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衍射光學元件(DOE)在激光材料加工中的應用

時間:2021-11-25 來源:番茄app社区光電 訪問(wen)量:4169

近來(lai),針對工業(ye)用的新激(ji)光(guang)係(xi)統(tong)的開發需(xu)求已經(jing)增(zeng)加(jia)。並已經產(chan)生(sheng)了許多新的(de)工藝(yi),而且(qie)激光添加劑(ji)係統已(yi)經代(dai)替(ti)了許多傳(chuan)統的工(gong)業工藝。 如下圖所示(shi),材料加工在整個激光市(shi)場(chang)中(zhong)占(zhan)有(you)很(hen)大份額:

材料加工在整個激光市場中占有很大份額

衍(yan)射(she)光學元件(jian)(DOE)在提(ti)供(gong)適(shi)合(he)工藝的激光束整(zheng)形中起(qi)著重要(yao)作用。這使得激光束整形和均(jun)化技術(shu)對於(yu)許(xu)多(duo)優(you)化(hua)激光材料(liao)加工應用至(zhi)關重要。 通(tong)常(chang)激光係統從(cong)利用激光開始(shi),並(bing)且通過(guo)添加DOE來提高(gao)性(xing)能(neng),實現(xian)的關鍵參(can)數是(shi):

  • 處(chu)理速(su)度和產量(liang)成(cheng)倍增長;

  • 過程精(jing)度(du):壁陡(dou)度、熱(re)影(ying)響區、處理有效(xiao)性。

燒蝕與結構化

激光燒(shao)蝕是通過用(yong)激光束(shu)照射從固體(或偶(ou)爾為液體)表(biao)麵去除材料的過程。 激光燒蝕(shi)是通過在較(jiao)小的區(qu)域上(shang)施加高能量的短脈衝(chong)來實現的。激光燒蝕已被認為並實際(ji)應用於許多技術應用中,包(bao)括(kuo):納米(mi)材料的產生,金(jin)屬和電(dian)介質薄膜的沉(chen)積(ji),超(chao)導(dao)材(cai)料的製造(zao),金屬(shu)零(ling)件的常規(gui)焊接和粘合以(yi)及(ji)MEMS結構的微加工。番茄视频app苹果的平頂(ding)光束和渦旋透鏡會產生形(xing)狀、邊緣(yuan)清晰(xi)的邊緣斑點(dian),從而(er)在消融(rong)過程中精確去(qu)除(chu)材料。 多點特(te)性支(zhi)持並行(xing)處理(li),從而提高了(le)吞吐量。

激光燒蝕

激光燒蝕

激光構

激光構(gou)造

焊接

激光焊(han)接技術用於通過激光將多塊金屬或塑料連接起來。 光束提供了集中的熱源(yuan),可(ke)以進(jin)行窄(zhai)而深的焊接和高焊接(jie)速率(lv)。 該(gai)過程通常用於自動化等大批量應用中,例(li)如汽(qi)車工業。 結(jie)合切(qie)割(ge)技術,激光非常適合多種(zhong)類型(xing)的焊接(點焊,線焊,軟(ruan)焊)。

激光焊接

激光焊接

均質器能量分布

均質(zhi)器能量分(fen)布

番茄视频app苹果的均質器元件具(ju)有均勻,平坦(tan)的強度曲(qu)線(xian),與輸(shu)入中的非均質性無(wu)關,並且可以設計成為特定焊接曲線量身定(ding)製的形狀分布(bu)。 使(shi)用尾(wei)跡多點輪(lun)廓(kuo),可以預熱焊接區域(yu),然後進行後(hou)處理。

釺焊

在激光釺(qian)焊應用中,兩(liang)塊(kuai)金屬板(ban)通過激光熔化的焊錫絲(si)連接起來。 事實證(zheng)明,在釺焊線熔化之前清(qing)潔和預熱金屬表麵時(shi),連接質量會提高。 典(dian)型應(ying)用在(zai)汽車行業。為此,番茄视频app苹果提供了一(yi)種特殊(shu)的均質器元件,可產生兩個(ge)用於清潔/預(yu)熱的小型前導光束和一個大型均勻光束,將能量均勻地分布在釺焊線上,以實現更好(hao)的熔化和更清潔的邊緣。

激光燒蝕過程

激光燒蝕過程

定製均質機的能量分布

定製均質機的能量分布

穿孔

穿孔(kong)是指在薄(bao)材料或(huo)纖網中的小孔。 激光打孔通常用於食(shi)品(pin)工業的薄片(pian)材料,例如煙(yan)頭(tou)紙或包裝(zhuang)箔(bo)紙(延(yan)長(zhang)了易腐食品的新鮮(xian)度和質量)。這(zhe)樣(yang)的應用需要具有相等(deng)距離的預設計圖(tu)案(an)的精確(que)微觀(guan)孔。光束分束器(qi)DOE提供了顯(xian)而易見的解(jie)決方(fang)案。

食品包裝的激光打孔

食品包裝的激光打孔

食品包裝的激光打孔

9×9多點分束器

激光切割(金屬和玻璃)

激光切割的工作(zuo)原理是引導高功(gong)率激光的輸出,通常通過一個光學係統&移動台(tai),掃(sao)描工件上的焦點並進行切割。它通常用於工業製(zhi)造應用中。其(qi)目的是在不(bu)增加聚焦光學(xue)係統焦距的情況下(xia),擴(kuo)大係統的聚(ju)焦(jiao)深度,或改(gai)善切割質量,減少(shao)切割區域的剝(bo)落(luo)和材料重新熔(rong)化。

激光金屬切割

激光金屬切割

金屬激光切割是在聚焦激光束的焦點處局部加熱材料,使其高於熔點。由此(ci)產生的熔融材料被(bei)氣(qi)流(liu)噴射,從而形成開口切口(kou)。

激光玻璃切割

激光玻(bo)璃(li)切割

玻璃激光切割或激光切割通常采用紅(hong)外波(bo)段的高功率激光進行。由於玻璃對(dui)大多數(shu)波長的光吸收較弱,因此需要更(geng)強大的激光切割玻璃。通過使用聚焦DOE,能量在玻璃晶(jing)片的大(da)部分中傳播。這樣就(jiu)可以進行單程切割,而無需在切割過程(cheng)中調整光斑的焦深和(he)z移動(dong)。這對於隱(yin)形切割尤其有用,在隱形切割中,激光改變(bian)玻璃使其變脆(cui),而不是燒蝕切割,然後玻璃沿激光加工線進行機械分離。

不同的激光鑽孔技術

不同(tong)的激光鑽孔技(ji)術

不鏽鋼管的激光微鑽

不鏽鋼管的激光微鑽(zuan)

鑽孔

激光鑽孔是通過在材料上反複(fu)聚焦脈(mai)衝激光能量並蒸發(fa)熔化的材料來形成通孔的過程。 脈衝能量越(yue)大,熔化和蒸(zheng)發的材料越多。 多年(nian)來,已經發展(zhan)了幾種激光鑽孔技術,包括信號(hao)脈衝,敲擊(ji),環(huan)鑽和螺旋(xuan)鑽孔。 激光鑽孔可用於許多應用中,包括矽晶片和橡膠(jiao)的鑽孔。

為(wei)了提高生產率和生產效率,番茄视频app苹果的Multi-Spot分光鏡已被證明(ming)可以提供準確的結果。 平(ping)頂光束整形器可以提高孔的邊緣質量和直徑精度,而渦旋相(xiang)位板則可以鑽出環形形狀(zhuang)。

激光剝離

激光剝離(li)(LLO)是一種從一種材料中選擇性的除去另(ling)一種材料的技術。 激光束穿過透(tou)明材料投(tou)射,並被背麵的相鄰材料吸收(shou),例如藍(lan)寶(bao)石(shi)上的GaN。 激光剝離(li)分離工藝可處理具有所需精細度和可重複性的大麵積設備。 因此,在LED工業中,分離發光膜以及在電視和移(yi)動設備的顯示器中非常普遍(bian)。

M2轉換模塊

其中M2轉換(huan)模塊是番茄视频app苹果全精細線形解決(jue)方案的一部分,用於將(jiang)多模式圓形輸入(ru)光束轉換為窄激光線,特別(bie)是在紫外(wai)和綠色波長(343、355和532 nm)中。 番茄视频app苹果的解決方案基(ji)於專有的衍射光束整形概念(nian),可以針對從193nm深(shen)紫(zi)外到1600nm 紅外激光器的任(ren)何波長進行定製。 通過利用番茄视频app苹果的解決方案,可以使用成本更低的多模式激光器在細線中實(shi)現有效的功率密度。

將基板與玻璃麵板分離

將基板與玻璃麵板分離

表麵處理(硬化和重熔)

激光表麵(mian)處理的原理是用高功率密度相幹光束與(yu)指定氣體(真空(kong),保(bao)護性氣體或加工氣體)中的表麵之間的相互(hu)作用而導致(zhi)表麵改性。 激光表麵處理的一些典型用途(tu)是激光硬(ying)化和激光重熔。激光硬化是一種熱表麵硬化工藝,在該過程中,材料會(hui)在高於臨(lin)界溫度的短時間(jian)內被加熱,然後迅速冷卻,從而防止(zhi)金屬晶格恢複其原(yuan)始結構並產生非常堅硬的金屬結構。激光重熔是表麵處理的另一種熱方法(fa)。 將組件表麵短暫(zan)加熱到(dao)熔化溫度以上。 然後熔體固(gu)化並重結晶,而化學成分沒有根(gen)本變化。

激光硬化

激光硬化

相關產品

平頂光束整形器

高帽(mao)/平頂式光束整形器將近(jin)高斯(si)入射光轉換成強度均一的圓形,正方形,長方形或線形的光斑(ban)。均一的輸出光斑可對工作麵進行相同的處理,以防部(bu)分區域過曝(pu)或曝光不足(zu)。此外,光束整形器將會輸出一個輪廓清晰且具有平頂特征(zheng)的輸出光斑,其特征在於有一個尖銳的過渡(du)區,該過渡區域在已處理和未(wei)處理區域之(zhi)間創建了清晰的邊界,可在無像差(cha)鏡頭的無限(xian)遠(yuan)或焦距處給出(chu)均勻的強度分布。

平頂光束整形器

高頂(平頂)光束整形器的典型應用包括:激光蝕刻,激光焊接,激光打孔,激光劃片,醫療和美容(rong)激光應用。

螺旋相位板(渦流)

螺旋相位(wei)板將高斯輸入輪廓轉(zhuan)換為中心(xin)能量為零的甜(tian)甜圈形能量環。螺(luo)旋相位板是一種獨(du)特的光學器件,其結構完(wan)全由螺旋或螺旋相位階(jie)梯組成,其目的是控(kong)製透射光束的相位。

螺旋相位板(渦流)

渦(wo)旋相位板通常用於采用單(dan)模激光的精確材料加工,該應用需要的環形直(zhi)徑(jing)較小(xiao)。對於多模激光或較大的環形直徑,番茄视频app苹果通常建議使用番茄视频app苹果的衍射軸(zhou)錐。渦旋相位板的其他(ta)典型應用包括高級(ji)顯微(wei)鏡應用,如STED顯微鏡和激光鑷(nie)子。

渦旋透鏡能量分布

渦旋透鏡(jing)能量分布

沿光軸的細長焦點能量分布

沿光軸的細長焦點能量分布

衍射分束器

衍射分束器(點陣(zhen)分束器)是最基本(ben)的衍射光學元件之一,它(ta)的作用是把(ba)單個入射光分幾(ji)束或多束,且每束光都(dou)具有原始光束的特性(除了其功率和傳播(bo)角(jiao)度變化,不改變初(chu)始光束的直徑、發散(san)角和波前(qian)分布)。分束器的輸出可以是一維(wei)排布,也可以是二(er)維排布,也(ye)可以實現線光斑陣列(lie),排(pai)布完全(quan)可以由(you)用戶(hu)定製,這些通過設計(ji)分束器表麵的衍射圖案來實現的。同時,輸出光束的數量、光束間的夾(jia)角、直線的長度和數量都可以任意(yi)定製。光束的個數更是不受限製,可以為2束、3束,也可以為幾百甚(shen)至上萬束。番茄视频app苹果提供大量的衍射分束器標準(zhun)品供客戶選擇(ze),包括一維光束陣列(1×N)或二維光束的矩(ju)陣(M×N)。僅1064nm一個波長就有約(yue)100種標準型號,其中一維激光分束器的規格包括但不限於一分二、一分四、一分六、一分一百,二維光束分束器的規格包括2×2, 3×3, 7×7,100×100, 128×64等等,最高可達百萬束。

光束分束器(點陣分束器)

根據(ju)元(yuan)件上的衍射圖樣,衍射分束器可以生成一維光束陣列(1xN)或二維光束矩陣(MxN)。衍射分束器與單色(se)光(例如激光束)一起使用,可根據用於特定波長和特定的輸出光束分離角度來設計。光束分離器的典型應用包括:激光刻劃,例如(ru)太(tai)陽能電池(chi)或麵板中的激光劃(hua)片,激光劃片,激光打(da)孔,醫學/美容應用(例如皮膚護理),3D傳感(gan)和投影。

光束均化器(擴散器)

光束均化器(擴散器)的產品可使任何(he)準直輸入光束轉換為具有強度均勻的輸出光束。對於任何波長以及任何形狀都適用。光束均質器在許多需要清晰定義的光束形狀且強(qiang)度分布隨機(ji)分布的應用中非(fei)常有用。光束均質器的輸出主要取(qu)決於輸入光束:在光束均質器的使用上,相比單模(mo)激光,多模激光光束實際上更具優勢(shi),因(yin)為其較低的相幹(gan)性會降(jiang)低(di)斑點的可見性,從而可得到強度更為均一的輸出光。

方形勻束器,六角形勻束器,圓形勻束器

光束均化器(擴散器)的典型應用包括:激光束點整形;激光材料加工,例如:燒蝕,脫(tuo)軌,標(biao)記,劃線和焊接;醫(yi)療(liao)/美容激光治療;準分子激光器的光束整形和熱點減少。

C形光束整形元件

番茄视频app苹果開(kai)發了定製的C形光束整形器元件,以改進焊接工藝,C形強度分布在寬度/深度比(bi)方麵具有優勢,通過給氣泡(pao)一個逃逸(yi)焊縫的地(di)方來減少氧(yang)化和消(xiao)除熱裂紋(wen),基於研(yan)究推薦,番茄视频app苹果提供兩款(kuan)新的C形產品:ST-332-I-Y-A(均勻(yun) C)和 ST-333-I-Y-A(優化邊緣強度分布)。

C形光束整形元件

DeepCleave模塊——激光成絲切割模組

DeepCleave是一款革(ge)命(ming)性的激光玻璃切割產品,通常稱為FI optics(成絲切割),即(ji)激光焦點被拉長成絲狀,沿(yan)Z軸均勻分布。此外,DeepCleave還(hai)是一種衍射光學模組,用於沿(yan)聚焦深度(DOF)增加的區域以恒(heng)定峰值(zhi)功率,將單模高斯輸入光束聚焦到束腰約為1.8 um的窄點上,通常範(fan)圍為0.25-3 mm。獲得(de)的聚焦光斑相當於0.35 NA的物鏡,使DeepCleave模組成為一個完整的光學解決方案,無需使用額外的較高NA物鏡或其他高成本光學器件。

DeepCleave激光成絲切割模組通常用於近紅外波長範圍的激光玻璃切割應用,非常適合切割厚玻璃,例如平麵玻璃。盡管(guan)如此,在綠(lv)色可見(jian)光範圍內的應用也在一些(xie)微觀應用中取得了成功。

每(mei)個DeepCleave激光成絲切割模組在出廠(chang)時都附(fu)有一份(fen)全光特性和單獨的測(ce)試(shi)報告。

DeepCleave光學設置

DeepCleave光學設置

長焦深透鏡

長焦深透鏡可實現更長的聚焦深度以及更高的橫向(xiang)分辨率(更小的光斑尺寸(cun))。長的焦距深度要求小數值孔徑,小的光斑尺寸要求大數值孔徑,這兩者本來是相互衝突(tu)的,但(dan)長焦深透鏡卻(que)能夠使光束同時具備(bei)這兩個特性,因此其十(shi)分適合一些行業應用。例如激光鑽孔,透明材料的切割(玻璃,藍寶石等),激光過程監控/監(jian)測、顯微鏡、激光度量學等等。

常規的光學元件(如球(qiu)麵透鏡,反射鏡等),並不能同時滿足這兩個特性。而番茄视频app苹果的長焦深透鏡能夠產生類(lei)似(shi)於“長的圓柱體”的長焦深焦點,焦點具有銳(rui)利的邊緣和更長的焦深,同時保持激光光斑尺寸非常小。

長焦深透鏡

z-x平麵的強度分布

長焦深透鏡的作用是使入射光在焦距附近產生一個能量近乎均勻分布、焦深的長度達幾十微米到幾毫米的焦點。相比於普通的光束焦點(能量非常集中,長度和寬度都有限),通過長焦深透鏡可把光束焦點拉長為原來的幾十倍至上百倍,同時寬度基本保持(chi)不變。能量均勻的長焦深光斑特別適合對材料進行深度切割。

長焦深透鏡和多焦點元件互為補(bu)充(chong),與多焦點產品相比,長焦產品的優勢在於它可以沿自(zi)由度產生連續的強度分布,並且不會受(shou)到相鄰焦點之間能量較低的區域的影響,在激光材料加工等領(ling)域有重要應用。如果用1064nm的長焦深DOE切割厚度2mm、折射率1.5的玻璃,可以選用EF-004-I-Y-A配(pei)合25mm的聚焦鏡。這種情況(kuang)下,EF-004-I-Y-A的焦深長度正好約為2mm,滿足切割要求(qiu),並且具有很好的切割效果,表麵平整度高、切割速度快。最近1030nm的長焦深切割應用也越來越多,例如EF-003-J-Y-A,EF-010/015/016/026-J-Y-A。

多焦點衍射光學元件(DOE)

多焦點透鏡(多焦點DOE)是指(zhi)使一束激光同時產生多個焦點的衍射光學元件,光束在通過衍射光學元件後在激光傳播的方向上具有多個能量集中的焦點,滿足某(mou)些特殊場合的應用。焦點之間的間距近乎相等,一般焦點個數為2-15個不等,間距一般(ban)為幾十到幾百微米,各(ge)個焦點的能量也基本一致。

多焦點透鏡

多焦點DOE有兩種配置:

  • DOE由在其平麵側蝕刻(ke)的具有預定焦距的平凸(tu)透鏡和衍射圖案組成。

  • 為了獲(huo)得更大的靈(ling)活(huo)性,可以使用窗口DOE,以便(bian)在一定距離處獲得焦點,用戶在DOE之後添加常規的聚焦透鏡。鏡頭焦距決定工作距(ju)離(WD)

多焦點DOE也可用作長焦元件,在諸如激光玻璃切割和激光微加工等應用中有效地增加了聚焦深度。

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