專利名稱：采用液晶光閥整形的激光直寫加工系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種新型加工系統，特別是涉及一種激光直寫加工的方法及裝置，屬于激光加工技術領域。
背景技術：
激光直寫是將激光聚焦在材料上，通過高溫燒蝕，在被加工材料表面加工出所需圖案的激光加工技木。現有的激光直寫技術通常是通過將激光匯聚到一點實現加工。通過控制匯聚點的·精確的、有規律的移動，直寫出所需要的圖形。但是受到激光燒蝕時間、聚焦點移動速度的影響，這種直寫方案的效率低，加工成本高。液晶光閥作為ー種整形器件，能夠實現對注入激光束的精確整形。液晶光閥是在兩片透明電極基板之間充入10微米左右厚的向列扭轉液晶，使液晶分子的長軸在基板間發生90°的扭曲。向列扭轉液晶(twisted nematic liquid crystal, TNLC)分子材料沒有電壓加載時，光經過光閥后偏振態被旋轉90° ,如果有電壓加載在向列扭轉液晶上,分子的取向受到外加電場的影響，而通過光的偏振態會沿著分子取向而改變。這就使得外加電壓能夠精確控制透過光的偏振態。將這ー結構放在兩個正交的偏振片之間，就可以實現激光振幅的調制。液晶光閥就是由上述整形微元構成的陣列，每個微元的長和寬均在10微米至40微米之間，陣列橫向包括緊密排布的I至2048個微元，縱向也可以包括I至2048個微元，這樣的一個陣列可以將光束細分成微元數目的子光束，實現對光束的精確調制。通過快速更換加載的整形圖形，可以對直寫激光的能量(功率)分布進行整形，并且整形的速度可以達到微秒量級。液晶光閥包括透射式和反射式兩種。透射式液晶光閥是對入射光束調制并散射和反射不必要的光，在透射方向上形成所需要的圖形；反射式液晶光閥是對入射光束調制并散射不必要的光，在反射方向上形成所需要的圖形。微鏡陣列(Digital micromirror array)基本結構是用微機電系統控制微小反射鏡的反光位置，實現對圖形的編碼。每ー個小鏡子可以被控制朝向不同的方向，來調整反射后光的強度和方向。主要參數是每個微元的長和寬均在10微米至40微米之間，旋轉時間小于10微秒，最大旋轉角度20°，每個微鏡陣列橫向可以包括緊密排布的I至2048個微元，縱向也可以包括I至2048個微元。在現有專利中，針對液晶光閥本身專利很多，比如美國專利US005283676A，闡述了ー種液晶光閥的結構，主要是針對液晶光閥本身技術方案的保護；統寶光電股份有限公司申請的中國發明專利200410008599. X闡述了ー種反射式液晶光閥結構。在激光直寫方面，國內外也有ー些專利，比如中芯國際集成電路制造(上海)有限公司的中國專利200610030624. 3保護了 ー種通過齒形反射鏡折疊光束進行激光直寫的裝置及方法。但是在激光直寫設備中采用液晶光閥整形在國內外的專利檢索中并沒有相關的專利，而本發明成功的實現了寬幅高速激光直寫加工，能夠快速調節來滿足復雜圖形直寫的需求，具有很好的實際應用意義。

發明內容
本發明目的在于提供ー種新型的激光直寫加工技術方案，通過置于系統內部的液晶光閥作為整形器件，實時控制加工光斑的大小，實現對加工槽(孔)的尺寸和側壁傾角的精確控制。本發明的目的是這樣實現的本發明涉及的激光直寫技術方案，如圖I和圖2所示，包括激光光源I ;ー個反射鏡組2 ;前整形透鏡組3 ;液晶光閥4 ;后整形透鏡組5 ;聚焦透鏡6 ;被加工材料7 ;反射鏡或者多面旋轉反射鏡8。在所述的技術方案中，所述的激光光源I用來產生加工用的激光。 在所述的技術方案中，所述的反射鏡組可以添加在激光直寫裝置的各個所需的位置，用來將所述的激光光源發出的光進行折轉。在所述的技術方案中，所述的前整形透鏡組3用來對所述的激光光源發出的光進行初歩整形，使所述的激光光源變成適當直徑的平行光束。在所述的技術方案中，所述的液晶光閥4置于所述的整形透鏡組之后，用來對加エ激光束進行實時的調制，滿足加工需求。在所述的技術方案中，所述的后整形透鏡組5置于所述的液晶光閥之后，用來調整加工激光束的光學參數，滿足加工需求。在所述的技術方案中，所述的反射鏡或者多面旋轉反射鏡8置于所述的后整形透鏡組5之后，用來控制加工激光的匯聚位置。在所述的技術方案中，所述的聚焦透鏡6置于所述的反射鏡或者多面旋轉反射鏡8之后，反射泵浦光和受激輻射產生的信號光，匯聚加工激光。本發明與已有技術相比具有如下的優點通常的加工系統，不能夠在一次掃描軌跡上加工變化的圖形，而通過液晶光閥控制加工光斑的形狀和能量(功率)分布，可以實現任意組合圖形的加工，可以通過控制液晶光閥上面的透過光斑形狀實現對加工凹槽側壁陡峭程度的處理。


圖I是激光直寫加工裝置的技術方案原理圖之一。圖2是激光直寫加工裝置的技術方案原理圖之ニ。圖3是液晶光閥上加載的周期條紋結構。圖4是加載條紋結構時的加工效果。圖5是液晶光閥上加載的變邊緣軌跡條紋結構。圖6是加載的變邊緣軌跡條紋結構的加工效果。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖和實施例將對本發明進ー步詳細說明。實施例I參考圖1，制作ー個包含液晶光閥實時整形的激光直寫裝置。該裝置選用的激光光源I為Coherent公司生產的ー個皮秒脈沖激光器，脈沖寬度15ps，脈沖重復頻率15kHz。該激光光源I形成的輸出通過反射鏡組2進行光束的折轉，反射鏡組2包括3片反射鏡，將激光光源I發出的激光折轉到所需要的位置和角度，從中心通過前整形透鏡組3。前整形透鏡組3包括2片凸透鏡和I片凹透鏡，將激光光源I發出的激光擴束到直徑15_。從前整形透鏡組3出射的直徑15mm的激光束照射在液晶光閥4上。液晶光閥4為SONY公司的LCX016AL-6型透射液晶光閥產品，可用面積26. 6mmX20. Omm，包含像素832X624個，像素間隔32微米。液晶光閥4上面加載周期為5_的明暗相間的豎條紋，其中明暗條紋的占空比為50%。明條紋上的透過率設置為最大，暗條紋的透過率設置為最低，如圖3所示。這樣透過液晶光閥4的激光光束就被調制成為周期5mm的條紋。從液晶光閥4出射的激光束進入后整形透鏡組5。后整形透鏡組5包括I片凸透鏡和I片凹透鏡，將光束進ー步擴束達到直徑50_。出射加工激光束再經過在本實施例中為反射鏡的反射鏡或者多面旋轉反射鏡8反射，經過聚焦透鏡6匯聚到加工面上，將液晶光閥上的圖像按照50 1縮束成像在加工面上。在實際的加工過程中，被加工材料7可以被每次沿垂直光斑條紋方向移動或者沿平行 光斑條紋方向移動。在加工過程中，被加工材料7先沿著平行光斑條紋方向移動，加工出寬的條紋，然后再沿著垂直光斑條紋方向移動一定距離(比如3mm)，然后再沿著平行光斑條紋方向移動，加工出新的一組條紋，然后再沿著垂直光斑條紋方向移動一定距離(比如依然是3_)，這樣就可以快速的直寫出大面積的所需要的結構。在直寫過程中，周期型條紋可以實時的改變，配合被加工材料7的適當移動速度，就能夠實現不同的加工效果。加載在液晶光閥上的條紋如果周期不同，就能夠加工出不同的圖形。比如在液晶光閥上加載如圖5的圖案，并且適當控制各個點的透過率，就會加工出不同邊緣傾斜角度的凹槽。比如圖5中31、32、33三個加載在液晶光閥4上不同的圖形，就對應不同的加工邊緣效果，其邊沿效果如圖6所示。實施例2參考圖2，制作ー個包含液晶光閥實時整形的激光直寫裝置。該裝置選用的激光光源I為北京國科世紀激光技術有限公司生產的ー個脈沖激光器，脈沖寬度20ns，脈沖重復頻率1kHz。該激光光源I形成的輸出通過反射鏡組2進行光束的折轉，反射鏡組2包括2片反射鏡，將激光光源I發出的激光折轉到所需要的位置和角度，從中心通過前整形透鏡組3。前整形透鏡組3包括2片凸透鏡和I片凹透鏡，及其整形光闌。將激光光源I發出的激光整形到20_X 15mm,并消除像差。從前整形透鏡組3出射的激光束照射在液晶光閥4上。液晶光閥4為SONY公司的反射型液晶光閥,可用面積13. 6mmX 10mm,像素間隔32微米。這里的反射型液晶光閥也可以替換成德州儀器公司生產的微鏡陣列產品。液晶光閥4上面加載ー個圖片，控制液晶光閥上各個微元的透過率與圖像的灰度值相同。這樣透過液晶光閥4的激光光束就被調制成了圖像的能量分布。從液晶光閥4出射的激光束經過反射鏡折轉后進入整形透鏡組5。后整形透鏡組5包括I片凸透鏡和I片凹透鏡，將光束擴束并匯聚到達200毫米以外。反射的加工激光束再經過在本實施例中為多面旋轉反射鏡的反射鏡或者多面旋轉反射鏡8反射，匯聚到加工面上，將液晶光閥上的圖像按照5 I縮束成像在加工面上。在實際的加工過程中，被加工材料7可以被每次沿垂直光斑條紋方向移動或者沿平行光斑條紋方向移動。在加工過程中，多面旋轉反射鏡8旋轉，控制加工點在加工材料7上移動，加工所需要的圖案。
權利要求
1.一種采用液晶光閥整形的激光直寫系統，包括激光光源；反射鏡組；前整形透鏡組；液晶光閥；后整形透鏡組；聚焦透鏡；被加工材料；反射鏡或者多面旋轉反射鏡； 在所述的技術方案中，所述的激光光源用來產生加工用的激光； 在所述的技術方案中，所述的反射鏡組可以添加在激光直寫裝置的各個所需的位置，用來將所述的激光光源發出的光進行折轉； 在所述的技術方案中，所述的前整形透鏡組用來對所述的激光光源發出的光進行初歩整形，使所述的激光光源變成適當直徑的平行光束； 在所述的技術方案中，所述的液晶光閥置于所述的整形透鏡組之后，用來對加工激光束進行實時的調制，滿足加工需求； 在所述的技術方案中，所述的后整形透鏡組置于所述的液晶光閥之后，用來調整加工激光束的光學參數，滿足加工需求； 在所述的技術方案中，所述的反射鏡或者多面旋轉反射鏡置于所述的后整形透鏡組之后，用來控制加工激光的匯聚位置； 在所述的技術方案中，所述的聚焦透鏡置于所述的反射鏡或者多面旋轉反射鏡之后，反射泵浦光和受激輻射產生的信號光，匯聚加工激光。
2.按權利要求I所述的激光直寫裝置，其特征在于，所述的激光光源為ー個，可以是脈沖寬度在I飛秒至I秒的激光器，也可以是低功率的連續激光器； 按權利要求I所述的激光直寫裝置，其特征在于，所述的反射鏡組可以不使用，或者包含I至20個反射鏡，用來折轉激光到所需要的位置； 按權利要求I所述的激光直寫裝置，其特征在于，所述的前透鏡組包含I至20個透鏡，用來將激光束進行擴束和準直；所述的前透鏡組可以包含凹透鏡、凸透鏡、平面透鏡、非球面透鏡、微透鏡陣列；所述的前透鏡組在實現擴束和準直的同時還可以具有消除像差的功倉^:。
3.按權利要求I所述的激光直寫裝置，其特征在于，所述的液晶光閥通過在各個微元加載不同的透過率實現對用于激光直寫激光光束的輸出光斑調制；所述的液晶光閥可以將光斑調制成周期性的條紋，實現I至IOmm范圍的一次性直寫；這些周期性的條紋可以是矩形、梯形或者其他曲線邊緣的圖形，來保證加工出凹槽的橫截面形狀和側壁陡峭程度。
4.按權利要求3所述的激光直寫裝置，其特征在于，所述的液晶光閥可以與被加工材料的移動同時控制，或者分別控制移動，實現直寫激光光束從被加工材料表面掃過，同時形成多個被加工的痕跡；在加工過程中還可以控制液晶光閥上各個點的透過率，實現不同激光強度的加工，來保證被加工痕跡的深度和形狀。
5.按權利要求4所述的激光直寫裝置，其特征在于，所述的液晶光閥可以是透射式液晶光閥也可以是反射式液晶光閥，透射式液晶光閥的整形陣列面垂直于光束放置，反射式液晶光閥與入射激光光束方向成一定角度，將入射激光光束調制并反射到恰當的位置。
6.按權利要求I所述的激光直寫裝置，其特征在于，所述的后整形透鏡組包含I至20個透鏡，在將加工激光縮束匯聚到被加工材料表面上的同時，還能夠將液晶光閥面上的光斑成像在加工面上，保持成像圖形與液晶光閥對光束調制結果相同。
7.按權利要求I所述的激光直寫裝置，其特征在于，所述的加工結構件可以被控制上下左右移動，來保證直寫激光束在被加工材料上匯聚的大小和時間長短。
8.按權利要求2所述的激光直寫裝置，其特征在干，所述的反射鏡或者多面旋轉反射鏡可以被控制移動或旋轉，來控制直寫激光束在被加工材料上匯聚的位置和時間長短，結合液晶光閥上的透過光斑形狀，實現變化圖形的加工。
9.按 權利要求I所述的激光直寫裝置，其特征在于，所述的反射式液晶光閥鏡可以用微鏡陣列來代替，實現對光束的強弱控制、整形控制。
全文摘要
本發明涉及一種激光直寫加工的方法及裝置，屬于激光加工技術領域。該裝置是由激光光源、反射鏡組、前整形透鏡組、液晶光閥、后整形透鏡組、聚焦透鏡、被加工材料、反射鏡或者多面旋轉反射鏡構成的一個激光加工裝置。所述的激光光源用來產生加工用的激光，加工用激光經過前透鏡組擴束后，再經過液晶光閥整形，最后經過后透鏡組擴束并匯聚到加工材料上，實現激光直寫加工。本發明的加工裝置可以在高速直寫加工的同時滿足特殊加工形狀的需求，并能夠實現寬范圍的激光直寫加工，具有很好的實際意義。
文檔編號B23K26/38GK102837128SQ20121030882
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月28日 優先權日2012年8月28日
發明者趙天卓, 余錦, 樊仲維, 黃科, 聶樹真 申請人:中國科學院光電研究院, 北京國科世紀激光技術有限公司