專利名稱：采用lcos的激光微加工系統及其加工方法
技術領域：
本發明涉及一種采用LC0S(Liquid Crystal on Silicon,娃基液晶或液晶娃處理器)的激光微加工系統及其加工方法，屬于激光微加工技術領域。
背景技術：
在目前的激光微加工設備中，激光波束控制采用的是振鏡(galvanometricscanner)或光束旋轉器(helical)(或旋光模組)技術，它們在加工設備中都呈現為機械運動部件，前者在兩維方向各采用一個偏轉鏡面、后者采用電機驅動棱鏡旋轉，這兩類結構都對環境條件敏感、機械磨損、經常需要調節、缺乏靈活性、體積和重量大，因而成為高精度激光微加工設備中的一個主要技術問題
發明內容
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本發明的目的在于克服上述不足，提供一種使用方便且加工精度穩定的采用LCOS的激光微加工系統及其加工方法。本發明的目的是這樣實現的一種采用LCOS的激光微加工系統，所述系統包含有用于產生激光的激光發生器，所述激光發生器發出的激光的光路上依次設置有擴束鏡、LC0S、縮束鏡和聚焦鏡，所述LCOS與一計算機處理器相連。本發明采用LCOS的激光微加工系統，射入LCOS的激光經LCOS反射后射向縮束鏡。本發明采用LCOS的激光微加工系統，射入LCOS的激光穿透LCOS后射向縮束鏡。本發明采用LCOS的激光微加工系統的加工方法，所述方法包含有以下步驟步驟一、激光發生器發出的激光經擴束鏡后入射到LCOS上；步驟二、與LCOS相連的計算機處理器通過計算機程序改變加載在LCOS的液晶層上的電壓，從而改變液晶層的折射率分布，使得激光改變前進光路的方向；步驟三、射出LCOS的激光經縮束鏡和聚焦鏡后射向待加工件。本發明采用LCOS的激光微加工系統的加工方法，所述激光發生器發出多個激光波束或者將一束激光分為多個激光波束，所述LCOS分為多個獨立區域，多個激光束分別射向LCOS上的不同區域。與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明采用計算機程序控制LCoS的工作，并使其能夠快速和任意地改變激光波束的出射方向，反應速度快且精準；該技術沒有機械運動部件，因此無磨損和振動、不受環境影響，大大提高了整個系統的使用靈活性和精度，克服了振鏡和旋光模組等機械結構特征所具有的缺點，在中低功率激光微加工設備中可以實現多光束工作，光束方向可以動態調節，并具有激光功率調節、波束重組等可重構性；該發明通過采用光學波束變換技術，克服了 LCoS在較高激光功率下的使用限制。


圖I為本發明采用LCOS的激光微加工系統工作于反射模式下的結構示意圖。圖2為本發明采用LCOS的激光微加工系統工作于傳輸模式下的結構示意圖。其中激光發生器I、擴束鏡2、LC0S3、計算機處理器4、縮束鏡5、聚焦鏡6、待加工件7。
具體實施例方式參見圖I和圖2,本發明涉及的一種米用LCOS的激光微加工系統,所述系統包含有 用于產生激光的激光發生器1，所述激光發生器I發出的激光的光路上依次設置有擴束鏡
2、LC0S3和縮束鏡5，射出縮束鏡5的激光經由聚焦鏡6聚焦后射向待加工件7 ；LCOS (Liquid Crystal on Silicon,娃基液晶),所述LCOS主要由娃集成電路層、液晶層和ITO電極層構成；LC0S3的硅集成電路層與計算機處理器4相連，通過計算機處理器4上的程序可實現對LC0S3的控制，其控制原理為通過計算機處理器4實現與LC0S3的硅集成電路層的電連接，通過計算機處理器4上的程序可實現對LC0S3的液晶層的電壓分布進行改變和控制，進而導致液晶層折射率的分布的改變，液晶層呈現為陣列液晶單元，其中的各個單元可由程序獨立控制，由于液晶層可被電極分成各個獨立的單元，其折射率取決于施加于電極上的電壓，因而通過計算機處理器4上的程序可方便地通過控制電極上的電壓實現對液晶層不同單元和區域的折射率的控制，即形成一種相位光柵，結果，射入LC0S3的激光能夠通過改變相位光柵參數而獲得需要的輸出光線路徑，實現了光波束的動態改變方向的操作。類似地，通過計算機處理器4上的程序可以控制電極上的電壓實現對液晶層不同單元和區域的折射率數值的控制，以使得射入LC0S3的激光經過相位光柵后其強度被改變，從而實現激光微加工動態功率調節。激光波束方向控制和激光波束功率控制都可以通過計算機程序的設置執行自動操作。參見圖1，當本發明采用LCOS的激光微加工系統工作于反射模式下時，采用的LCOS在液晶層和硅集成電路層之間有一鏡面介質層，射入LC0S3的激光經ITO電極層和液晶層后射入到鏡面介質層，經鏡面介質層反射后再依次經液晶層和ITO電極層射出LC0S3 ；參見圖2，當本發明采用LCOS的激光微加工系統工作于傳輸模式下時，采用的LCOS的硅集成電路層為制作在藍寶石基片上的一層薄膜硅集成電路，射入LC0S3的激光穿過硅集成電路層、液晶層和ITO電極層后射出LC0S3 ；本發明涉及的一種采用LCOS的激光微加工系統的加工方法包含有以下步驟步驟一、激光發生器I發出的激光經擴束鏡2后入射到LC0S3上；步驟二、與LC0S3上的硅集成電路層相連的計算機處理器4通過程序改變加載在LC0S3液晶層上的電壓，從而改變液晶層的折射率，使得激光達到改變前進光路的方向或改變其強度的目的；步驟三、射出LC0S3的激光經縮束鏡5和聚焦鏡6后射向待加工件7 ；加工時，可采用多個激光束，LC0S3被分為多個獨立區域，不同激光束發出的激光分別射向LC0S3上的不同區域，通過計算機處理器4上的程序可方便的對LC0S3上的多個區域進行獨立的控制，從而實現多光束的控制和處理。本發明中LCOS的控制原理為
通過專門的計算機程序和電子驅動器對LCOS進行驅動，液晶層便產生取決于施加電壓的折射率變化、形成一定的相位光柵；相位光柵可以改變通過它的光波束的波前，從而使光波束的方向或其強度產生變化；通過改變計算機程序改變施加在液晶單元的電壓分布即改變了相位光柵的參數，輸出波束的方向或其強度也隨之改變。對于一個二維LCoS，輸出一階衍射波束在X-和y_方向的角度Θ x/y由光波長λ和一個相位光柵周期內的液晶陣列參數Sx/y (液晶單元線度)和Nx/y (液晶單元數量)決定θχ"=λ / [(Sx/y) (Nx/y)]由于液晶層只有當加載電壓分布以后才形成相位光柵，因此通過改變程序里的指令可以改變sx/y (液晶單元線度)和Nx/y (液晶單元數量)的數值，從而LCoS輸出的激光波束的角度可以通過程序任意改變。通常一階衍射波束具有高效率和±0. 23°的角度，但是經過優化設計的LCoS其輸出波束的偏轉角可達到±7.4°。而波束控制效率η可由數字化相位數量M決定·η (M) = [Sin ( n /M) / ( π /M)] 2而這種光束改變的速度由液晶的反應速度決定。目前液晶響應速度可到達IOkHz即100 μ S，快于振鏡和光束旋轉器的速度。如果激光束聚焦到直徑10 μ m加工處理一個直徑100 μ m的孔，那么由LCOS激光波束控制決定的工作速度可以達到每秒318周；同時，在本發明中，使用一個二維LCoS計算機處理器，可以實現多光束同時控制；其方法是根據不同的需要劃分LCoS液晶工作區域為多個分區域，每一個分區域處理一個激光光束。以這樣的方式，激光微加工的效率、靈活性和設備的智能化可以獲得提高。本發明中激光功率密度控制原理由于激光微加工使用的激光功率在瓦級，因此，來自激光器的激光束必須先進行光束擴束，然后再入射在LCoS上，從而保證LCoS在較低的激光照射密度下工作而不會損壞。為了能夠處理材料，LCoS輸出的大口徑激光束必須經縮束鏡減小波束尺寸和聚焦鏡聚焦后投射在材料表面；以Hamamatsu X10468系列針對大功率激光器應用的LCoS-SLM產品為例，該系列產品對于不同波長的激光光源(365nm、532nm、800nm、1030nm> 1064nm)和不同波長的介質鏡面(350-420nm、460-560nm、750-850nm、1000-1100nm)，LCoS 激光工作功率密度視情形不同可從O. 5ff/cm2到2W/cm2。因此，一個工作半徑I. 5cm的LCoS可以視情形不同用于3. 5W到7W的激光功率，更大LCoS可用于更高的激光功率。例如，用一個Hamamatsu X10468類型2-LCoS (介質鏡面為750nm-850nm范圍)控制和處理Ti =Sapphire短脈沖激光(工作波長800nm，脈沖寬度50fs，重復頻率IkHz)，該LCoS直徑為Ilmm時，可以工作在2. 73W平均功率、54GW峰值功率下10小時而不會損壞。但是當直徑減少到9mm時該LCoS在相同激光照射3小時后中心部位液晶開始溶解。用功率密度(Pd)、光束直徑(D )以及激光功率P之間的關系Pd (ff/cm2) = (250/D2) P,(D是激光波束直徑以mm為單位)可以計算所需要的光束變換的參數(D12) (Pdl) = (D22) (Pd2)在2_激光束以IOW入射的情況下，要求Hamamatsu X10468具有2W/cm2功率密度的LCoS有直徑35mm的工作面積。波束變換光學系統的變換比是17. 5 ；本發明中LCoS的程序控制
以計算機程序對單波束或多波束激光執行快速和瞬時的激光方向和激光功率的改變；其原理是以編寫計算機程序改變對施加于LCoS單元的電壓分布，從而產生一個液晶區域的折射率分布并取得一個相位光柵的效應。該光柵參量可以通過計算機程序設置和改變，因此對于通過該區域的光束，因其波前被改變從而輸出的光束方向被改變。這種改變可以是根據不同的工藝應用需要由計算機程序快速產生。·
權利要求
1.一種采用LCOS的激光微加工系統，其特征在于所述系統包含有用于產生激光的激光發生器(1)，所述激光發生器(I)發出的激光的光路上依次設置有擴束鏡(2)、LC0S (3)、縮束鏡(5 )和聚焦鏡(6 )，所述LCOS (3 )與一計算機處理器(4 )相連。
2.如權利要求I所述一種采用LCOS的激光微加工系統，其特征在于射入LC0S(3)的激光經LCOS (3)反射后射向縮束鏡(5)。
3.如權利要求I所述一種采用LCOS的激光微加工系統，其特征在于射入LC0S(3)的激光穿透LCOS (3)后射向縮束鏡(5)。
4.如權利要求I所述一種采用LCOS的激光微加工系統的加工方法，其特征在于所述方法包含有以下步驟 步驟一、激光發生器(I)發出的激光經擴束鏡(2)后入射到LCOS (3)上； 步驟二、與LCOS (3)相連的計算機處理器(4)通過計算機程序改變加載在LCOS (3)的液晶層上的電壓，從而改變液晶層的折射率分布，使得激光改變前進光路的方向或改變其強度； 步驟三、射出LCOS (3)的激光經縮束鏡(5)和聚焦鏡(6)后射向待加工件(7)。
5.如權利要求4所述一種采用LCOS的激光微加工系統的加工方法，其特征在于所述激光發生器(I)發出多個激光波束或者將一束激光分為多個激光波束，所述LCOS (3)分為多個獨立區域，多個激光束分別射向LCOS (3)上的不同區域。
全文摘要
本發明涉及一種采用LCOS的激光微加工系統，所述系統包含有用于產生激光的激光發生器(1)，所述激光發生器(1)發出的激光的光路上依次設置有擴束鏡(2)、LCOS(3)、縮束鏡(5)和聚焦鏡(6)，所述LCOS(3)與一計算機處理器(4)相連。本發明采用LCOS的激光微加工系統，通過采用計算機程序實現激光波束的方向和強度的改變和控制、避免了使用機械運動部件，使用靈活性強且加工精度穩定，對激光微加工設備的光束控制和處理技術是一種革命性的改變。
文檔編號B23K26/067GK102896421SQ20121026541
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月30日 優先權日2012年7月30日
發明者沈明亞, 趙裕興 申請人:沈明亞, 蘇州德龍激光股份有限公司