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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:新特光電 訪問量:1493

                近來,針對工業用的新激光系統的開發需求已經增加。並已經產生了許多新的工藝,而且激光添加劑系統已經代替了許多傳統的工業工藝。 如下圖所示,材料加工在整個激光市場中占有很大份額:

                材料加工在整個激光市場中占有很大份額

                衍射光學元件(DOE)在提供適合工藝的激光束整形中起著重要作用。這使得激光束整形和均化技術對於許多優化激光材料加工應用至關重要。 通常激光系統從利用激光開始,並且通過添加DOE來提高性能,實現的關鍵參數是:

                • 處理速度和產量成倍增長;

                • 過程精度:壁陡度、熱影響區、處理有效性。

                燒蝕與結構化

                激光燒蝕是通過用激光束照射從固體(或偶爾為液體)表面去除材料的過程。 激光燒蝕是通過在較小的區域上施加高能量的短脈沖來實現的。激光燒蝕已被認為並實際應用於許多技術應用中,包括:納米材料的產生,金屬和電介質薄膜的沈積,超導材料的制造,金屬零件的常規焊接和粘合以及MEMS結構的微加工。我們的平頂光束和渦旋透鏡會產生形狀、邊緣清晰的邊緣斑點,從而在消融過程中精確去除材料。 多點特性支持並行處理,從而提高了吞吐量。

                激光燒蝕

                激光燒蝕

                激光構

                激光構造

                焊接

                激光焊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,可以進行窄而深的焊接和高焊接速率。 該過程通常用於自動化等大批量應用中,例如汽車工業。 結合切割技術,激光非常適合多種類型的焊接(點焊,線焊,軟焊)。

                激光焊接

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                均質器能量分布

                均質器能量分布

                我們的均質器元件具有均勻,平坦的強度曲線,與輸入中的非均質性無關,並且可以設計成為特定焊接曲線量身定制的形狀分布。 使用尾跡多點輪廓,可以預熱焊接區域,然後進行後處理。

                釬焊

                在激光釬焊應用中,兩塊金屬板通過激光熔化的焊錫絲連接起來。 事實證明,在釬焊線熔化之前清潔和預熱金屬表面時,連接質量會提高。 典型應用在汽車行業。為此,我們提供了一種特殊的均質器元件,可產生兩個用於清潔/預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釬焊線上,以實現更好的熔化和更清潔的邊緣。

                激光燒蝕過程

                激光燒蝕過程

                定制均質機的能量分布

                定制均質機的能量分布

                穿孔

                穿孔是指在薄材料或纖網中的小孔。 激光打孔通常用於食品工業的薄片材料,例如煙頭紙或包裝箔紙(延長了易腐食品的新鮮度和質量)。這樣的應用需要具有相等距離的預設計圖案的精確微觀孔。光束分束DOE提供了顯而易見的解決方案。

                食品包裝的激光打孔

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                9×9多點分束器

                激光切割(金屬和玻璃)

                激光切割的工作原理是引導高功率激光的輸出,通常通過一個光學系統&移動臺,掃描工件上的焦點並進行切割。它通常用於工業制造應用中。其目的是在不增加聚焦光學系統焦距的情況下,擴大系統的聚焦深度,或改善切割質量,減少切割區域的剝落和材料重新熔化。

                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。由此產生的熔融材料被氣流噴射,從而形成開口切口。

                激光玻璃切割

                激光玻璃切割

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

                不同的激光鉆孔技術

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                不銹鋼管的激光微鉆

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                鉆孔

                激光鉆孔是通過在材料上反復聚焦脈沖激光能量並蒸發熔化的材料來形成通孔的過程。 脈沖能量越大,熔化和蒸發的材料越多。 多年來,已經發展了幾種激光鉆孔技術,包括信號脈沖,敲擊,環鉆和螺旋鉆孔。 激光鉆孔可用於許多應用中,包括矽晶片和橡膠的鉆孔。

                為了提高生產率和生產效率,我們的Multi-Spot分光鏡已被證明可以提供準確的結果。 平頂光束整形器可以提高孔的邊緣質量和直徑精度,而渦旋相位板則可以鉆出環形形狀。

                激光剝離

                激光剝離(LLO)是一種從一種材料中選擇性的除去另一種材料的技術。 激光束穿過透明材料投射,並被背面的相鄰材料吸收,例如藍寶石上的GaN。 激光剝離分離工藝可處理具有所需精細度和可重復性的大面積設備。 因此,在LED工業中,分離發光膜以及在電視和移動設備的顯示器中非常普遍。

                M2轉換模塊

                其中M2轉換模塊是我們全精細線形解決方案的一部分,用於將多模式圓形輸入光束轉換為窄激光線,特別是在紫外和綠色波長(343、355和532 nm)中。 我們的解決方案基於專有的衍射光束整形概念,可以針對從193nm深紫外到1600nm 紅外激光器的任何波長進行定制。 通過利用我們的解決方案,可以使用成本更低的多模式激光器在細線中實現有效的功率密度。

                將基板與玻璃面板分離

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                表面處理(硬化和重熔)

                激光表面處理的原理是用高功率密度相幹光束與指定氣體(真空,保護性氣體或加工氣體)中的表面之間的相互作用而導致表面改性。 激光表面處理的一些典型用途是激光硬化和激光重熔。激光硬化是一種熱表面硬化工藝,在該過程中,材料會在高於臨界溫度的短時間內被加熱,然後迅速冷卻,從而防止金屬晶格恢復其原始結構並產生非常堅硬的金屬結構。激光重熔是表面處理的另一種熱方法。 將組件表面短暫加熱到熔化溫度以上。 然後熔體固化並重結晶,而化學成分沒有根本變化。

                激光硬化

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                相關產品

                平頂光束整形器

                高帽/平頂式光束整形器將近高斯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。均一的輸出光斑可對工作面進行相同的處理,以防部分區域過曝或曝光不足。此外,光束整形器將會輸出一個輪廓清晰且具有平頂特征的輸出光斑,其特征在於有一個尖銳的過渡區,該過渡區域在已處理和未處理區域之間創建了清晰的邊界,可在無像差鏡頭的無限遠或焦距處給出均勻的強度分布。

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                螺旋相位板(渦流)

                渦旋相位板通常用於采用單模激光的精確材料加工,該應用需要的環形直徑較小。對於多模激光或較大的環形直徑,我們通常建議使用我們的衍射軸錐。渦旋相位板的其他典型應用包括高級顯微鏡應用,如STED顯微鏡和激光鑷子。

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                衍射分束器

                衍射分束器(點陣分束器)是最基本的衍射光學元件之一,它的作用是把單個入射光分幾束或多束,且每束光都具有原始光束的特性(除了其功率和傳播角度變化,不改變初始光束的直徑、發散角和波前分布)。分束器的輸出可以是一維排布,也可以是二維排布,也可以實現線光斑陣列,排布完全可以由用戶定制,這些通過設計分束器表面的衍射圖案來實現的。同時,輸出光束的數量、光束間的夾角、直線的長度和數量都可以任意定制。光束的個數更是不受限制,可以為2束、3束,也可以為幾百甚至上萬束。我們提供大量的衍射分束器標準品供客戶選擇,包括一維光束陣列(1×N)或二維光束的矩陣(M×N)。僅1064nm一個波長就有約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)

                根據元件上的衍射圖樣,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,例如太陽能電池或面板中的激光劃片,激光劃片,激光打孔,醫學/美容應用(例如皮膚護理),3D傳感和投影。

                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度分布隨機分布的應用中非常有用。光束均質器的輸出主要取決於輸入光束:在光束均質器的使用上,相比單模激光,多模激光光束實際上更具優勢,因為其較低的相幹性會降低斑點的可見性,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,脫軌,標記,劃線和焊接;醫療/美容激光治療;準分子激光器的光束整形和熱點減少。

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                我們開發了定制的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/深度比方面具有優勢,通過給氣泡一個逃逸焊縫的地方來減少氧化和消除熱裂紋,基於研究推薦,我們提供兩款新的C形產品:ST-332-I-Y-A(均勻 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是一款革命性的激光玻璃切割產品,通常稱為FI optics(成絲切割),即激光焦點被拉長成絲狀,沿Z軸均勻分布。此外,DeepCleave還是一種衍射光學模組,用於沿聚焦深度(DOF)增加的區域以恒定峰值功率,將單模高斯輸入光束聚焦到束腰約為1.8 um的窄點上,通常範圍為0.25-3 mm。獲得的聚焦光斑相當於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,例如平面玻璃。盡管如此,在綠色可見光範圍內的應用也在一些微觀應用中取得了成功。

                每個DeepCleave激光成絲切割模組在出廠時都附有一份全光特性和單獨的測試報告。

                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分辨率(更小的光斑尺寸)。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,這兩者本來是相互沖突的,但長焦深透鏡卻能夠使光束同時具備這兩個特性,因此其十分適合一些行業應用。例如激光鉆孔,透明材料的切割(玻璃,藍寶石等),激光過程監控/監測、顯微鏡、激光度量學等等。

                常規的光學元件(如球面透鏡,反射鏡等),並不能同時滿足這兩個特性。而我們的長焦深透鏡能夠產生類似於“長的圓柱體”的長焦深焦點,焦點具有銳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平面的強度分布

                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充,與多焦點產品相比,長焦產品的優勢在於它可以沿自由度產生連續的強度分布,並且不會受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配合25mm的聚焦鏡。這種情況下,EF-004-I-Y-A的焦深長度正好約為2mm,滿足切割要求,並且具有很好的切割效果,表面平整度高、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,間距一般為幾十到幾百微米,各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由在其平面側蝕刻的具有預定焦距的平凸透鏡和衍射圖案組成。

                • 為了獲得更大的靈活性,可以使用窗口DOE,以便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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