專利名稱：紫外激光加工系統(tǒng)的制作方法
紫外激光加工系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，特別是涉及一種紫外激光加工系統(tǒng)。背景技術(shù)：
在藍(lán)寶石上劃片是紫外激光加工的重要應(yīng)用之一。傳統(tǒng)的用于藍(lán)寶石劃片的紫 外激光加工光學(xué)系統(tǒng)都是以盡量精細(xì)的聚焦點(diǎn)為設(shè)計(jì)目標(biāo)。然而隨著藍(lán)寶石劃片工藝的 完善，希望能有一種光學(xué)系統(tǒng)，既能刻劃出足夠精細(xì)的線，而且刻劃的線寬在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

發(fā)明內(nèi)容基于此，有必要提供一種刻劃的線寬可調(diào)，且能保證劃出的線條的精細(xì)度的紫外 激光加工系統(tǒng)。一種激光加工光學(xué)系統(tǒng)，包括沿激光出射光路上依次設(shè)置的擴(kuò)束鏡、第一濾光反 光鏡以及焦距為15mm的聚焦鏡頭；所述擴(kuò)束鏡可在垂直于激光光軸的平面繞光軸旋轉(zhuǎn)，擴(kuò) 束倍數(shù)為1-10倍，加工劃線寬度為0. 004mm-0. 04mm，波長為355nm。優(yōu)選的，所述擴(kuò)束鏡包括沿激光出射光路上依次設(shè)置的第一透鏡、第二透鏡和第 三透鏡；所述第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡均為柱面鏡；所述第一透鏡和第二透鏡為平 凹型透鏡，且凹面分別為激光出射的第二曲面和第四曲面；所述第三透鏡為平凸型透鏡，且 凸面為激光出射的第六曲面。優(yōu)選的，所述第一透鏡激光入射的第一曲面曲率半徑為無窮大，凹面的曲率半徑 為3mm士5%，所述第一透鏡的中心厚度為Imm士5%，折射率/阿貝數(shù)為(1.46/68) 士5% ； 所述第二透鏡激光入射的第三曲面曲率半徑為無窮大，凹面的曲率半徑為IOOmm士5%，所 述第二透鏡的中心厚度為2mm士5%，折射率/阿貝數(shù)為(1. 6/41) 士5% ；所述第三透鏡激光 入射的第五曲面曲率半徑為無窮大，凸面的曲率半徑為-28mm士5%，所述第三透鏡的中心 厚度為3mm士5%，折射率/阿貝數(shù)為(1. 6/41) 士5%;所述第二曲面和第三曲面的中心間隔 為50mm士5%，所述第四曲面和第五曲面的中心間隔為Imm士5%。優(yōu)選的，所述聚焦鏡頭包括沿激光出射光路上依次設(shè)置的第四透鏡、第五透鏡、第 六透鏡以及第七透鏡；所述第四透鏡為彎月型透鏡，且曲面向著光線出射方向彎曲；所述 第五透鏡為雙凸型透鏡；所述第六透鏡和第七透鏡為彎月型透鏡，且曲面均背向光線出射 方向彎曲。優(yōu)選的，所述第四透鏡激光入射的第七曲面曲率半徑為-14mm士5%，激光出射的 第八曲面曲率半徑為-22mm士 5 %，所述第四透鏡的中心厚度為3mm士 5 %，折射率/阿貝數(shù) 為(1.48/68) 士5% ；所述第五透鏡激光入射的第九曲面曲率半徑為44mm士5%，激光出射 的第十曲面曲率半徑為-36mm士5%，所述第五透鏡的中心厚度為2. 2mm士5%，折射率/阿 貝數(shù)為(1.6/41) 士5% ；所述第六透鏡激光入射的第十一曲面曲率半徑為20mm士5%，激光 出射的第十二曲面曲率半徑為56mm士5%，所述第五透鏡的中心厚度為2mm士5%，折射率/阿貝數(shù)為(1.6/41) 士5% ；所述第七透鏡激光入射的第十三曲面曲率半徑為11. 5mm士5%， 激光出射的第十四曲面曲率半徑為17mm士 5 %，所述第五透鏡的中心厚度為2mm士 5 %，折 射率/阿貝數(shù)為(1.6/41) 士5% ；所述八曲面和第九曲面的中心間隔為0. Imm士5%，所述 十曲面和第十一曲面的中心間隔為0. Imm士5%，所述十二曲面和第十三曲面的中心間隔為 0. Imm士5%。優(yōu)選的，所述聚焦鏡頭的入瞳直徑為10mm，適用波長為355mm。優(yōu)選的，所述聚焦鏡頭還包括設(shè)置在第七透鏡出光方向上的由平行平板構(gòu)成的光學(xué)窗。優(yōu)選的，還包括成像監(jiān)控裝置，所述成像監(jiān)控裝置包括照明光源，CXD組件和設(shè)于 照明光源和CCD組件之間的濾光反射鏡組。上述紫外激光加工系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)擴(kuò)束鏡來調(diào)整擴(kuò)束倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刻劃的線寬 進(jìn)行調(diào)整，且刻劃出的線條均勻、清晰。

圖1是一個(gè)實(shí)施例中紫外激光加工系統(tǒng)的示意圖；圖2是一個(gè)實(shí)施例中擴(kuò)束鏡的示意圖；圖3是一個(gè)實(shí)施例中聚焦鏡頭的示意圖；圖4是當(dāng)擴(kuò)束鏡的母線與紙面垂直時(shí)，紫外激光加工系統(tǒng)的彌散斑圖；圖5是當(dāng)擴(kuò)束鏡的母線與紙面垂直時(shí)，紫外激光加工系統(tǒng)的能量集中度圖；圖6是當(dāng)擴(kuò)束鏡的母線與紙面垂直時(shí)，紫外激光加工系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF 圖；圖7是當(dāng)擴(kuò)束鏡的母線與紙面平行時(shí)，紫外激光加工系統(tǒng)的彌散斑圖；圖8是當(dāng)擴(kuò)束鏡的母線與紙面平行時(shí)，紫外激光加工系統(tǒng)的能量集中度圖；圖9是當(dāng)擴(kuò)束鏡的母線與紙面平行時(shí)，紫外激光加工系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的紫外激光加工系統(tǒng)包括沿激光出射光路上依次設(shè)置的擴(kuò)束鏡、第一濾光 反光鏡以及聚焦鏡頭；擴(kuò)束鏡可在垂直于激光光軸的平面繞光軸旋轉(zhuǎn)，擴(kuò)束倍數(shù)隨旋轉(zhuǎn)而 改變。在優(yōu)選的實(shí)施例中，擴(kuò)束鏡的擴(kuò)束倍數(shù)為1-10倍，適用的激光波長為355nm。圖1是一個(gè)實(shí)施例中紫外激光加工系統(tǒng)的示意圖，包括沿激光出射光路上依次設(shè) 置的擴(kuò)束鏡100、第一濾光反光鏡200以及聚焦鏡頭300 ；還包括成像監(jiān)控裝置，成像監(jiān)控裝 置包括照明光源400，CXD組件600和設(shè)于照明光源400和CXD組件600之間的濾光反射鏡 組 500。成像監(jiān)控裝置將紫外激光加工系統(tǒng)加工的工件700的工作情況成像于CXD組件 600中，可以對(duì)要加工的工件位置進(jìn)行精確定位，并實(shí)時(shí)觀察工作情況。在優(yōu)選的實(shí)施例中，照明光源400發(fā)出的光波長為532nm，CXD組件600的CXD尺 寸為1/3英寸。本發(fā)明紫外激光加工系統(tǒng)的劃線寬度之所以能在一定范圍內(nèi)變化，主要是柱面擴(kuò) 束鏡100起到了重要的作用。擴(kuò)束鏡100是一個(gè)UV(Ultraviolet)柱面擴(kuò)束鏡，可在垂直于激光光軸的平面自由繞光軸旋轉(zhuǎn)180度。我們定義激光在被第一濾光反光鏡200反射前后的兩條光軸所在的平面為紙面。 當(dāng)柱面擴(kuò)束鏡100的母線與紙面垂直時(shí)，它的擴(kuò)束倍率為10倍，這時(shí)紫外激光加工系統(tǒng)可 將激光束縮小10倍，線寬d = ClmiJi劃出的線寬為0. 004mm。當(dāng)它的母線與紙面平行時(shí)，此 時(shí)擴(kuò)束鏡的擴(kuò)束倍率為1倍，d = dmax，這時(shí)整個(gè)劃線系統(tǒng)劃出的線寬為0. 04mm。當(dāng)母線與 其在紙面上的投影夾角為α?xí)r，紫外激光加工系統(tǒng)劃出的線寬為d = C0Sa*dmax與dmin中 較大的一個(gè)值。通過調(diào)整柱面擴(kuò)束鏡100的擴(kuò)束倍率，實(shí)現(xiàn)了可變線寬的劃線。圖2是一個(gè)實(shí)施例中擴(kuò)束鏡100的示意圖。包括沿激光出射光路上依次設(shè)置的第 一透鏡110、第二透鏡120和第三透鏡130，三透鏡均為柱面鏡。其中第一透鏡110和第二 透鏡120為平凹型透鏡，且凹面分別為激光出射的第二曲面114和第四曲面124。第三透 鏡為130平凸型透鏡，且凸面為激光出射的第六曲面134。下表為優(yōu)選的實(shí)施例中，擴(kuò)束鏡 100的三個(gè)透鏡的參數(shù)，包括曲率半徑、面間隔、折射率/阿貝數(shù)(Nd/Vd)。如下表所示，第 一透鏡Iio的中心厚度dl為1mm，第二透鏡120的中心厚度d3為2mm，第三透鏡的中心厚 度d5為3mm;第二曲面和第三曲面的中心間隔d2為50mm，第四曲面和第五曲面的中心間隔 d4為1mm。在其他實(shí)施例中，上述各參數(shù)可以與該優(yōu)選的實(shí)施例有士5%的誤差。
透鏡曲面曲率半徑(mm)面間隔d(mm)Nd/Vd備注第一透鏡1OO11.46/68柱面2350凹面第二透鏡3OO21.6/41柱面41001凹面第三透鏡5OO31.6/41柱面6-28凸面圖3是一個(gè)實(shí)施例中聚焦鏡頭300的示意圖。包括沿激光出射光路上依次設(shè)置的 第四透鏡340、第五透鏡350、第六透鏡360以及第七透鏡370。第四透鏡340為彎月型透 鏡，且透鏡的第七曲面342和第八曲面344向著光線出射方向彎曲。第五透鏡350為雙凸 型透鏡，透鏡的兩個(gè)凸面分別為第九曲面352和第十曲面354。第六透鏡360和第七透鏡 370為彎月型透鏡，且第六透鏡360的第十一曲面362、第十二曲面364，第七透鏡370的第 十三曲面372、第十四曲面374均背向光線出射方向彎曲。下表為優(yōu)選的實(shí)施例中，聚焦鏡 頭300的四個(gè)透鏡的參數(shù)，包括曲率半徑、面間隔、折射率/阿貝數(shù)(Nd/Vd)。如下表所示， 第四透鏡340的中心厚度d7為3mm，第五透鏡350的中心厚度d9為2. 2mm，第六透鏡的中 心厚度dll為2mm ；第七透鏡的中心厚度dl3為2mm。第八曲面和第九曲面的中心間隔d8 為0. 1mm，第十曲面和第i^一曲面的中心間隔dlO為0. 1mm，第十二曲面和第十三曲面的中 心間隔dl2為0. Imm0在其他實(shí)施例中，上述各參數(shù)可以與該優(yōu)選的實(shí)施例有士5%的誤差。 在優(yōu)選的實(shí)施例中，聚焦鏡頭300的焦距f = 15mm，入瞳直徑D = 10mm，適用波長 λ = 355nm。在優(yōu)選的實(shí)施例中，聚焦鏡頭300還包括設(shè)置在第七透鏡370出光方向上的由平 行平板構(gòu)成的光學(xué)窗，起到保護(hù)透鏡的作用。圖4、圖5、圖6分別是擴(kuò)束鏡的母線與紙面垂直時(shí)，紫外激光加工系統(tǒng)的彌散斑 圖、能量集中度圖、光學(xué)傳遞函數(shù)MTF圖，此時(shí)刻劃的線寬為0. 004mm。圖7、圖8、圖9分別 是擴(kuò)束鏡的母線與紙面平行時(shí)，紫外激光加工系統(tǒng)的彌散斑圖、能量集中度圖、光學(xué)傳遞函 數(shù)MTF圖，此時(shí)刻劃的線寬為0. 04mm。以線寬為0. 04mm時(shí)為例，由圖7可以看出，激光的圓形光斑集中度較高，因此能量 的集中度亦較高。圖8、圖9的縱坐標(biāo)表示能量的百分?jǐn)?shù)(1. 0表示100%，依此類推)，圖8 的橫坐標(biāo)表示光斑半徑(單位nm)，從圖8可以看出能量的集中度很高，在半徑為2. 5nm內(nèi) 就已經(jīng)有高于90%的激光能量集中于光斑內(nèi)；從圖9可以看出曲線很平滑。圖8、圖9還標(biāo) 示出了圖7中OBJ為不同的六個(gè)值時(shí)在圖中的情況。線寬為0.004mm時(shí)同理。由圖4-圖9可以看出，本發(fā)明紫外激光加工系統(tǒng)的成像質(zhì)量理想，刻劃出的線條 均勻、清晰。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并 不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保 護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種激光加工光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包括沿激光出射光路上依次設(shè)置的擴(kuò)束鏡、第一濾光反光鏡以及焦距為15mm的聚焦鏡頭；所述擴(kuò)束鏡可在垂直于激光光軸的平面繞光軸旋轉(zhuǎn)，擴(kuò)束倍數(shù)為1-10倍，加工劃線寬度為0.004mm-0.04mm，波長為355nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述擴(kuò)束鏡包括沿激光出 射光路上依次設(shè)置的第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡；所述第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡 均為柱面鏡；所述第一透鏡和第二透鏡為平凹型透鏡，且凹面分別為激光出射的第二曲面 和第四曲面；所述第三透鏡為平凸型透鏡，且凸面為激光出射的第六曲面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光加工光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡激光入射 的第一曲面曲率半徑為無窮大，凹面的曲率半徑為3mm士5%，所述第一透鏡的中心厚度為 Imm士5%，折射率/阿貝數(shù)為(1.46/68) 士5% ；所述第二透鏡激光入射的第三曲面曲率半徑為無窮大，凹面的曲率半徑為 IOOmm士5%，所述第二透鏡的中心厚度為2mm士5%，折射率/阿貝數(shù)為(1.6/41) 士 5% ；所述第三透鏡激光入射的第五曲面曲率半徑為無窮大，凸面的曲率半徑 為-28mm士5%，所述第三透鏡的中心厚度為3mm士5%，折射率/阿貝數(shù)為(1.6/41) 士5% ；所述第二曲面和第三曲面的中心間隔為50mm士5%，所述第四曲面和第五曲面的中心 間隔為Imm士5%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦鏡頭包括沿激光 出射光路上依次設(shè)置的第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡以及第七透鏡；所述第四透鏡為彎月 型透鏡，且曲面向著光線出射方向彎曲；所述第五透鏡為雙凸型透鏡；所述第六透鏡和第 七透鏡為彎月型透鏡，且曲面均背向光線出射方向彎曲。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光加工光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第四透鏡激光入射的 第七曲面曲率半徑為-14mm士5%，激光出射的第八曲面曲率半徑為-22mm士5%，所述第四 透鏡的中心厚度為3mm士5%，折射率/阿貝數(shù)為(1.48/68) 士5% ；所述第五透鏡激光入射的第九曲面曲率半徑為44mm士5 %，激光出射的第十曲面 曲率半徑為-36mm 士5%，所述第五透鏡的中心厚度為2.2mm 士5%，折射率/阿貝數(shù)為 (1. 6/41) 士5% ；所述第六透鏡激光入射的第十一曲面曲率半徑為20mm士5 %，激光出射的第十二 曲面曲率半徑為56mm 士 5%，所述第五透鏡的中心厚度為2mm士5 %，折射率/阿貝數(shù)為 (1. 6/41) 士5% ；所述第七透鏡激光入射的第十三曲面曲率半徑為11. 5mm士5%，激光出射的第十四 曲面曲率半徑為17mm士5 %，所述第五透鏡的中心厚度為2mm士5 %，折射率/阿貝數(shù)為 (1. 6/41) 士5% ；所述八曲面和第九曲面的中心間隔為0. Imm士5%，所述十曲面和第十一曲面的中心間 隔為0. Imm士5%，所述十二曲面和第十三曲面的中心間隔為0. Imm士5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦鏡頭的入瞳直徑 為10mm，適用波長為355mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光加工光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦鏡頭還包括設(shè)置 在第七透鏡出光方向上的由平行平板構(gòu)成的光學(xué)窗。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，還包括成像監(jiān)控裝置，所述成像監(jiān)控裝置包括照明光源，CXD組件和設(shè)于照明光源和CXD組件之間的濾光反射鏡組。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光加工光學(xué)系統(tǒng)，包括沿激光出射光路上依次設(shè)置的擴(kuò)束鏡、第一濾光反光鏡以及聚焦鏡頭；所述擴(kuò)束鏡可在垂直于激光光軸的平面繞光軸旋轉(zhuǎn)，擴(kuò)束倍數(shù)隨旋轉(zhuǎn)而改變。上述紫外激光加工系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)擴(kuò)束鏡來調(diào)整擴(kuò)束倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刻劃的線寬進(jìn)行調(diào)整，且刻劃出的線條均勻、清晰。
文檔編號(hào)B23K26/06GK101885113SQ201010208960
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者周朝明, 李家英, 高云峰 申請(qǐng)人:深圳市大族激光科技股份有限公司