專利名稱：用于微米級管道刻蝕的二氧化碳激光匯聚裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型為一種二氧化碳激光的高能量微米級光束的匯聚裝置，屬于激光技術(shù)和微機電加工領(lǐng)域，用于加工芯片的微米級管道。
背景技術(shù)：
隨著激光技術(shù)的日益發(fā)展和完善，高能激光器在工業(yè)加工中起著越來越重要的作用，尤其氣體二氧化碳氣體激光器，更是被廣泛的應(yīng)用于金屬切割、電焊等高能加工的行業(yè)當(dāng)中。激光因為其良好的光學(xué)特性在微機電系統(tǒng)的加工中也被日益關(guān)注。具有三維微納米級管道的集成芯片，在醫(yī)療、檢測、傳感技術(shù)等各個領(lǐng)域起著越來越重要的作用。而目前國內(nèi)外二氧化碳激光管及相應(yīng)的二氧化碳激光器直接應(yīng)用與芯片的微米級管道加工存在以下問題1、光束匯聚直徑較大二氧化碳激光管激勵出的激光為遠紅外激光束，其在理論上按波長的長度可以進行微米級的加工，但是目前實際生產(chǎn)中的激光發(fā)光管所產(chǎn)生的光斑原始直徑為毫米量級。如何提高光束質(zhì)量，將光束匯聚成直徑在微米量級，是能否將二氧化碳激光器應(yīng)用于微機電系統(tǒng)加工的關(guān)鍵。
2、能量相對較低氣體激光器，尤其是二氧化碳激光器，屬能量較高的激光設(shè)備，但是在微機電加工中，我們需要更高的能量來完成刻蝕，這樣才能保證管道加工的質(zhì)量和得到深寬比較好的三微結(jié)構(gòu)。已有的公知技術(shù)中，在集束型高能二氧化碳激光器中，應(yīng)用了二十根二氧化碳激光管來提高光束的能量，但光路系統(tǒng)難于調(diào)試，而且造價昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本實用新型提供一種二氧化碳激光的高能量微米級光束的匯聚裝置，它由激光器、擴束裝置及匯聚器構(gòu)成，使匯聚高能量光斑到微米量級，以直接刻蝕微管道。
本實用新型所要解決的技術(shù)問題是由激光器、擴束裝置及匯聚器構(gòu)成的用于微米級管道刻蝕的二氧化碳激光匯聚裝置，其中的匯聚器由擴束鏡與凸透鏡構(gòu)成，其擴束鏡由凹透鏡與凸透鏡A組成，并與凸透鏡B三者呈縱軸方向排列安裝，將凸透鏡與凹透鏡之間的安裝距離調(diào)整為300mm，凸透鏡A和凸透鏡B之間的安裝距離調(diào)整為10mm，以提高光束的質(zhì)量，并利用焦距為100mm的凹透鏡、焦距為300mm的凸透鏡A、焦距為100mm的凸透鏡B進行匯聚，匯聚光斑直徑小于150微米。
本實用新型的有益效果是匯聚高能量光斑到微米量級。利用二級儲能電源和光學(xué)匯聚系統(tǒng)將激光光束匯聚到具有高能量、微米量級，以直接刻蝕微管道；價格低，和其它微米級刻蝕一起相比，本系統(tǒng)具有低廉的價格；效率高，目前許多微管道加工都有兩種或者更多的步驟才能完成，利用二氧化碳激光匯聚系統(tǒng)進行直接刻蝕可以一步完成，而且可以加工復(fù)雜形狀的微管道，效率較高；壽命較長，我們利用水冷循環(huán)系統(tǒng)冷卻高能工作的二氧化碳激光管，同時冷卻了匯聚系統(tǒng)，延長了整個激光匯聚系統(tǒng)。匯聚高能量光斑可以到微米級。


圖1為本實用新型的工作原理圖圖2為二氧化碳激光匯聚裝置結(jié)構(gòu)圖圖3為電源脈沖過程示意圖圖4為激光打孔效果示意圖圖5為銳利長度示意圖圖中1.激光器、2.匯聚器、3.電源系統(tǒng)、4.冷卻系統(tǒng)、5.計算機、6.LCD顯示器、7.鍵盤、8.反射鏡、9.凹透鏡、10.凸透鏡A、11.凸透鏡B具體實施方式
參照圖1，通過鍵盤7輸入數(shù)據(jù)，計算機5執(zhí)行命令，激光器1在電源系統(tǒng)3的激勵下產(chǎn)生原始的光斑。此時計算機5的附件LCD顯示器6會顯示出工作狀態(tài)。激光器1產(chǎn)生的原始光斑在經(jīng)過匯聚器2以后，得到微米級的光斑，并且整個裝置由冷卻系統(tǒng)4進行冷卻，以保證整個激光匯聚裝置的使用壽命。
如果按原始光斑進行匯聚，最終得到的光斑直徑將為毫米量級。為了解決這個問題，望遠鏡擴速裝置是十分必要的。理論上擴速的倍數(shù)與光束最終的光斑直徑成反比，即擴速倍數(shù)越大，光斑直徑越小。
參照圖2，匯聚器2由擴束鏡與凸透鏡構(gòu)成，擴束鏡包括一片凹透鏡9和一片凸透鏡10，即望遠鏡系統(tǒng)(即一個凹透鏡9在上，一個在凸透鏡10在下)，凹透鏡9與凸透鏡10、凸透鏡11呈縱向排列安裝；同時調(diào)整凹透鏡9與凸透鏡10之間的距離為300mm，凸透鏡10與凸透鏡11之間的距離為10mm，這樣可以提高光束的質(zhì)量，將凹透鏡9的焦距調(diào)到100mm，凸透鏡10的焦距調(diào)為300mm，凸透鏡11的焦距調(diào)為100mm，利用焦距為100mm的凸透鏡11進行匯聚，匯聚光斑直徑小于150微米。
由此我們可以得到最后的銳利長度大于5mm，即激光有效的刻蝕長度為5mm以上，有力的保證了高深寬比的管道的加工。
二氧化碳激光器1為發(fā)射源，諧振產(chǎn)生原始激光光束，經(jīng)過無氧銅反射鏡8后，激光光束由橫向變?yōu)榭v向，二級儲能脈沖電源系統(tǒng)3提供二氧化碳激光管工作所需的電壓電源；匯聚器2則將產(chǎn)生的原始激光光束匯聚到微米量級。
其工作原理為，原始二氧化碳激光管為單管，由于起輝電壓為幾千伏，我們需要電源提供較高的能量。二級儲能脈沖電源根據(jù)激光管所需的能量進行設(shè)計，其工作峰值能達到幾萬伏，以保證激光管的正常工作。在脈沖電源提供激光管的工作電壓以后，激光管進入連續(xù)工作狀態(tài)，根據(jù)需要，我們將脈沖寬度可調(diào)，即激光脈沖的作用時間可以調(diào)整，這樣可以保證我們刻蝕不同深度的管道，提高了工作效率。同時，由于原始激光光束存在一定的發(fā)散角，故直接匯聚激光不能達到理想的微米級光束，為了提高光束質(zhì)量，較小光斑匯聚的半徑，我們設(shè)計了光學(xué)擴速裝置，最后用匯聚裝置2進行匯聚，由于光束質(zhì)量的改善，我們利用匯聚裝置得到了微米級的激光光斑。
激光刻蝕的工作范圍在焦點附近，因為在焦點附近光斑直徑最小。其銳利長度由以下公式計算q0=πω2λ]]>其中q0為銳利長度，即激光刻蝕微管道的工作長度。ω為激光焦點處的光斑半徑。λ為二氧化碳激光的波長。
而ω＝f×θ其中f為匯聚鏡片的焦距，θ為激光光束的擴散角，ω則為激光光束的束腰寬度。
權(quán)利要求1.用于微米級管道刻蝕的二氧化碳激光匯聚裝置，包括激光器、擴束裝置、匯聚器，其特征在于所說的匯聚器由擴束鏡與凸透鏡共同構(gòu)成；
2.如權(quán)利要求1所述的二氧化碳激光匯聚裝置，其特征在于擴束鏡由凹透鏡和凸透鏡A組成，并與凸透鏡B呈縱軸方向排列安裝；
3.如權(quán)利要求2所述的二氧化碳激光匯聚裝置，其特征在于擴束鏡中的凹透鏡與凸透鏡A之間安裝距離為300mm，凸透鏡A和凸透鏡B之間安裝距離為10mm；如權(quán)利要求3所述的二氧化碳激光匯聚裝置，其特征在于擴束鏡中的凹透鏡焦距為100mm，凸透鏡A的焦距為300mm，凸透鏡B的焦距為100mm。
專利摘要本實用新型涉及一種用于微米級管道刻蝕的二氧化碳激光匯聚裝置，它由激光器、擴束裝置、匯聚器以及電源系統(tǒng)、計算機等部件構(gòu)成，匯聚器由擴束鏡與凸透鏡組合而成；擴束鏡由在前的凹透鏡和在后的凸透鏡A組成，并與另一凸透鏡B縱向排列安裝。其凹透鏡與凸透鏡A之間、凸透鏡A與凸透鏡B之間的安裝距離分別為300mm和10mm。采用本實用新型可以提高光束的質(zhì)量，由于采用焦距為100mm的凸透鏡進行匯聚，可使匯聚光斑直徑小于150微米。
文檔編號B23K26/06GK2650926SQ200320102989
公開日2004年10月27日 申請日期2003年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者黃強, 張志遠, 時廣軼, 黃文倩 申請人:北京理工大學(xué)