要的光，在反射方向上形成所需要的圖形。微鏡陣列(Digital micromirror array)基本結(jié)構(gòu)是用微機(jī)電系統(tǒng)控制微小反射鏡的反光位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的編碼。每ー個(gè)小鏡子可以被控制朝向不同的方向，來(lái)調(diào)整反射后光的強(qiáng)度和方向。主要參數(shù)是每個(gè)微元的長(zhǎng)和寬均在10微米至40微米之間，旋轉(zhuǎn)時(shí)間小于10微秒，最大旋轉(zhuǎn)角度20°，每個(gè)微鏡陣列橫向可以包括緊密排布的I至2048個(gè)微元，縱向也可以包括I至2048個(gè)微元。在現(xiàn)有專利中，針對(duì)液晶光閥本身專利很多，比如美國(guó)專利US005283676A，闡述了ー種液晶光閥的結(jié)構(gòu)，主要是針對(duì)液晶光閥本身技術(shù)方案的保護(hù)；統(tǒng)寶光電股份有限公司申請(qǐng)的中國(guó)發(fā)明專利200410008599. X闡述了ー種反射式液晶光閥結(jié)構(gòu)。在激光直寫(xiě)方面，國(guó)內(nèi)外也有ー些專利，比如中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司的中國(guó)專利200610030624. 3保護(hù)了 ー種通過(guò)齒形反射鏡折疊光束進(jìn)行激光直寫(xiě)的裝置及方法。但是在激光直寫(xiě)設(shè)備中采用液晶光閥整形在國(guó)內(nèi)外的專利檢索中并沒(méi)有相關(guān)的專利，而本發(fā)明成功的實(shí)現(xiàn)了寬幅高速激光直寫(xiě)加工，能夠快速調(diào)節(jié)來(lái)滿足復(fù)雜圖形直寫(xiě)的需求，具有很好的實(shí)際應(yīng)用意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供ー種新型的激光直寫(xiě)加工技術(shù)方案，通過(guò)置于系統(tǒng)內(nèi)部的液晶光閥作為整形器件，實(shí)時(shí)控制加工光斑的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工槽(孔)的尺寸和側(cè)壁傾角的精確控制。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明涉及的激光直寫(xiě)技術(shù)方案，如圖I和圖2所示，包括激光光源I ;ー個(gè)反射鏡組2 ;前整形透鏡組3 ;液晶光閥4 ;后整形透鏡組5 ;聚焦透鏡6 ;被加工材料7 ;反射鏡或者多面旋轉(zhuǎn)反射鏡8。在所述的技術(shù)方案中，所述的激光光源I用來(lái)產(chǎn)生加工用的激光。 在所述的技術(shù)方案中，所述的反射鏡組可以添加在激光直寫(xiě)裝置的各個(gè)所需的位置，用來(lái)將所述的激光光源發(fā)出的光進(jìn)行折轉(zhuǎn)。在所述的技術(shù)方案中，所述的前整形透鏡組3用來(lái)對(duì)所述的激光光源發(fā)出的光進(jìn)行初歩整形，使所述的激光光源變成適當(dāng)直徑的平行光束。在所述的技術(shù)方案中，所述的液晶光閥4置于所述的整形透鏡組之后，用來(lái)對(duì)加エ激光束進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)制，滿足加工需求。在所述的技術(shù)方案中，所述的后整形透鏡組5置于所述的液晶光閥之后，用來(lái)調(diào)整加工激光束的光學(xué)參數(shù)，滿足加工需求。在所述的技術(shù)方案中，所述的反射鏡或者多面旋轉(zhuǎn)反射鏡8置于所述的后整形透鏡組5之后，用來(lái)控制加工激光的匯聚位置。在所述的技術(shù)方案中，所述的聚焦透鏡6置于所述的反射鏡或者多面旋轉(zhuǎn)反射鏡8之后，反射泵浦光和受激輻射產(chǎn)生的信號(hào)光，匯聚加工激光。本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點(diǎn)通常的加工系統(tǒng)，不能夠在一次掃描軌跡上加工變化的圖形，而通過(guò)液晶光閥控制加工光斑的形狀和能量(功率)分布，可以實(shí)現(xiàn)任意組合圖形的加工，可以通過(guò)控制液晶光閥上面的透過(guò)光斑形狀實(shí)現(xiàn)對(duì)加工凹槽側(cè)壁陡峭程度的處理。


圖I是激光直寫(xiě)加工裝置的技術(shù)方案原理圖之一。圖2是激光直寫(xiě)加工裝置的技術(shù)方案原理圖之ニ。圖3是液晶光閥上加載的周期條紋結(jié)構(gòu)。圖4是加載條紋結(jié)構(gòu)時(shí)的加工效果。圖5是液晶光閥上加載的變邊緣軌跡條紋結(jié)構(gòu)。圖6是加載的變邊緣軌跡條紋結(jié)構(gòu)的加工效果。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例I參考圖1，制作ー個(gè)包含液晶光閥實(shí)時(shí)整形的激光直寫(xiě)裝置。該裝置選用的激光光源I為Coherent公司生產(chǎn)的ー個(gè)皮秒脈沖激光器，脈沖寬度15ps，脈沖重復(fù)頻率15kHz。該激光光源I形成的輸出通過(guò)反射鏡組2進(jìn)行光束的折轉(zhuǎn)，反射鏡組2包括3片反射鏡，將激光光源I發(fā)出的激光折轉(zhuǎn)到所需要的位置和角度，從中心通過(guò)前整形透鏡組3。前整形透鏡組3包括2片凸透鏡和I片凹透鏡，將激光光源I發(fā)出的激光擴(kuò)束到直徑15_。從前整形透鏡組3出射的直徑15mm的激光束照射在液晶光閥4上。液晶光閥4為SONY公司的LCX016AL-6型透射液晶光閥產(chǎn)品，可用面積26. 6mmX20. Omm，包含像素832X624個(gè)，像素間隔32微米。液晶光閥4上面加載周期為5_的明暗相間的豎條紋，其中明暗條紋的占空比為50%。明條紋上的透過(guò)率設(shè)置為最大，暗條紋的透過(guò)率設(shè)置為最低，如圖3所示。這樣透過(guò)液晶光閥4的激光光束就被調(diào)制成為周期5mm的條紋。從液晶光閥4出射的激光束進(jìn)入后整形透鏡組5。后整形透鏡組5包括I片凸透鏡和I片凹透鏡，將光束進(jìn)ー步擴(kuò)束達(dá)到直徑50_。出射加工激光束再經(jīng)過(guò)在本實(shí)施例中為反射鏡的反射鏡或者多面旋轉(zhuǎn)反射鏡8反射，經(jīng)過(guò)聚焦透鏡6匯聚到加工面上，將液晶光閥上的圖像按照50 1縮束成像在加工面上。在實(shí)際的加工過(guò)程中，被加工材料7可以被每次沿垂直光斑條紋方向移動(dòng)或者沿平行 光斑條紋方向移動(dòng)。在加工過(guò)程中，被加工材料7先沿著平行光斑條紋方向移動(dòng)，加工出寬的條紋，然后再沿著垂直光斑條紋方向移動(dòng)一定距離(比如3mm)，然后再沿著平行光斑條紋方向移動(dòng)，加工出新的一組條紋，然后再沿著垂直光斑條紋方向移動(dòng)一定距離(比如依然是3_)，這樣就可以快速的直寫(xiě)出大面積的所需要的結(jié)構(gòu)。在直寫(xiě)過(guò)程中，周期型條紋可以實(shí)時(shí)的改變，配合被加工材料7的適當(dāng)移動(dòng)速度，就能夠?qū)崿F(xiàn)不同的加工效果。加載在液晶光閥上的條紋如果周期不同，就能夠加工出不同的圖形。比如在液晶光閥上加載如圖5的圖案，并且適當(dāng)控制各個(gè)點(diǎn)的透過(guò)率，就會(huì)加工出不同邊緣傾斜角度的凹槽。比如圖5中31、32、33三個(gè)加載在液晶光閥4上不同的圖形，就對(duì)應(yīng)不同的加工邊緣效果，其邊沿效果如圖6所示。實(shí)施例2參考圖2，制作ー個(gè)包含液晶光閥實(shí)時(shí)整形的激光直寫(xiě)裝置。該裝置選用的激光光源I為北京國(guó)科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ー個(gè)脈沖激光器，脈沖寬度20ns，脈沖重復(fù)頻率1kHz。該激光光源I形成的輸出通過(guò)反射鏡組2進(jìn)行光束的折轉(zhuǎn)，反射鏡組2包括2片反射鏡，將激光光源I發(fā)出的激光折轉(zhuǎn)到所需要的位置和角度，從中心通過(guò)前整形透鏡組3。前整形透鏡組3包括2片凸透鏡和I片凹透鏡，及其整形光闌。將激光光源I發(fā)出的激光整形到20_X 15mm,并消除像差。從前整形透鏡組3出射的激光束照射在液晶光閥4上。液晶光閥4為SONY公司的反射型液晶光閥,可用面積13. 6mmX 10mm,像素間隔32微米。這里的反射型液晶光閥也可以替換成德州儀器公司生產(chǎn)的微鏡陣列產(chǎn)品。液晶光閥4上面加載ー個(gè)圖片，控制液晶光閥上各個(gè)微元的透過(guò)率與圖像的灰度值相同。這樣透過(guò)液晶光閥4的激光光束就被調(diào)制成了圖像的能量分布。從液晶光閥4出射的激光束經(jīng)過(guò)反射鏡折轉(zhuǎn)后進(jìn)入整形透鏡組5。后整形透鏡組5包括I片凸透鏡和I片凹透鏡，將光束擴(kuò)束并匯聚到達(dá)200毫米以外。反射的加工激光束再經(jīng)過(guò)在本實(shí)施例中為多面旋轉(zhuǎn)反射鏡的反射鏡或者多面旋轉(zhuǎn)反射鏡8反射，匯聚到加工面上，將液晶光閥上的圖像按照5 I縮束成像在加工面上。在實(shí)際的加工過(guò)程中，被加工材料7可以被每次沿垂直光斑條紋方向移動(dòng)或者沿平行光斑條紋方向移動(dòng)。在加工過(guò)程中，多面旋轉(zhuǎn)反射鏡8旋轉(zhuǎn)，控制加工點(diǎn)在加工材料7上移動(dòng)，加工所需要的圖案。
權(quán)利要求
1.一種采用液晶光閥整形的激光直寫(xiě)系統(tǒng)，包括激光光源；反射鏡組；前整形透鏡組；液晶光閥；后整形透鏡組；聚焦透鏡；被加工材料；反射鏡或者多面旋轉(zhuǎn)反射鏡； 在所述的技術(shù)方案中，所述的激光光源用來(lái)產(chǎn)生加工用的激光； 在所述的技術(shù)方案中，所述的反射鏡組可以添加在激光直寫(xiě)裝置的各個(gè)所需的位置，用來(lái)將所述的激光光源發(fā)出的光進(jìn)行折轉(zhuǎn)； 在所述的技術(shù)方案中，所述的前整形透鏡組用來(lái)對(duì)所述的激光光源發(fā)出的光進(jìn)行初歩整形，使所述的激光光源變成適當(dāng)直徑的平行光束； 在所述的技術(shù)方案中，所述的液晶光閥置于所述的整形透鏡組之后，用來(lái)對(duì)加工激光束進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)制，滿足加工需求； 在所述的技術(shù)方案中，所述的后整形透鏡組置于所述的液晶光閥之后，用來(lái)調(diào)整加工激光束的光學(xué)參數(shù)，滿足加工需求； 在所述的技術(shù)方案中，所述的反射鏡或者多面旋轉(zhuǎn)反射鏡置于所述的后整形透鏡組之后，用來(lái)控制加工激光的匯聚位置； 在所述的技術(shù)方案中，所述的聚焦透鏡置于所述的反射鏡或者多面旋轉(zhuǎn)反射鏡之后，反射泵浦光和受激輻射產(chǎn)生的信號(hào)光，匯聚加工激光。
2.按權(quán)利要求I所述的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于，所述的激光光源為ー個(gè)，可以是脈沖寬度在I飛秒至I秒的激光器，也可以是低功率的連續(xù)激光器； 按權(quán)利要求I所述的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于，所述的反射鏡組可以不使用，或者包含I至20個(gè)反射鏡，用來(lái)折轉(zhuǎn)激光到所需要的位置； 按權(quán)利要求I所述的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于，所述的前透鏡組包含I至20個(gè)透鏡，用來(lái)將激光束進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直；所述的前透鏡組可以包含凹透鏡、凸透鏡、平面透鏡、非球面透鏡、微透鏡陣列；所述的前透鏡組在實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束和準(zhǔn)直的同時(shí)還可以具有消除像差的功倉(cāng)^:。
3.按權(quán)利要求I所述的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于，所述的液晶光閥通過(guò)在各個(gè)微元加載不同的透過(guò)率實(shí)現(xiàn)對(duì)用于激光直寫(xiě)激光光束的輸出光斑調(diào)制；所述的液晶光閥可以將光斑調(diào)制成周期性的條紋，實(shí)現(xiàn)I至IOmm范圍的一次性直寫(xiě)；這些周期性的條紋可以是矩形、梯形或者其他曲線邊緣的圖形，來(lái)保證加工出凹槽的橫截面形狀和側(cè)壁陡峭程度。
4.按權(quán)利要求3所述的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于，所述的液晶光閥可以與被加工材料的移動(dòng)同時(shí)控制，或者分別控制移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直寫(xiě)激光光束從被加工材料表面掃過(guò)，同時(shí)形成多個(gè)被加工的痕跡；在加工過(guò)程中還可以控制液晶光閥上各個(gè)點(diǎn)的透過(guò)率，實(shí)現(xiàn)不同激光強(qiáng)度的加工，來(lái)保證被加工痕跡的深度和形狀。
5.按權(quán)利要求4所述的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于，所述的液晶光閥可以是透射式液晶光閥也可以是反射式液晶光閥，透射式液晶光閥的整形陣列面垂直于光束放置，反射式液晶光閥與入射激光光束方向成一定角度，將入射激光光束調(diào)制并反射到恰當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 6.按權(quán)利要求I所述的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于，所述的后整形透鏡組包含I至20個(gè)透鏡，在將加工激光縮束匯聚到被加工材料表面上的同時(shí)，還能夠?qū)⒁壕Ч忾y面上的光斑成像在加工面上，保持成像圖形與液晶光閥對(duì)光束調(diào)制結(jié)果相同。
7.按權(quán)利要求I所述的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于，所述的加工結(jié)構(gòu)件可以被控制上下左右移動(dòng)，來(lái)保證直寫(xiě)激光束在被加工材料上匯聚的大小和時(shí)間長(zhǎng)短。
8.按權(quán)利要求2所述的激光直寫(xiě)裝置，其特征在干，所述的反射鏡或者多面旋轉(zhuǎn)反射鏡可以被控制移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，來(lái)控制直寫(xiě)激光束在被加工材料上匯聚的位置和時(shí)間長(zhǎng)短，結(jié)合液晶光閥上的透過(guò)光斑形狀，實(shí)現(xiàn)變化圖形的加工。
9.按 權(quán)利要求I所述的激光直寫(xiě)裝置，其特征在于，所述的反射式液晶光閥鏡可以用微鏡陣列來(lái)代替，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的強(qiáng)弱控制、整形控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光直寫(xiě)加工的方法及裝置，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。該裝置是由激光光源、反射鏡組、前整形透鏡組、液晶光閥、后整形透鏡組、聚焦透鏡、被加工材料、反射鏡或者多面旋轉(zhuǎn)反射鏡構(gòu)成的一個(gè)激光加工裝置。所述的激光光源用來(lái)產(chǎn)生加工用的激光，加工用激光經(jīng)過(guò)前透鏡組擴(kuò)束后，再經(jīng)過(guò)液晶光閥整形，最后經(jīng)過(guò)后透鏡組擴(kuò)束并匯聚到加工材料上，實(shí)現(xiàn)激光直寫(xiě)加工。本發(fā)明的加工裝置可以在高速直寫(xiě)加工的同時(shí)滿足特殊加工形狀的需求，并能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍的激光直寫(xiě)加工，具有很好的實(shí)際意義。
文檔編號(hào)B23K26/38GK102837128SQ20121030882
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者趙天卓, 余錦, 樊仲維, 黃科, 聶樹(shù)真 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電研究院, 北京國(guó)科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司