CN104439723A

CN104439723A - 一种激光打孔方法及其装置

Info

Publication number: CN104439723A
Application number: CN201410627239.1A
Authority: CN
Inventors: 殷路安; 吴建宏
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-11-10
Also published as: CN104439723B

Abstract

本发明公开了一种激光打孔方法及其装置。激光器产生的激光束依次经扩束器、偏振器后入射到LCOS上；LCOS的反射光经变焦***和光阑后入射聚焦到待加工基材上，LCOS通过视频数据接口与图象处理器联接。激光打孔时，先在图象处理器上依据待加工孔的直径等参数设计若干幅圆弧图像的灰度图，再依次转换为相位全息图，经视频数据接口逐幅加载到LCOS上；激光器产生激光束经扩束、偏振处理后入射到LCOS上，LCOS的反射光经变焦***和光阑后入射聚焦到基材上，实现对基材的打孔加工。本发明采用LCOS衍射器件进行光束扫描，克服了激光打孔现有技术采用的振镜扫描或光学元件转动部件移动存在的不足，保证了激光打孔加工的精度。

Description

一种激光打孔方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种激光打孔装置及其打孔方法，特别涉及一种基于LCOS的激光打孔方法及其装置，适用于对基材的小孔成形，属于激光应用技术领域。

背景技术

目前，在硅片等基材上采用激光束打孔的方法，一般通过光学器件的转动实现光束聚焦点的圆形轨迹扫描，存在着一定的局限性，主要表现为：1、机械旋转在长期运转的过程中会造成结构磨损，精度下降，最终将严重影响打孔质量；2、机械旋转打孔装置复杂，需要宽敞的工作环境。文献“晶体硅片上激光打孔的研究” （钱俊. [J]. 半导体技术, 2012, 37(5): 375-389）报道了采用振镜扫描方式和折反***旋转方式；其***结构复杂，***中涉及运动部件，其扫描精度对转动装置提出了很高的精度要求，长期运转会造成结构磨损，精度下降，最终将严重影响打孔质量。

空间光调制器（Spatial light modulator，简称SLM）是波前整形、实时光信息处理、自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件。硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon LCOS）是一种反射式的空间光调制器，利用计算机生成的图像信息或光学函数可通过视频接口直接加载到LCOS上。因像元小、填充率高，LCOS具有衍射效率高、空间带宽积大的特点，是理想的纯相位调制器件，可以应用在波前相位调制、光镊、脉冲光束整形、动态衍射光学元件、相称成像等领域。在成像研究方面，文献“LCOS 面板相位调制分析及用于全息再现***”（张公瑞. [J]. 激光与光电子学进展, 2009, (1): 94-98）提供了一种基于反射型硅基液晶(LCOS)面板的全息再现***，再现了计算机模拟生成的全息图，并通过优化算法有效地提高再现图像的质量。有关于像差矫正的研究，参见文献“反射型 LCOS显示板用于人眼波前像差校正的研究”（蔡冬梅. [J]. 光电子·激光, 2008, 19(7): 992-995），对LCOS 显示器件的光学调制特性进行了理论分析,在合适的参数条件下,LCOS 可工作在纯相位调制状态下。LCOS 作为波前校正器和哈特曼传感器结合构成一个自适应闭环校正*** ,校正在成像光路中引入的具有人眼波前像差特点的静态波前畸变, LCOS 器件作为相位校正元件在人眼波前像差校正和视网膜成像***中具有良好的应用前景。

将硅基液晶（LCOS）及成像技术应用于激光打孔领域还未见报道。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对现有激光打孔由于振镜扫描或光学元件转动部件移动存在的加工精度下降的不足，提供一种能保持高精度、高效率、高稳定的激光打孔方法及其装置。

实现本发明目的的技术方案是提供一种激光打孔装置，其结构为：激光器产生的激光束依次经扩束器、偏振器处理后入射到LCOS 上，偏振器的偏振方向与LCOS的液晶分子长轴的方向一致；LCOS的反射光经变焦***和光阑后入射到待加工基材上；所述的LCOS 通过视频数据接口与图象处理器联接。

本发明提供的一种激光打孔装置，其待加工基材所在平面与变焦***像方主平面的距离按高斯公式计算得到：

；

其中：为待加工基材所在平面与变焦***像方主平面的距离，为变焦***的焦距，为激光束的发散点到变焦***物方主平面的距离。

本发明激光器产生的激光束若为自然光，则偏振器为偏振棱镜；若激光器产生的激光束为偏振光，则偏振器可以为二分之一波片，也可以选用偏振棱镜。

本发明所述的激光打孔装置，在扩束器与偏振器之间还可以设置一个准直透镜。

本发明技术方案还包括一种激光打孔方法，包括如下步骤：

1、依据各参数，在图象处理器上设置一个直径为Φ个像元数的圆环图像，所述的参数包括W为待加工孔的孔径，D为 LCOS的像元尺寸，I为LCOS较短边含有的像元数，λ为激光器产生的激光束的波长，f为变焦***的焦距；将所述的圆环平均分割成2n段的圆弧，n为正整数，所述的圆弧呈圆心对称分布；以每两段对称的圆弧组成一幅图像，得到n幅圆弧图像的灰度图；

2、激光器产生的激光束经扩束、偏振处理后入射到LCOS上；图象处理器将步骤1得到的每幅圆弧图像的灰度图依次转换为相位全息图，经视频数据接口逐幅加载到LCOS上；LCOS的反射光经变焦***和光阑后入射聚焦到基材上，在基材上得到用于加工的聚焦圆弧，对基材进行打孔加工。

上述激光打孔的方法中，步骤2也可以为激光器产生的激光束经扩束、准直、偏振处理后入射到LCOS上；图象处理器将步骤1得到的每幅圆弧图像的灰度图依次转换为相位全息图，经视频数据接口逐幅加载到LCOS上；LCOS的反射光经变焦***和光阑后入射聚焦到基材上，在基材上得到用于加工的聚焦圆弧，对基材进行打孔加工。

如上所述的激光打孔方法，其圆环图像的圆环宽度为1～10个像元；n可为1～10段。

本发明技术方案中，为了在待加工基材上得到用于加工的聚焦圆弧，可采用如下两种方案：

其一是，设计直径为Φ个像元数的圆环图像，其直径Φ的确定按下式：

，

其中，W为待加工孔的孔径，D为 LCOS的像元尺寸，I为LCOS较短边含有的像元数，λ为激光器产生的激光束的波长，f为变焦***的焦距，从而在待加工基材上得到用于加工的聚焦圆弧；

其二是，先设定圆环图像的直径为Φ个像元数，变焦***的焦距f按下式调节：

，

其中，W为待加工孔的孔径，D为 LCOS的像元尺寸，I为LCOS较短边含有的像元数，λ为激光器产生的激光束的波长，从而在待加工基材上得到用于加工的聚焦圆弧。

本发明涉及一种采用LCOS实现光束扫描的新型激光打孔技术，将打孔所需的空心圆光束分割成小段圆弧，以提高激光束能量密度。由于LCOS存在-1级衍射，其表现出来的现象是衍射光会以0级光点成中心对称，为了排除-1级衍射光的影响，将圆环分割成关于圆心成中心对称长度相等的两段圆弧，有利于消除-1级衍射光可能引起的孔径边缘粗糙问题。

本发明技术方案包括三个方面，其工作原理分别为：1、计算机产生相位图部分：该部分是结合打孔参数，如孔的直径、特殊形状要求、所需能量密度，来绘制出对应的原始灰度图，接着通过离散傅里叶迭代算法将原始灰度图转换成加载到LCOS上的相位全息图。2、LCOS上加载相位图并反射衍射光束部分：LCOS加载计算机生成的相位全息图，激光束（可使用宽光束）通过偏振器后入射到LCOS表面并产生反射光，偏振器的偏振方向与LCOS液晶分子的光轴相一致。3、透镜组成像部分：对LCOS反射光用透镜组进行逆傅里叶变换并聚焦成细光束，在硅片表面再现形成圆弧形光束，用于打孔。

本发明采用LCOS衍射器件来实现光束扫描，LCOS只需加载一系列灰度图像而不需要部件移动就能达到与振镜扫描或光学元件转动同样的效果，因而不会存在由于磨损而精度下降的问题，此方法还可以使用宽光束，使用宽光束因为能量密度低的特点同样可以减少器件损坏。

本发明将LCOS用于激光打孔技术中，利用圆弧光束代替点光束，避免了机械部件运动造成的精度下降问题，提高了打孔效率并促进了打孔装置的小型化。同时，本发明所用的打孔方式易于调节孔径的大小与形状，操作方便。

本发明通过在LCOS上加载不同的相位全息图产生系列圆弧衍射光束，圆弧光束在硅片上切出一系列圆弧形状，最终拼接形成圆形小孔。该打孔方式可以在长期使用中保持高精度、显著提高打孔效率，可以使用对器件损害较小的宽光束。有利于保障激光打孔装置稳定高效工作。凭借体积较小的LCOS器件产生圆弧光束打孔有利于打孔装置小型化。

与现有技术相比，本发明具有下述效果：

1、基于LCOS的激光打孔方式可以更好的保持打孔精度；

2、操作更加便捷并且装置可以小型化。

附图说明

图1是本发明实施例提供的LCOS激光打孔装置的结构示意图；

图中，1、激光器；2、扩束镜；3、凸透镜（准直透镜）；4、计算机控制的图象处理器；5、LCOS；6、变焦***；7、基材；8、激光束；9、视频数据线；10、孔径可调光阑；11、偏振器（二分之一波片或偏振棱镜）

图2-图4是采用本发明实施例提供的LCOS激光打孔装置，在打孔圆弧参数设计、相位全息图处理及得到用于打孔光束的光束各步骤中的图像；其中，图2为按打孔参数设计的对称圆弧的灰度图，图3为经离散傅里叶变换法处理后得到的相位全息图，图4为用CCD采集到的经LCOS反射的圆弧形光束，即用于打孔的光束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1

参见附图1，它是本发明实施例提供的LCOS激光打孔装置的结构示意图；激光器1产生的激光束8依次经扩束器2、凸透镜（准直透镜）3、偏振器11处理后入射到LCOS 5 上；LCOS的反射光经变焦***6和孔径可调光阑10后入射到待加工基材7上； LCOS 通过视频数据线9及接口与计算机图象处理器4联接。在本实施例中，待加工基材为硅片。若激光器产生的激光束为自然光，则偏振器为偏振棱镜；若激光器产生的激光束为偏振光，则偏振器采用二分之一波片，也可采用偏振棱镜。

本实施例采用北京杏林睿光科技有限公司提供的商品化LCOS，型号为RL-SLM-R2，参数如下：

分辨率（LCOS的像元数：长*宽）：1280*1024，

靶面尺寸：0.78inch，

像元尺寸：12.3μm，

填充因子：90%，

相位调制能力：0～1.4 π (532nm)，

反射率：>=70%，

刷新频率：60Hz，

工作波长：400nm～700nm，

灰度阶数：8位，256阶。

打孔的具体步骤如下：

在计算机上安装美国MathWorks公司出品的Matlab软件，作为图象处理器，应用该软件，按式（1）设计圆环图像的直径Φ：

（1）；

其中， W是待加工孔的孔径，100μm；D是LCOS像元尺寸，12.3μm；I是LCOS较短边含有的像元数，即为1024像元；λ为激光器产生的激光束的波长，532nm；f是变焦***的焦距，50mm；计算得到圆环图像的直径Φ为47像元。

根据打孔所需的能量密度大小以及孔的大小设计圆弧段数，按式（2）确定圆弧段数2n：

（2）；

其中，W为待加工孔的孔径（单位：μm）；d为聚焦圆弧的宽度（单位：μm）；P₀为一定脉冲频率下打孔激光能量密度阈值（单位：W/μm²；），P为激光器功率（单位：W）；η为能量转化效率；n向上取整数。

在本实施例中，待加工孔的孔径W为100μm，基材为厚度200μm的硅片，激光脉冲频率为30 kHz，脉冲宽度＜22 ns30 kHz，重复频率为20 ～100 kHz，所需的激光能量密度一般需要P₀为1.27×10^-3W/μm²以上，激光器功率P为5W，装置能量转化效率η=60%，聚焦圆弧的宽度d为 10μm，代入公式（2）可算出 n≈1.3， n取2, 即可将圆环分为2n =4段圆弧(存为2幅图)。在本实施例中，取圆环的宽度为4像元，将圆环平均分割成4段圆弧，以提高激光束的能量密度，即保持单位长度的圆弧能量密度达到打孔的阈值，打孔所需能量密度越大，需要分割成的圆弧数量越多，一般n可在1～10中取。本实施例将圆环分成4段圆弧，得到的圆弧呈圆心对称分布，以每两段对称的圆弧组成一幅图像，得到2幅圆弧图像的灰度图，存于计算机；参见附图2，为按打孔参数设计的对称圆弧中的一幅的灰度图。由于LCOS负1级衍射的存在，所以将圆环分段时采取关于圆心对称的两段对称圆弧分段法，用同时产生的两段圆弧形的光打孔。

采用本实施例提供的激光打孔装置，激光器产生的激光束经扩束镜、准直凸透镜、偏振器处理后入射到LCOS上，偏振器的偏振方向与LCOS的液晶分子长轴的方向一致；计算机将得到的每幅圆弧图像的灰度图依次转换为相位全息图，参见附图3，为图2经离散傅里叶变换法处理后得到的相位全息图，由视频数据线经接口逐幅加载到LCOS上；LCOS的反射光经变焦***和孔径可调光阑透镜后入射到硅片基材上，由于正2级及以上衍射级的存在，所以在基材和成像透镜间加上孔径在1mm～20mm的可调光阑，将除了0级和正负1级衍射光以外的衍射光滤去。参见附图4图，为用CCD采集到的经LCOS反射的圆弧形光束，即可利用于该聚焦圆弧光束对硅片进行打孔加工。在本实施例中，激光束入射到LCOS，用LCOS的反射光进行打孔，将相位全息图逐幅加载到LCOS，LCOS反射光经过透镜组所成的像可以由加载在其上的相位全息图进行调控，当相位全息图加载完毕即可形成圆孔。

实施例2

参考实施例1提供的LCOS激光打孔装置，本实施例提供的LCOS激光打孔装置的结构为：激光器产生的激光束依次经扩束器、偏振器处理后入射到LCOS 上；LCOS的反射光经变焦***和孔径可调光阑后入射到待加工基材上； LCOS 通过视频数据线及接口与计算机图象处理器联接。在本实施例中，待加工基材所在平面与变焦***像方主平面的距离按高斯公式（3）计算得到：

（3）；

其中：为待加工基材所在平面与变焦***像方主平面的距离，为变焦***的焦距，为激光束的发散点到变焦***像方主平面的距离。

在本实施例中，待加工基材为硅片。采用的LCOS产品与实施例1相同。

打孔时，先设定圆环图像的直径Φ为50像元，变焦***的焦距f按式（4）计算：

（4）；

其中，W为待加工孔的孔径，100μm；D为 LCOS的像元尺寸，12.3μm；I为LCOS较短边含有的像元数，1024像元；λ为激光器产生的激光束的波长，532nm，经计算，本实施例变焦***焦距f为47mm。调节变焦***的焦距f，在待加工基材上得到用于加工的聚焦圆弧；

按实施例1中的公式(2)以及激光功率和打孔所需的能量密度大小等参数确定圆弧段数仍然为2n=4段圆弧。在本实施例中，取圆环的宽度为4，将圆环平均分割成4段圆弧，得到的圆弧呈圆心对称分布，以每两段对称的圆弧组成一幅图像，得到2幅圆弧图像的灰度图，存于计算机。调节变焦***焦距f为47mm；计算机将得到的每幅圆弧图像的灰度图依次转换为相位全息图，由视频数据线经接口逐幅加载到LCOS上；LCOS的反射光经变焦***和孔径可调光阑（由于正2级及以上衍射级的存在，所以在基材和成像透镜间加上孔径在1mm～20mm的可调光阑），将除了0级和正负1级衍射光以外的衍射光滤去透镜后入射聚焦到硅片基材上，得到用于加工的聚焦圆弧，对基材进行打孔加工；待相位全息图加载完毕，基材上即可形成所需的圆孔。

Claims

1.一种激光打孔装置，其特征在于：激光器产生的激光束依次经扩束器、偏振器处理后入射到LCOS 上，偏振器的偏振方向与LCOS的液晶分子长轴的方向一致；LCOS的反射光经变焦***和光阑后入射到待加工基材上；所述的LCOS 通过视频数据接口与图象处理器联接。

2.根据权利要求1所述的一种激光打孔装置，其特征在于：待加工基材所在平面与变焦***像方主平面的距离按高斯公式计算得到：

；

3.根据权利要求1所述的一种激光打孔装置，其特征在于：激光器产生的激光束为自然光或偏振光，偏振器为偏振棱镜。

4.根据权利要求1所述的一种激光打孔装置，其特征在于：激光器产生的激光束为偏振光，偏振器为二分之一波片。

5.根据权利要求1所述的一种激光打孔装置，其特征在于：扩束器与偏振器之间设置一个准直透镜。

6.一种激光打孔方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）依据各参数，在图象处理器上设置一个直径为Φ个像元数的圆环图像，所述的参数包括W为待加工孔的孔径，D为 LCOS的像元尺寸，I为LCOS较短边含有的像元数，λ为激光器产生的激光束的波长，f为变焦***的焦距；将所述的圆环平均分割成2n段的圆弧，n为正整数，所述的圆弧呈圆心对称分布；以每两段对称的圆弧组成一幅图像，得到n幅圆弧图像的灰度图；

（2）激光器产生的激光束经扩束、偏振处理后入射到LCOS 上；图象处理器将步骤（1）得到的每幅圆弧图像的灰度图依次转换为相位全息图，经视频数据接口逐幅加载到LCOS上；LCOS的反射光经变焦***和光阑后入射聚焦到基材上，在基材上得到用于加工的聚焦圆弧，对基材进行打孔加工。

7.根据权利要求6所述的一种激光打孔方法，其特征在于：步骤（2）为激光器产生的激光束经扩束、准直、偏振处理后入射到LCOS 上；图象处理器将步骤（1）得到的每幅圆弧图像的灰度图依次转换为相位全息图，经视频数据接口逐幅加载到LCOS上；LCOS的反射光经变焦***和光阑后入射聚焦到基材上，在基材上得到用于加工的聚焦圆弧，对基材进行打孔加工。

8.根据权利要求6或7所述的一种激光打孔方法，其特征在于：所述圆环的宽度为1～10个像元；n为1～10段。

9.根据权利要求6或7所述的一种激光打孔方法，其特征在于：所述的直径为Φ个像元数的圆环图像，其直径Φ的确定按下式：

，

其中，W为待加工孔的孔径，D为 LCOS的像元尺寸，I为LCOS较短边含有的像元数，λ为激光器产生的激光束的波长，f为变焦***的焦距，在待加工基材上得到用于加工的聚焦圆弧。

10.根据权利要求6或7所述的一种激光打孔方法，其特征在于：设定圆环图像的直径为Φ个像元数，变焦***的焦距f按下式调节：

，

其中，W为待加工孔的孔径，D为 LCOS的像元尺寸，I为LCOS较短边含有的像元数，λ为激光器产生的激光束的波长，在待加工基材上得到用于加工的聚焦圆弧。