CN115351445A - 光束组合装置、***和激光加工装置、控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光束组合装置、***和激光加工装置、控制方法，涉及激光加工技术领域，包括：激光光源,激光光源的出光光路上设置有偏振分光器、合束器和聚焦模组,偏振分光器将激光光源出射的光束分束为偏振方向不同的第一光束和第二光束；第一光束的光路上设置有整形模组，整形模组将第一光束整形为条状光束出射；第二光束的光路上设置有多焦点模组，多焦点模组将第二光束分束以形成多个点状光束与条状光束平行出射；合束器将条状光束和多个点状光束合束连接后以形成连续的组合光束，聚焦模组将组合光束聚焦后以在接收面上形成预设的组合光斑。应用于激光开槽时，组合光斑利于槽型底部的平坦度，实现材料的高效去除，提高了开槽的效率和效果。

Description

光束组合装置、***和激光加工装置、控制方法

技术领域

本申请涉及激光加工技术领域，具体涉及一种光束组合装置、***和激光加工装置、控制方法。

背景技术

在激光加工技术中，可利用激光在产品表面开槽，开槽的时候主要采用一束高斯激光扩束后聚焦，形成极小的焦点光斑，光斑聚焦在材料表面，配合平台的移动完成一条直线的切割。一般，由于单个聚焦光斑直径小于开槽宽度，例如单个聚焦光斑直径在20微米以下，需要开槽宽度在50微米左右，这样在开槽时，需要多次来回切割实现宽度的累积，而这种单点开槽的方法加工出来的槽型底部因为多次加工翻边导致底面凹凸不平，且加工效率和精度都较低，槽型无法达到最佳效果。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种光束组合装置、***和激光加工装置、控制方法，通过组合光束进行开槽，能够提高槽型的底部平坦度和槽型精度。

本申请实施例的一方面，提供了一种光束组合装置，包括激光光源,所述激光光源的出光光路上设置有偏振分光器、合束器和聚焦模组,所述偏振分光器将所述激光光源出射的光束分束为偏振方向不同的第一光束和第二光束；所述第一光束的光路上设置有整形模组，所述整形模组将所述第一光束整形为条状光束出射；所述第二光束的光路上设置有多焦点模组，所述多焦点模组将所述第二光束分束以形成多个点状光束与所述条状光束平行出射；所述合束器将所述条状光束和多个所述点状光束合束连接后以形成连续的组合光束，所述聚焦模组将所述组合光束聚焦后以在接收面上形成预设的组合光斑。

可选地，所述整形模组将所述第一光束整形为光强均匀的平顶光束出射。

可选地，所述整形模组包括依次设置的凹型柱面镜和凸型柱面镜，所述凹型柱面镜和所述凸型柱面镜的焦距比为1:2，所述凹型柱面镜和所述凸型柱面镜之间的间隔为15mm～35mm。

可选地，所述整形模组和所述合束器之间还设置有光阑模组，所述光阑模组将所述条状光束进行空间滤波。

可选地，所述多焦点模组包括依次设置的衍射分光镜片和偏振分光镜，所述第二光束经所述衍射分光镜片被分束成一维的N束点光束，再经所述偏振分光镜后，N束所述点光束被分为2N束所述点光束，且2N束所述点光束呈两列对称排布，以形成多个所述点状光束。

可选地，所述衍射分光镜片和所述偏振分光镜之间设置有半波片，所述半波片用于调节两列所述点光束的功率。

可选地，所述多焦点模组的出光侧还设置有扩束模组，通过所述扩束模组将多个所述点状光束的出光直径实现扩束。

可选地，所述激光光源的波长范围在355nm～1064nm之间,脉宽范围在5fs～250ns之间，所述激光光源的出光直径在1mm～3mm之间。

本申请实施例还提供了一种光束组合***，包括：控制器和如上述光束组合装置，所述控制器分别和所述光束组合***的激光光源、聚焦模组电连接。

本申请实施例还提供了一种激光加工装置，包括如上述的光束组合***，以及加工平台与所述加工平台连接的驱动件，所述加工平台用于承载待加工件，通过所述光束组合***出射的组合光束在所述待加工件的待加工表面形成预设切割槽。

本申请实施例还提供了一种激光加工控制方法，用于控制如上述的激光加工装置，包括：控制激光光源出射高斯激光束；高斯激光束朝向偏振分光器出射，所述偏振分光器将所述光束分束为偏振方向不同的第一光束和第二光束，所述第一光束经整形模组整形为条状光束出射，所述第二光束经多焦点模组形成多个点状光束与所述条状光束平行出射，所述条状光束和多个所述点状光束经合束器合束连接后以形成连续的组合光束射向聚焦模组；所述聚焦模组将将所述组合光束聚焦后射向加工平台上的待加工件，并使所述聚焦模组沿垂直于所述待加工件的待加工表面的方向移动；通过驱动件使所述加工平台沿预设方向移动，以在所述待加工件的待加工表面形成预设切割槽。

可选地，所述控制激光光源出射高斯激光束包括:控制所述激光光源的波长范围在355nm～1064nm之间,脉宽范围在5fs～250ns之间，所述激光光源的出光直径在1mm～3mm之间。

本申请实施例提供的光束组合装置、***和激光加工装置、控制方法，激光光源出射光束，光束经偏振分光器后被分束成第一光束和第二光束，第一光束经整形模组整形后形成条状光束出射，第二光束经多焦点模组后形成多个点状光束出射，多个点状光束与条状光束同向、平行朝向合束器出射，合束器将条状光束和多个点状光束合束、排列、连接后以形成连续的组合光束，组合光束经聚焦模组聚焦后，在接收面上形成预设的组合光斑。本申请能够将激光光源的光束分束成两路光束，两路光束各自形成条状光斑和多个点光斑，再经合束器合束、排列、连接，可形成预设的组合光斑。当将组合光斑应用于激光切割开槽时，条状光斑可作为宽光斑位于中心，多个点光斑作为窄光斑分别位于两边，且条状光斑和点光斑连接形成一体，这样一来，两边的点光斑对预设切割槽的两个边缘进行定位、中心的条状光斑对预设切割槽的中间部分进行切除，提升了槽型的加工精度和加工效果，利于槽型底部的平坦度，且加工效率高，不需多次反复切割，一次即可切割成型，实现材料的高效去除，提高了开槽的效率和效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实施例提供的光束组合装置结构示意图；

图2是本实施例提供的光束组合装置形成的组合光斑图。

图标：100-激光光源；101-偏振分光器；102-整形模组；103-合束器；104-反射镜；105-控制器；106-多焦点模组；107-聚焦模组；200-加工平台；201-待加工件。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请切割表面使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参照图1所示，本申请实施例提供一种光束组合装置，包括：激光光源100,激光光源100的出光光路上设置有偏振分光器101、合束器103和聚焦模组107,偏振分光器101将激光光源100出射的光束分束为偏振方向不同的第一光束和第二光束；第一光束的光路上设置有整形模组102，整形模组102将第一光束整形为条状光束出射；第二光束的光路上设置有多焦点模组106，多焦点模组106将第二光束分束以形成多个点状光束与条状光束平行出射；合束器103将条状光束和多个点状光束合束连接后以形成连续的组合光束，聚焦模组107将组合光束聚焦后以在接收面上形成预设的组合光斑。

激光光源100可为激光器，激光光源100出射的光束为激光束，激光光源100的波长范围在355nm～1064nm之间,脉宽范围在5fs～250ns之间，激光光源100的出光直径在1mm～3mm之间。

激光光源100出射的光束经偏振分光器101后，被分束成第一光束和第二光束，且第一光束和第二光束的偏振方向不同，示例地，第一光束为水平偏振的P型光，第二光束为竖直偏振的S型光。偏振分光器101可为偏振分光立方体，偏振分光器101输入为线性偏振光，输出为透射方向的竖直偏振光和反射90°方向的水平偏振光，搭配1/2波片的旋转，实现P光和S光的连续可调，P光功率范围为0～max，S光的调节范围也为0～max，P光和S光的总功率为输入光功率(不考虑镜片损耗)。

第一光束经整形模组102整形后形成条状光束，第二光束经多焦点模组106后第二光束被分束形成多个点状光束，且多个点状光束和条状光束同向、平行射向合束器103进行合束，合束器103将多个点状光束和条状光束排列后形成组合光束，组合光束经聚焦模组107聚焦后，能够在接收面形成预设的组合光斑。

预设的组合光斑的具体形态根据合束器103可进行调整，例如可形成如图2所示完全合束的组合光斑，图2中的箭头方向表示切割方向。

该组合光斑可应用于加工，例如可应用于激光开槽。当应用于开槽时，可改善现有槽型底部凹凸不平的问题，经合束器103形成的组合光束包括一路条状光束和一路多个点状光束，分别采用这两路光束进行加工，多个点状光束又可分离为两组点光束，两组点光束可定位预设切割槽的两个边缘，通过两组点光束进行预设切割槽的两个边缘隔离开槽，而条状光束进行预设切割槽的中间部分的挖槽，通过条状光束和多个点状光束形成的组合光束进行开槽，极大的改善了现有技术单点加工以致使槽型差的问题。

条状光斑可看成中心宽光斑，点状光斑可看成边缘窄光斑，利用中心宽光斑和边缘窄光斑合并形成的组合光斑开槽，效率可以提升一倍；两边点状光斑分布较多，每个点状光斑平均功率得到了弱化，使得加工效果更好；此外，如图2所示，条状光斑的两端分别和两侧的点状光斑重合连接，这样形成连续的组合光斑，可避免因组合光斑不连续而使不连续部分对应的材料没有被切割到位，造成漏切现象，影响开槽的尺寸和精度。

并且，中心条形光斑和边缘多个点状光斑可以实现功率任意可调，较优的方案是，中心条形光斑的功率与边缘多个点状光斑的功率大约相等；还可以的情况是，中心条形光斑比边缘多个点光斑功率更大，或者，中心条形光斑功率小于边缘多个点光斑功率。

还可通过反射镜104改变光路的方向，以改变光束组合装置的体积，适应不同的场景需求。例如，在偏振分光器101的一侧还可设置有反射镜104，分束的第二光束经反射镜104出射以改变光路，形成图1中第一光束和第二光束平行的光路。通过多焦点模组106形成的多个点光束通过反射镜104入射合束器103，以和条形光束进行合束，形成组合光束，组合光束再通过反射镜104入射聚焦模组107。

综上，本申请实施例提供的光束组合装置，激光光源100出射光束，光束经偏振分光器101后被分束成第一光束和第二光束，第一光束经整形模组102整形后形成条状光束出射，第二光束经多焦点模组106后形成多个点状光束出射，多个点状光束与条状光束同向、平行朝向合束器103出射，合束器103将条状光束和多个点状光束合束、排列后以形成组合光束，组合光束经聚焦模组107聚焦后，在接收面上形成预设的组合光斑。本申请能够将激光光源100的光束分束成两路光束，两路光束各自形成条状光斑和多个点光斑，再经合束器103合束、排列，可形成预设的组合光斑。当将组合光斑应用于激光切割开槽时，条状光斑可作为宽光斑位于中心，多个点光斑作为窄光斑分别位于两边，这样一来，可先通过两边的点光斑对预设切割槽的两个边缘进行划线切割形成预设切割槽的边界定位，再通过中心的条状光斑对预设切割槽的中间部分进行切除，提升了槽型的加工精度和加工效果，利于槽型底部的平坦度，且加工效率高，实现材料的高效去除，提高了开槽的效率和效果。

具体地，第一光束经整形模组102形成的条状光束，可用于加工预设切割槽的中间部分，要使预设切割槽的中间部分的材料能被切除干净，整形模组102将第一光束整形为光强均匀的平顶光束出射。换言之，第一光束经整形模组102后，整形模组102将第一光束整形为条状光束，且条状光束为光强均匀的平顶光束，这样才能尽可能地通过条状光束将预设切割槽的中间部分材料完全切除，避免光束能量不均而造成预设切割槽内的部分材料被遗漏，未完全切除干净，影响预设切割槽的成型和切割效率。

具体地，整形模组102包括依次设置的凹型柱面镜和凸型柱面镜，凹型柱面镜和凸型柱面镜的焦距比为1:2，凹型柱面镜和凸型柱面镜之间的间隔为15mm～35mm。

上述柱面镜的组合设置，能够有效完成将第一光束整形为强度均匀的平顶光束，以条状光束出射的目的。

此外，条形光斑的尺寸还可以通过调节器实现0.5～4倍可变，条形光斑的宽度调节范围为8μm～20μm。

在此基础上，整形模组102和合束器103之间还设置有光阑模组，光阑模组将条状光束进行空间滤波。

第一光束经整形模组102形成光强均匀的平顶的条状光束出射，该平顶的条状光束再经光阑模组，光阑模组对条状光束进行空间滤波，使得条状光束的均匀性更好；并且，还通过光阑模组使得条状光束的边缘清晰，以便能对预设切割槽进行切割后，形成光滑、精度高的表面。

此外，条状光束对应形成的条形光斑的长度，可以通过光阑模组实现连续可调，当光阑模组的尺寸开到最大，条状光束经过聚焦后的成像约为110微米；当阑模组的尺寸开到最小，条状光束对应形成的条形光斑的尺寸为0。

而对于第二光束来说，第二光束经多焦点模组106后形成多个点状光束。多焦点模组106包括依次设置的衍射分光镜片和偏振分光镜，第二光束经衍射分光镜片被分束成一维的N束点光束，再经偏振分光镜后，N束点光束被分为2N束点光束，且2N束点光束呈两列对称排布，以形成多个点状光束。

第二光束经过衍射分光镜片，被分成一维的N束点光束，示例地，可分为四束点光束，每束点光束的分离角度为0.25度，再经过偏振分光镜后，四束点光束会变成八束点光束，八束点光束呈两列对称排布，两列对称排布的点光束分别对应预设切割槽的两个相对的边缘，以对预设切割槽的两个相对的边缘进行定位切割。

其中，衍射分光镜片和偏振分光镜之间设置有半波片，半波片用于调节两列点光束的功率。上述两列对称排布的点光束，左边四束点光束能量和右边四束点光束能量可以通过半波片进行连续调节，典型调节范围是左右两边光斑功率相等。

多焦点模组106的出光侧还设置有扩束模组，通过扩束模组将多个点状光束的出光直径实现扩束。

通过扩束模组的调节，可实现点状光束的出光直径呈2～10倍的变换，可以实现宽度连续可调。根据激光原理，ω'＝λfM2/πω；当激光束正入射透镜时，λ为入射激光波长，f为透镜焦距，ω为激光入射到透镜表面光斑半径，ω'为聚光斑的半径。通过此公式来计算光斑大小，实际光斑可能因透镜像差、衍射等原因使实际光斑较大。可以通过加大束腰位置与透镜位置来加大ω，使光斑变小，焦深Z＝2πω'2/λM2。

具体可参考下表：

在此基础上，本申请实施例还公开了一种光束组合***，包括控制器105和如上任意一项的光束组合装置，控制器105分别和光束组合***的激光光源100、聚焦模组107电连接。

控制器105和激光光源100连接，激光光源100可在控制器105的控制下发射光束，以通过光束分别对待测产品的多个切割道进行切割开槽。

控制器105还可和分束器连接，分束器在控制器105的控制下对激光光源100的光束进行分束，以使激光光源100的光束经过分束器后，形成一路水平偏振的P光和一束竖直偏振的S光。

控制器105和聚焦模组107连接，聚焦模组107在控制器105的控制下沿垂直于待加工件201的待加工表面方向移动，以便在待加工表面进行开槽，形成预设切割槽。

通过控制器105和上述光束组合装置的配合，可实现***的自动控制。

将上述光束组合***应用于激光加工时，本申请实施例还提供一种激光加工装置，包括前述的光束组合***，以及加工平台200与加工平台200连接的驱动件，加工平台200用于承载待加工件201，通过光束组合***出射的组合光束在待加工件201的待加工表面形成预设切割槽。

驱动件驱动加工平台200运动，驱动件与控制器105连接，加工平台200就可在控制器105的控制下，沿待加工表面的预设切割道方向移动，形成完整的一个切割道进行开槽切割，最后得到预设切割槽。

本申请实施例还提供一种激光加工装置，利用激光聚焦到材料表面，再通过聚焦模组107使激光聚焦在材料表面，使激光焦点附近的材料吸收激光能量，材料被打断分子链和离子键后，结合熔融物形成等离子云，等离子元在集尘装置的收集下排出，从而达到去除材料以开槽的目的。

材料去除过程中，因为前述光束组合***的设置，采用第一光束形成的条状光束和第二光束形成的多个点光束这两路光束进行分别加工，多个点光束分离成两组点光束进行边缘隔离开槽，第一光束将高斯激光扩束准直后，配合凹型柱面镜和凸型柱面镜组合，将圆形光斑拉长变成条形光斑，配合方形孔阑对条形光斑进行整形，获得平整的条形光斑，条形光斑进行中间部分的挖槽，通过两路光束搭配使用，达到去除较宽切割道内部所有材料的目的，可有效提升槽型底部的平坦度和加工精度、效率，可以极大的改善单点加工槽型差的问题。

此外，本申请实施例还提供一种激光加工控制方法，用于控制上述的激光加工装置，该方法包括：

S100:控制激光光源100出射高斯激光束。

以待加工件201为晶圆为例，在该步骤之前，先将待加工件201置于加工平台200上，并将待加工件201移动到CCD下方进行粗定位和精定位，以矫正待加工件201；然后调整聚焦模组107，使聚焦模组107的焦点置于待加工件201上，以备加工。

然后启动加工，通过控制器105控制激光光源100，可以控制激光光源100的波长范围在355nm～1064nm之间,脉宽范围在5fs～250ns之间，激光光源100的出光直径在1mm～3mm之间，以调节激光光源100的参数，以适应不同的开槽要求。

其中，形成的高斯激光束朝向偏振分光器101出射，偏振分光器101将光束分束为偏振方向不同的第一光束和第二光束，第一光束经整形模组102整形为条状光束出射，第二光束经多焦点模组106形成多个点状光束与条状光束平行出射，条状光束和多个点状光束经合束器103合束连接后以形成连续的组合光束射向聚焦模组107。

S110:聚焦模组107将将组合光束聚焦后射向加工平台200上的待加工件201，并使聚焦模组107沿垂直于待加工件201的待加工表面的方向移动。

通过控制器105控制聚焦模组107，使聚焦模组107沿垂直于待加工件201的待加工表面方向移动，以在待加工件201的待加工表面形成预设的组合光斑，实现在待加工表面进行开槽。

S120:通过驱动件使加工平台200沿预设方向移动，以在待加工件201的待加工表面形成预设切割槽。

通过控制器105可控制驱动件，进而控制加工平台200可沿预设方向移动，预设方向与预设切割槽的开槽方向一致，这样通过加工平台200的移动，配合聚焦模组107，就可在待加工件201的待加工表面形成预设切割槽。

上述光束组合***、激光加工装置、激光加工控制方法包含与前述实施例中的光束组合装置相同的结构和有益效果。光束组合装置的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种光束组合装置，其特征在于，包括：激光光源,所述激光光源的出光光路上设置有偏振分光器、合束器和聚焦模组,所述偏振分光器将所述激光光源出射的光束分束为偏振方向不同的第一光束和第二光束；

所述第一光束的光路上设置有整形模组，所述整形模组将所述第一光束整形为条状光束出射；所述第二光束的光路上设置有多焦点模组，所述多焦点模组将所述第二光束分束以形成多个点状光束与所述条状光束平行出射；所述合束器将所述条状光束和多个所述点状光束合束连接后以形成连续的组合光束，所述聚焦模组将所述组合光束聚焦后以在接收面上形成预设的组合光斑。

2.根据权利要求1所述的光束组合装置，其特征在于，所述整形模组将所述第一光束整形为光强均匀的平顶光束出射。

3.根据权利要求2所述的光束组合装置，其特征在于，所述整形模组包括依次设置的凹型柱面镜和凸型柱面镜，所述凹型柱面镜和所述凸型柱面镜的焦距比为1:2，所述凹型柱面镜和所述凸型柱面镜之间的间隔为15mm～35mm。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的光束组合装置，其特征在于，所述整形模组和所述合束器之间还设置有光阑模组，所述光阑模组将所述条状光束进行空间滤波。

5.根据权利要求1所述的光束组合装置，其特征在于，所述多焦点模组包括依次设置的衍射分光镜片和偏振分光镜，所述第二光束经所述衍射分光镜片被分束成一维的N束点光束，再经所述偏振分光镜后，N束所述点光束被分为2N束所述点光束，且2N束所述点光束呈两列对称排布，以形成多个所述点状光束。

6.根据权利要求5所述的光束组合装置，其特征在于，所述衍射分光镜片和所述偏振分光镜之间设置有半波片，所述半波片用于调节两列所述点光束的功率。

7.根据权利要求5所述的光束组合装置，其特征在于，所述多焦点模组的出光侧还设置有扩束模组，通过所述扩束模组将多个所述点状光束的出光直径实现扩束。

8.根据权利要求1所述的光束组合装置，其特征在于，所述激光光源的波长范围在355nm～1064nm之间,脉宽范围在5fs～250ns之间，所述激光光源的出光直径在1mm～3mm之间。

9.一种光束组合***，其特征在于，包括控制器和如权利要求1～8任意一项所述光束组合装置，所述控制器分别和所述光束组合***的激光光源、聚焦模组电连接。

10.一种激光加工装置，其特征在于，包括如权利要求9所述的光束组合***，以及加工平台与所述加工平台连接的驱动件，所述加工平台用于承载待加工件，通过所述光束组合***出射的组合光束在所述待加工件的待加工表面形成预设切割槽。

11.一种激光加工控制方法，用于控制如权利要求10所述的激光加工装置，其特征在于，包括：

控制激光光源出射高斯激光束；其中，高斯激光束朝向偏振分光器出射，所述偏振分光器将所述光束分束为偏振方向不同的第一光束和第二光束，所述第一光束经整形模组整形为条状光束出射，所述第二光束经多焦点模组形成多个点状光束与所述条状光束平行出射，所述条状光束和多个所述点状光束经合束器合束连接后以形成连续的组合光束射向聚焦模组；

所述聚焦模组将所述组合光束聚焦后射向加工平台上的待加工件，并使所述聚焦模组沿垂直于所述待加工件的待加工表面的方向移动；

通过驱动件使所述加工平台沿预设方向移动，以在所述待加工件的待加工表面形成预设切割槽。

12.根据权利要求11所述的激光加工控制方法，其特征在于，所述控制激光光源出射高斯激光束包括:

控制所述激光光源的波长范围在355nm～1064nm之间,脉宽范围在5fs～250ns之间，所述激光光源的出光直径在1mm～3mm之间。

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