CN105171235A - 一种双焦点激光微加工装置及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种双焦点激光微加工装置及其加工方法。加工装置包括激光器、第一45度反射镜、第一半波片、第三45度反射镜和聚焦镜，设于第一半波片的输出光路上用于将激光光束分割为水平偏振光束P和垂直偏振光束S的第一偏振片，分别设于水平偏振光路和垂直偏振光路上的水平光路装置和垂直光路装置，设于水平光路装置输出端和垂直光路装置输出端的第二偏振片，水平偏振光束P依次经水平偏振光路、第二偏振片、第三45度反射镜和聚焦镜后于被加工物上形成第一焦点，垂直偏振光束S依次经垂直偏振光路、第二偏振片、第三45度反射镜和聚焦镜后于被加工物上形成第二焦点。本发明具有加工效率高、效果佳的优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种双焦点激光微加工装置及其加工方法。
背景技术
在玻璃、LED晶圆片、硅晶圆片、半导体等激光微细精密加工行业中，随着产品等级的提升，产品的厚度有逐渐变厚的趋势，单纯的单焦点进行多轮次多层加工的方式开始导致生产效率的下滑，所以双焦点激光精密微细加工进行效率提升就显现出重要的意义。
在许多传统激光微加工应用领域中，激光光束通过外光路后进入聚焦镜聚焦后形成一个焦点，利用焦点高峰值功率密度来加工材料。随着被加工材料厚度的增加，加工效率方面的提升所产生的收益越来越引起人们的重视；而只有通过各个组件的共同效率提升，才能达到整体效率提升的优势。机械结构改造、运动速度提升、电控程序优化、软件算法优化等都已经达到了前所未有的高度，而激光器及光路方面的优化就成为了制约激光微细加工效率提升的关键瓶颈问题。
如图1和图2所示，为现有技术中传统单焦点激光微加工外光路示意图，激光器1’发出的激光束70依次通过45度反射镜2’、半波片3’、45度反射镜4’、扩束镜5’、45度反射镜6’和聚焦镜7’(71)后在被加工物8’(73)的表面形成单个焦点(激光在材料内部形成的炸点)进行激光加工。这种单焦点结构的激光微加工装置存在的问题是：加工效率低、加工效果差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的技术问题，提供一种加工效率高、效果佳的双焦点激光微加工装置及其加工方法。
为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：
一种双焦点激光微加工装置，包括激光器、第一45度反射镜、第一半波片、第三45度反射镜和聚焦镜，还包括设于第一半波片的输出光路上用于将激光光束分割为水平偏振光束P和垂直偏振光束S的第一偏振片，分别设于水平偏振光路和垂直偏振光路上的水平光路装置和垂直光路装置，设于水平光路装置输出端和垂直光路装置输出端的第二偏振片，所述水平偏振光束P依次经水平偏振光路、第二偏振片、第三45度反射镜和聚焦镜后于被加工物上形成第一焦点，所述垂直偏振光束S依次经垂直偏振光路、第二偏振片、第三45度反射镜和聚焦镜后于被加工物上形成第二焦点。
根据本发明的一优选实施例：水平偏振光路包括设于水平偏振光路上的第二45度反射镜和设于第二45度反射镜反射光路上的扩束镜，且扩束镜与第二偏振片对应。
根据本发明的一优选实施例：垂直光路装置包括设于垂直偏振光路上的第四45度反射镜，设于第四45度反射镜反射光路上的第五45度反射镜，设于第五45度反射镜反射光路上的第二半波片，设于第二半波片输出光路上的第六45度反射镜，且第六45度反射镜与第二偏振片对应。
根据本发明的一优选实施例：还包括控制所述第一半波片旋转角度的旋转装置。
根据本发明的一优选实施例：所述扩束镜的倍数调整范围为2-8倍，且调整所述扩束镜的倍数调节第一焦点和第二焦点在Z轴方向上的距离。
根据本发明的一优选实施例：所述第一焦点和第二焦点在Z轴方向上的相对距离范围为0-100um。
根据本发明的一优选实施例：所述第一焦点和第二焦点在X轴方向和Y轴方向上的相对距离范围为0-30um。
根据本发明的一优选实施例：还包括用于控制水平偏振光束P和垂直偏振光束S关断的第一光闸控制开关和第二光闸控制开关。
根据本发明的一优选实施例：所述聚焦镜的NA值范围是0.3-0.7。
本发明还提供一种双焦点激光微加工方法，包括以下步骤，
S1、将被加工物放置于聚焦镜的下方；
S2、打开激光器，发出激光束；
S3、激光束依次通过第一45度反射镜、第一半波片和第一偏振片后形成水平偏振光束P和垂直偏振光束S；
S4、水平偏振光束P依次经水平偏振光路、第二偏振片、第三45度反射镜和聚焦镜后于被加工物上形成第一焦点，垂直偏振光束S依次经垂直偏振光路、第二偏振片、第三45度反射镜和聚焦镜后于被加工物上形成第二焦点，所述第一焦点和第二焦点在被加工物内均形成炸点以实现材料的加工。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过在偏振片下产生水平偏振光束和垂直偏振光束，进而实现双焦点对激光精密微加工，提高了加工的效率和效果，相对于传统单焦点激光微加工相比，加工效率成倍增长，应用领域广泛。
附图说明
图1为现有技术中的单焦点激光微加工装置的光路示意图。
图2为现有技术中的单焦点激光微加工材料断面示意图。
图3为本发明的双焦点激光微加工装置的光路示意图。
图4为本发明的双焦点激光微加工材料断面示意图。
图5为本发明的双焦点激光微加工方法流程图。
附图标记说明：1、激光器，2、第一45度反射镜，3、第一半波片，4、第一偏振片，5、第二45度反射镜，6、扩束镜，7、第二偏振片，8、第三45度反射镜，9、聚焦镜，10、被加工物，11、第五45度反射镜，12、第四45度反射镜，13、第二半波片，14、第六45度反射镜。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例一
参阅图3-图4所示，本发明提供一种双焦点激光微加工装置，包括激光器1、第一45度反射镜2、第一半波片3、第三45度反射镜8和聚焦镜9，设于第一半波片3的输出光路上用于将激光光束分割为水平偏振光束P和垂直偏振光束S的第一偏振片4，分别设于水平偏振光路和垂直偏振光路上的水平光路装置和垂直光路装置，设于水平光路装置输出端和垂直光路装置输出端的第二偏振片7，所述的水平偏振光束P依次经水平偏振光路、第二偏振片7、第三45度反射镜8和聚焦镜9后于被加工物10上形成第一焦点62，所述的垂直偏振光束S依次经垂直偏振光路、第二偏振片7、第三45度反射镜8和聚焦镜9后于被加工物10上形成第二焦点63。
在本发明中，激光光束是线偏振态，偏振比大于50:1，激光光束经过第一半波片3以后可以改变激光光束的线偏振角度并且不影响其偏振比例。激光光束经过第一半波片3后再经过第一偏振片4，而由于第一偏振片4的特性是水平偏振分量可以全透过，垂直偏振分量可以45度全反，激光光束经过半波片以后，其偏振角度可以调整为某一个角度，使激光光束同时包含水平偏振分量和垂直偏振分量，进而在经过第一偏振片4后，激光光束被分成两束，即：水平偏振光束P和垂直偏振光束S。
水平偏振光路包括设于水平偏振光路上的第二45度反射镜5和设于第二45度反射镜5反射光路上的扩束镜6，且扩束镜6与第二偏振片7对应。
垂直光路装置包括设于垂直偏振光路上的第四45度反射镜12，设于第四45度反射镜12反射光路上的第五45度反射镜11，设于第五45度反射镜11反射光路上的第二半波片13，设于第二半波片13输出光路上的第六45度反射镜14，且第六45度反射镜14与第二偏振片7对应。
本发明的双焦点激光微加工装置的原理是：激光器1输出的激光光束，经过第一45度反射镜2后，垂直经过第一半波片3和第一偏振片4，由于偏振片4对水平偏振光(P偏振光)具有透过性，对垂直偏振光(S偏振光)具有反射性，通过改变第一半波片3的角度即可以通过第一偏振片4把激光光束分成两束(水平偏振光束P和垂直偏振光束S)，而两束激光光束的能量比例可以通过改变第一半波片的角度来实现，水平偏振光束P通过第二45度反射镜5后进入扩束镜6，经过扩束镜6改变激光光束的发散角度，之后再经过第二偏振片7和第三45度反射镜8，最终进入聚焦镜9后形成第一焦点62；而S偏振光通过45度反射镜11,12,14和第二半波片13，之后进入第二偏振片7和第三45度反射镜8，最终进入聚焦镜9形成第二焦点63，如图4所示。
作为优选，为了能调整第一半波片3的角度，本实施例还包括控制所述的第一半波片3旋转角度的旋转装置(图未示)，该旋转装置可以为电机或旋转气缸或旋转电磁铁等；
这样，旋转装置(图未示)可通过控制第一半波片3的旋转角度来改变第一焦点62和第二焦点63的功率比例，以适应于不同需求的激光加工工艺场合。
第一焦点62和第二焦点63在Z轴方向上的距离可以通过改变扩束镜6的倍数来调整，本实施例中选用扩束镜6的倍数调整范围为2-8倍；在加工过程中，被加工物10需按照预定的轨迹进行运动(可采用现有的运动控制系来控制)，此时第一焦点62和第二焦点63在被加工物10上形成第一光斑和第二光斑，也就是在被加工物10的内部同时形成炸点，达到加工材料目的。
作为优选，本实施例中所述的第一焦点62和第二焦点63在Z轴方向上的相对距离范围为0-100um，而第一焦点62和第二焦点63(或第一光斑和第二光斑)的尺寸均小于2um。
作为优选，本实施例中的被加工物10的厚度大于或等于80um,其可以形成较好的加工效果。
作为优选，本实施例中所述的第一焦点62和第二焦点63在X轴方向和Y轴方向上的相对距离范围为0-30um。
在本实施例中，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向仅仅是三维空间的表示，其也可以采用其他术语来表示，而不影响本发明的实施。
在本实施例中，还可包括用于控制水平偏振光束P和垂直偏振光束S关断的第一光闸控制开关(图未示)和第二光闸控制开关(图未示)；通过控制第一光闸控制开关和第二光闸控制开关即可实现启用双焦点(第一焦点62和第二焦点63)和单焦点(第一焦点62或第二焦点63)的快速准确的切换，达到加工不同厚度的材料的效果。
作为优选，本实施例中所述的聚焦镜9的NA值范围是0.3-0.7。
本实施例的双焦点微加工装置适用于现有玻璃、LED晶圆片、硅晶圆片、半导体等激光微细精密加工行业中，尤其是对于片厚大于130um的LED晶圆片切割效果好，直线度好，崩边量小，斜裂角度小，当激光作用在被加工物内部时，第一焦点62和第二焦点63分别在被加工物10内部形成***点，当被加工物按照一定的轨迹运动的时候，第一焦点62和第二焦点63均在被加工物10内部形成改质层，由于应力的作用，被加工物10的上表面在激光经过的轨迹上形成一定的微裂痕，之后在机械力的作用下达到分离被加工物以达到切割的目的；本实施例与单焦点切割工艺相比，双焦点切割工艺中任意其中的一个焦点的功率均小于单焦点切割所需要的功率，可以明显减小切割后的崩边量，改善切割后的直线度，并且提高整体的外观加工良率和LED芯片的电性能良率。
本实施例的双焦点激光微加工装置的优点在于：可以根据需要改变第一焦点62和第二焦点63在Z轴方向上的距离，也可以实时控制第一焦点62和第二焦点63的功率比，并且在不需要调整光路的情况下，实现单焦点和双焦点快速准确的切换，提高加工效率和改善加工效果，具有很大的应用前景和广泛的推广空间；可根据各种激光微细精密加工的需要，对该装置的光路及配套镜片参数等可以变更，但双焦点效率提升加工物件的核心内容始终没变。
作为优选，本实施例中的激光器的激光波长范围是355nm-1064nm，包含紫外、绿光、红外激光器等其他激光器。
实施例二
参阅图3、图4和图5所示，本实施例还提供一种双焦点激光微加工方法，包括以下步骤，
第一步、将被加工物10放置于聚焦镜9的下方，被加工物10可以选择玻璃、LED晶圆片、硅晶圆片、半导体等；
第二步、打开激光器1，发出激光束，该激光束的波长范围是355nm-1064nm，可为紫外、绿光、红外等其他激光；
第三步、激光束依次通过第一45度反射镜2、第一半波片3和第一偏振片4后形成水平偏振光束P和垂直偏振光束S；
第四步、水平偏振光束P依次经水平偏振光路、第二偏振片7、第三45度反射镜8和聚焦镜9后于被加工物10上形成第一焦点62，垂直偏振光束S依次经垂直偏振光路、第二偏振片7、第三45度反射镜8和聚焦镜9后于被加工物10上形成第二焦点63，第一焦点62和第二焦点63在被加工物10内均形成炸点以实现材料的加工。在此过程中，可通过第一光闸控制开关和第二光闸控制开关即可实现启用双焦点(第一焦点62和第二焦点63)和单焦点(第一焦点62或第二焦点63)的快速准确的切换，达到加工不同厚度的材料的效果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双焦点激光微加工装置，包括激光器(1)、第一45度反射镜(2)、第一半波片(3)、第三45度反射镜(8)和聚焦镜(9)，其特征在于：还包括设于第一半波片(3)的输出光路上用于将激光光束分割为水平偏振光束P和垂直偏振光束S的第一偏振片(4)，分别设于水平偏振光路和垂直偏振光路上的水平光路装置和垂直光路装置，设于水平光路装置输出端和垂直光路装置输出端的第二偏振片(7)，所述水平偏振光束P依次经水平偏振光路、第二偏振片(7)、第三45度反射镜(8)和聚焦镜(9)后于被加工物(10)上形成第一焦点(62)，所述垂直偏振光束S依次经垂直偏振光路、第二偏振片(7)、第三45度反射镜(8)和聚焦镜(9)后于被加工物(10)上形成第二焦点(63)。
2.根据权利要求1所述的双焦点激光微加工装置，其特征在于：所述水平偏振光路包括设于水平偏振光路上的第二45度反射镜(5)和设于第二45度反射镜(5)反射光路上的扩束镜(6)，且扩束镜(6)与第二偏振片(7)对应。
3.根据权利要求1所述的双焦点激光微加工装置，其特征在于：所述垂直光路装置包括设于垂直偏振光路上的第四45度反射镜(12)，设于第四45度反射镜(12)反射光路上的第五45度反射镜(11)，设于第五45度反射镜(11)反射光路上的第二半波片(13)，设于第二半波片(13)输出光路上的第六45度反射镜(14)，且第六45度反射镜(14)与第二偏振片(7)对应。
4.根据权利要求2或3所述的双焦点激光微加工装置，其特征在于：还包括控制所述第一半波片(3)旋转角度的旋转装置。
5.根据权利要求2或3所述的双焦点激光微加工装置，其特征在于：所述扩束镜(6)的倍数调整范围为2-8倍，且调整所述扩束镜(6)的倍数调节第一焦点(62)和第二焦点(63)在Z轴方向上的距离。
6.根据权利要求2或3所述的双焦点激光微加工装置，其特征在于：所述第一焦点(62)和第二焦点(63)在Z轴方向上的相对距离范围为0-100um。
7.根据权利要求2或3所述的双焦点激光微加工装置，其特征在于：所述第一焦点(62)和第二焦点(63)在X轴方向和Y轴方向上的相对距离范围为0-30um。
8.根据权利要求2或3所述的双焦点激光微加工装置，其特征在于：还包括用于控制水平偏振光束P和垂直偏振光束S关断的第一光闸控制开关和第二光闸控制开关。
9.根据权利要求2或3所述的双焦点激光微加工装置，其特征在于：所述聚焦镜(9)的NA值范围是0.3-0.7。
10.一种双焦点激光微加工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
S1、将被加工物(10)放置于聚焦镜(9)的下方；
S2、打开激光器(1)，发出激光束；
S3、激光束依次通过第一45度反射镜(2)、第一半波片(3)和第一偏振片(4)后形成水平偏振光束P和垂直偏振光束S；
S4、水平偏振光束P依次经水平偏振光路、第二偏振片(7)、第三45度反射镜(8)和聚焦镜(9)后于被加工物(10)上形成第一焦点(62)，垂直偏振光束S依次经垂直偏振光路、第二偏振片(7)、第三45度反射镜(8)和聚焦镜(9)后于被加工物(10)上形成第二焦点(63)，所述第一焦点(62)和第二焦点(63)在被加工物(10)内均形成炸点以实现材料的加工。
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