CN116021168A - 椭圆贝塞尔切割头装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了椭圆贝塞尔切割头装置，直接驱动电机通过转接件连接二维平移台，二维平移台通过转接块固定切割头，可驱动切割头旋转和二维平移运动；切割头包含沿光路设置的衍射式锥透镜和聚焦镜，将高斯分布的激光束整形为椭圆贝塞尔分布光束；衍射式锥透镜元件表面具有微结构，微结构呈环形光栅结构；采用椭圆分布的衍射式锥透镜，结合聚焦镜，将高斯分布的超短脉冲激光整形为椭圆贝塞尔光束，在蓝宝石和玻璃引导出沿椭圆长轴方向的裂纹；沿图案切线角度旋转切割头，实现任意图案的加工，避免普通贝塞尔光束加工产生的斜裂纹。提高了激光传输效率、结构十分紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及一种椭圆贝塞尔切割头装置，用于将超短脉冲激光从高斯分布整形成椭圆贝塞尔分布，属于激光加工领域。
背景技术
普通贝塞尔光束加工各向异性的蓝宝石，易产生斜裂纹。专利公开号CN212587848U公开了一种激光装置，采用挡光条等调制器件，获得与调制器件相垂直的椭圆形切割光束，通过轴向旋转调制器件，控制切割方向；但挡光条阻挡了部分光束，降低了加工能量。
本发明采用无阻挡、高透过率的椭圆分布的衍射式锥透镜，结合聚焦镜获得椭圆贝塞尔光束，在蓝宝石和玻璃中引导出沿椭圆长轴方向的裂纹，沿图案切线角度旋转切割头，实现任意图案的加工。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种椭圆贝塞尔切割头装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
椭圆贝塞尔切割头装置，特点是：直接驱动电机通过转接件连接二维平移台，二维平移台通过转接块固定切割头，可驱动切割头旋转和二维平移运动；所述切割头包含沿光路设置的衍射式锥透镜和聚焦镜，将高斯分布的激光束整形为椭圆贝塞尔分布光束。
进一步地，上述的椭圆贝塞尔切割头装置，其中，衍射式锥透镜元件表面具有微结构，微结构呈环形光栅结构，光栅周期d与锥角γ的关系式为：
d＝λ/sin[γ(n-1)]
式中，λ为激光波长，n为材料折射率；
锥角γ范围是0.5°～20°，对应的顶角范围是179°～140°。
进一步地，上述的椭圆贝塞尔切割头装置，其中，微结构为G阶的环形光栅结构，G为整数，每个周期内G个台阶的宽度均为d/G，每个周期内G个台阶相对相位依次构成首项0、末项2(G-1)π/G和公差为2π/G的等差数列。
进一步地，上述的椭圆贝塞尔切割头装置，其中，微结构为G阶的环形光栅结构，G为整数，每个周期内G个台阶相对深度构成首项为0、末项为(G-1)λ/[G(n-1)]和公差为λ/[G(n-1)]的等差数列，n为材料折射率。
进一步地，上述的椭圆贝塞尔切割头装置，其中，衍射式锥透镜的材质为熔融石英玻璃、BK7玻璃或S-LAH64玻璃，室温下，熔融石英玻璃、BK7玻璃和S-LAH64玻璃在1064nm处的折射率分别为1.4496、1.5066、1.7688。
进一步地，上述的椭圆贝塞尔切割头装置，其中，G≥2。
进一步地，上述的椭圆贝塞尔切割头装置，其中，衍射式锥透镜上镀膜；
椭圆方程，长轴和短轴半径分别为a和ell×a，ell表示椭圆的圆度，0％<ell≤100％；
坐标(x,y)处的长轴半径a，
坐标x和y的步长Δ＝d/G，G表示阶数，矩阵长度M为：
R表示衍射式锥透镜元件半径，坐标x和y均由-(M-1)Δ/2为首项、Δ为公差、(M-1)Δ/2为末项的等差数列构成；
椭圆贝塞尔相位Φ，
a∈[0,R]；
转换为直角坐标系，
相位对2π同余，每个周期宽度d内，根据阶数G分为G段区域，每个周期内区域深度构成首项为0、末项为(G-1)λ/[G(n-1)]和公差为λ/[G(n-1)]的等差数列；相位图按阶数拆分为log2G副图，2、4、8、16阶分别1次、2次、3次和4次镀膜、光刻、刻蚀和清洗制程。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
①本发明采用椭圆分布的衍射式锥透镜，结合聚焦镜，将高斯分布的超短脉冲激光整形为椭圆贝塞尔光束，在蓝宝石和玻璃引导出沿椭圆长轴方向的裂纹；沿图案切线角度旋转切割头，实现任意图案的加工，避免普通贝塞尔光束加工产生的斜裂纹；
②省去了准直透镜和挡光条等调制器件，提高了激光传输效率、结构较为紧凑；
③衍射式锥透镜传输效率高，质量重复可控。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对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发明的某些实施例，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：本发明装置的结构示意图；
图2：切割头的原理示意图；
图3：圆度100％的椭圆衍射锥透镜的相位图；
图4：圆度90％的椭圆衍射锥透镜的相位图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，椭圆贝塞尔切割头装置，直接驱动电机(滴滴DD马达)5通过转接件4连接二维平移台3，二维平移台3通过转接块2以及螺钉和顶丝固定切割头1，可驱动切割头1旋转和二维平移运动；切割头1包含沿光路设置的衍射式锥透镜12和聚焦镜13，将高斯分布的激光束11整形为椭圆贝塞尔分布光束14。
衍射式锥透镜12适用于的波长λ是1064nm、1030nm、532nm、515nm。光束为短脉冲激光，脉宽范围0.1～100ps。
椭圆贝塞尔光束，在蓝宝石和玻璃引导出沿椭圆长轴方向的裂纹。沿图案切线角度旋转切割头，实现任意图案的加工。
衍射式锥透镜12的材质为熔融石英玻璃、BK7玻璃或S-LAH64玻璃。
采用相位调制器干涉光刻设备和感应耦合等离子体刻蚀设备，在衍射式锥透镜12元件表面上加工微结构。
微结构呈环形光栅结构，光栅周期d与锥角γ的关系式为：
d＝λ/sin[γ(n-1)]
式中，λ为激光波长，n为材料折射率；折射率与材料和波长等因素有关。
锥角γ范围是0.5°～20°，对应的顶角范围是179°～140°。
室温下，熔融石英玻璃、BK7玻璃和S-LAH64玻璃在1064nm处的折射率分别为1.4496、1.5066、1.7688。
不同阶数下，衍射式锥透镜元件的环形光栅结构不同。微结构为G阶的环形光栅结构，G为整数，每个周期内G个台阶的宽度均为d/G，每个周期内G个台阶相对相位依次构成首项0、末项2(G-1)π/G和公差为2π/G的等差数列。每个周期内G个台阶相对深度构成首项为0、末项为(G-1)λ/[G(n-1)]和公差为λ/[G(n-1)]的等差数列，n为材料折射率；G≥2；
衍射式锥透镜12上镀膜；
椭圆方程，长轴和短轴半径分别为a和ell×a，ell表示椭圆的圆度，0％<ell≤100％；
坐标(x,y)处的长轴半径a，
坐标x和y的步长Δ＝d/G，G表示阶数，矩阵长度M为：
式中R表示衍射式锥透镜元件半径，坐标x和y均由-(M-1)Δ/2为首项、Δ为公差、(M-1)Δ/2为末项的等差数列构成；
椭圆贝塞尔相位Φ，
a∈[0,R]；转换为直角坐标系，
相位对2π同余，每个周期宽度d内，根据阶数G分为G段区域，每个周期内区域深度构成首项为0、末项为(G-1)λ/[G(n-1)]和公差为λ/[G(n-1)]的等差数列；相位图按阶数拆分为log2G副图，2、4、8、16阶分别1次、2次、3次和4次镀膜、光刻、刻蚀和清洗制程。
如图2所示，高斯分布的10ps激光束11经过衍射式锥透镜12和聚焦镜13，整形为椭圆贝塞尔光束14。
1°的锥角，λ＝1064nm波长，对应的光栅周期为135.6μm。为显示方便，采用4阶的光栅水平，每个像素宽度33.9μm，直径25.4mm、1.27mm的DOE像素分别为749×749、37×37。为显示方便，采用直径1.27mm的DOE来描述，直径25.4mm的DOE计算相同，其他锥角的DOE计算也相同。圆度为100％和90％的椭圆衍射锥透镜的相位图如图3、图4，圆度为100％时相位图中心对称，x和y方向均为4个周期；圆度90％时相位图非中心对称，图中水平和竖直方向分别有4个和5个周期，相位相同的点构成椭圆，每个周期4个灰度，相位分别为0、2π/4、2π/4、3π/4，采用熔融石英作为材料，相应的台阶深度分别为0、592nm、1183nm、1775nm。
相位图多次刻蚀辐照，每次刻蚀前镜片用异丙醇清洗并用N2干燥，然后沉积铬层以防电荷沉积导致离子束偏移，接着沉积正光刻胶。
光刻胶用相位调制器干涉光刻设备：NanoCrystal(http://www.svgoptronics.com/index.php？route＝product/product&path＝4&product_id＝18)辐照，线宽范围100nm到10um、加工幅面300mm×300mm，速度50-300mm/s，可在光刻胶上快速加工掩膜版，像素宽度33.9μm通过多线辐照加工。采用ICP(inductively coupled plasma，感应耦合等离子体)装置进行离子束刻蚀，刻蚀气体采用三氟甲烷CHF3、氩气Ar和氧气O2的混合物，流量分别用200、20和5sccm(标况毫升每分)；刻蚀玻璃后用溶液去除铬层。
综上所述，本发明采用椭圆分布的衍射式锥透镜，结合聚焦镜，将高斯分布的超短脉冲激光整形为椭圆贝塞尔光束，在蓝宝石和玻璃引导出沿椭圆长轴方向的裂纹；沿图案切线角度旋转切割头，实现任意图案的加工，避免普通贝塞尔光束加工产生的斜裂纹。
省去了准直透镜和挡光条等调制器件，提高了激光传输效率、结构较为紧凑；衍射式锥透镜传输效率高，质量重复可控。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (7)
1.椭圆贝塞尔切割头装置，其特征在于：直接驱动电机(5)通过转接件(4)连接二维平移台(3)，二维平移台(3)通过转接块(2)固定切割头(1)，可驱动切割头(1)旋转和二维平移运动；所述切割头(1)包含沿光路设置的衍射式锥透镜(12)和聚焦镜(13)，将高斯分布的激光束(11)整形为椭圆贝塞尔分布光束(14)。
2.根据权利要求1所述的椭圆贝塞尔切割头装置，其特征在于：衍射式锥透镜(12)元件表面具有微结构，微结构呈环形光栅结构，光栅周期d与锥角γ的关系式为：
d＝λ/sin[γ(n-1)]
式中，λ为激光波长，n为材料折射率；
锥角γ范围是0.5°～20°，对应的顶角范围是179°～140°。
3.根据权利要求2所述的椭圆贝塞尔切割头装置，其特征在于：微结构为G阶的环形光栅结构，G为整数，每个周期内G个台阶的宽度均为d/G，每个周期内G个台阶相对相位依次构成首项0、末项2(G-1)π/G和公差为2π/G的等差数列。
4.根据权利要求2所述的椭圆贝塞尔切割头装置，其特征在于：微结构为G阶的环形光栅结构，G为整数，每个周期内G个台阶相对深度构成首项为0、末项为(G-1)λ/[G(n-1)]和公差为λ/[G(n-1)]的等差数列，n为材料折射率。
5.根据权利要求1或2所述的椭圆贝塞尔切割头装置，其特征在于：衍射式锥透镜(12)的材质为熔融石英玻璃、BK7玻璃或S-LAH64玻璃，室温下，熔融石英玻璃、BK7玻璃和S-LAH64玻璃在1064nm处的折射率分别为1.4496、1.5066、1.7688。
6.根据权利要求3或4所述的椭圆贝塞尔切割头装置，其特征在于：G≥2。
7.根据权利要求1所述的椭圆贝塞尔切割头装置，其特征在于：衍射式锥透镜(12)上镀膜；
椭圆方程，长轴和短轴半径分别为a和ell×a，ell表示椭圆的圆度，0％<ell≤100％；
坐标(x,y)处的长轴半径a，
坐标x和y的步长Δ＝d/G，G表示阶数，矩阵长度M为：
R表示衍射式锥透镜元件半径，坐标x和y均由-(M-1)Δ/2为首项、Δ为公差、(M-1)Δ/2为末项的等差数列构成；
椭圆贝塞尔相位Φ，
a∈[0,R]；
转换为直角坐标系，
相位对2π同余，每个周期宽度d内，根据阶数G分为G段区域，每个周期内区域深度构成首项为0、末项为(G-1)λ/[G(n-1)]和公差为λ/[G(n-1)]的等差数列；相位图按阶数拆分为log2G副图，2、4、8、16阶分别1次、2次、3次和4次镀膜、光刻、刻蚀和清洗制程。
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