发表时间：2024-02-11 18:40:24 │ 点击数：
九游会 J9官方网站九游会 J9官方网站本发明提供一种锁频单脉冲绿光超快激光精密雕刻透明材料的方法和系统，所述方法包括步骤：1）设置能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的超快激光器，所述频率为10KHz‑200KHz，所述单脉冲能量为50uJ‑1000uJ；2）锁定发射频率为定值；3）设定激光波长为532±5nm；4）所述超快激光经过整形光路、光束传输光路输入到振镜、再经过场镜后聚焦透明材料表面或者内部；5）在软硬件控制器的控制下完成雕刻。本发明的雕刻方法是通过高单脉冲能量的超快激光汽化材料加工面来实现雕刻，几乎没有
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 114273776 A (43)申请公布日 2022.04.05 (21)申请号 0.3 (22)申请日 2021.11.11 (71)申请人 北京赢圣科技有限公司 地址 100044 北京市海淀区高梁桥斜街28 号7号楼109 (72)发明人 不公告发明人 (51)Int.Cl. B23K 26/046 (2014.01) B23K 26/064 (2014.01) B23K 26/362 (2014.01) B23K 26/402 (2014.01) 权利要求书1页 说明书6页 附图4页 (54)发明名称 锁频单脉冲绿光超快激光精密雕刻透明材 料的方法和系统 (57)摘要 本发明提供一种锁频单脉冲绿光超快激光 精密雕刻透明材料的方法和系统，所述方法包括 步骤：1）设置能够在高重复频率下发射高能量单 脉冲且单脉冲能量一致性高的超快激光器，所述 频率为10KHz‑200KHz，所述单脉冲能量为50uJ‑ 1000uJ；2）锁定发射频率为定值；3）设定激光波 长为532±5nm；4）所述超快激光经过整形光路、 光束传输光路输入到振镜、再经过场镜后聚焦透 明材料表面或者内部；5）在软硬件控制器的控制 下完成雕刻。本发明的雕刻方法是通过高单脉冲 能量的超快激光汽化材料加工面来实现雕刻，几 A 乎没有热影响区出现、也不需要辅助粉末等物 6 料，标记内容精细清晰、不改变基材强度。 7 7 3 7 2 4 1 1 N C CN 114273776 A 权利要求书 1/1页 1.锁频单脉冲绿光超快激光精密雕刻透明材料的方法，其特征在于，包括步骤： 1）设置能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的超快激光器， 所述高重复频率为10KHz‑200KHz，所述高能量单脉冲能量为50uJ‑1000uJ，所述单脉冲能量 一致性为≤±5%； 2）锁定发射频率为10KHz‑200KHz之间的一定值； 3）设定激光波长为532±5nm； 4）所述激光器发射的超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光路输 入到振镜、再经过场镜后聚焦在工件承载台上的透明材料工件表面或者内部； 5）在软硬件控制器的控制下，设置激光参数和加工参数；控制振镜及激光发射，完成透 明材料表面或内部图案的激光雕刻。 2.根据权利要求1所述的超快激光精密雕刻透明材料的方法，其特征在于，所述激光器 为全固态皮秒激光器。 3.根据权利要求1所述的超快激光精密雕刻透明材料的方法，其特征在于，所述单脉冲 宽度为1‑10ps。 4.根据权利要求1所述的超快激光精密雕刻透明材料的方法，其特征在于，所述激光器 窗口光斑为1‑3mm，发散角为0.5‑1.5mrad 。 5.根据权利要求1所述的超快激光精密雕刻透明材料的方法，其特征在于，所述整形光 路为放大倍率为1‑8倍的扩束光路。 6.根据权利要求1所述的超快激光精密雕刻透明材料的方法，其特征在于，所述光束传 输光路为传输距离10‑1000mm的传输光路组成。 7.根据权利要求1所述的超快激光精密雕刻透明材料的方法，其特征在于，所述振镜工 作频率为10k‑400k,振镜的镜片尺寸为5‑30mm。 8.根据权利要求1所述的超快激光精密雕刻透明材料的方法，其特征在于，所述场镜是 F‑θ场镜或远心场镜，焦距为30‑300mm。 9.根据权利要求1所述的超快激光精密雕刻透明材料的方法，其特征在于，形成所述雕 刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为0.5‑15um。 10.实现权利要求1所述精密雕刻透明材料方法的雕刻系统，其特征在于，所述系统包 括超快激光器、整形光路和光束传输光路、聚焦透镜、工件承载台和控制器， 所述超快激光器为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的 超快激光器，所述高重复频率为10KHz‑200KHz，所述高能量单脉冲能量为50uJ‑1000uJ，所 述单脉冲能量一致性为≤±5%；锁定发射频率为10KHz‑200KHz之间的一定值；设定激光波 长为532±5nm； 所述聚焦透镜包括控制激光束偏转的扫描振镜与聚焦激光束的场镜； 所述工件承载台固定在六轴运动系统之上，六轴运动系统包括控制工件承载台在X,Y, Z方向平移的直线电机机组，以及在Rx，Ry，Rz方向的旋转平台机组； 激光器通过数据线与安装有激光雕刻系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将 控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号， 同时控制光路、振镜、场镜和六轴运动系统完成雕刻。 2 2 CN 114273776 A 说明书 1/6页 锁频单脉冲绿光超快激光精密雕刻透明材料的方法和系统 技术领域 [0001] 本发明涉及激光雕刻技术领域，具体涉及一种锁频均匀能量单脉冲绿光超快激光 精密雕刻透明材料的方法和系统。 背景技术 [0002] 激光雕刻技术可用于透明材料(如玻璃、蓝宝石等)的标刻，广泛应用于消费类电 子、汽车、航空航天、建筑及居家生活等众多领域，因而市场需求空间广阔、发展潜力有待挖 掘。 [0003] 目前，透明材料激光雕刻技术主要采用CO2激光器、绿光纳秒激光器、紫外纳秒激 光器或基于超快光纤激光器的雕刻机，通过破坏透明材料表面来实现雕刻。这类雕刻方法 的原理是热至熔化作用，而热影响区的出现会使得加工面挂渣、裂纹以及崩边，导致标记内 容不清晰、材料强度变弱,甚至使基片变得疏松。 [0004] 基于超快光纤激光器雕刻机雕刻时，单脉冲宽度一般为皮秒或者几百飞秒级别。 为了满足玻璃等硬脆性透明材料的高能量加工阈值，必须提高其平均功率，需要工作范围 在几百KHz至1MHz甚至1GHz以上的重复频率，过快的频率与市面上常规振镜几个KHz,几十 KHz到几百KHz的工作频率范围相配套，会匹配失谐而出现漏点、漏标记甚至标记时序失调 的情况。而且为了弥补单脉冲能量较低的状态，在同一重复频率下经常采用脉冲串输出模 式。由于串内各个脉冲的起始时间有序列，在时域上表现为先后顺序，导致雕刻时工件材料 表面的雕刻具置点受此时间序列影响，在空间上发生相应的漂移。同时串内各个单脉 冲的能量一般起伏较大、导致工件材料表面的雕刻效果一致性较差，降低了质量和效果。作 为硬脆性透明材料的玻璃，雕刻时在激光脉冲串照射下，容易变暗或出现变色的色心，出现 暗色标记，甚至局部改变了玻璃材料的特征参数，使基片变得疏松。经过多脉冲串次照射之 后，被照射的局部进一步变暗，最后形成周围发黑的边，材料强度变弱。 发明内容 [0005] 有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种锁频均匀能量单脉冲绿光 超快激光精密雕刻透明材料的方法。 [0006] 本发明所述的锁频均匀能量单脉冲绿光超快激光精密雕刻透明材料的方法，包括 步骤： 1）设置能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的超快激 光器，所述高重复频率为10KHz‑200KHz，所述高能量单脉冲能量为50uJ‑1000uJ，所述单脉 冲能量一致性为：单脉冲间能量差异≤±5%； 2）锁定发射频率为10KHz‑200KHz之间的一定值； 3）设定激光波长为532±5nm； 4）所述激光器发射的超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光 路输入到振镜、再经过F‑θ场镜后聚焦在工件承载台上的透明材料工件表面或者内部； 3 3 CN 114273776 A 说明书 2/6页 5）在软硬件控制器的控制下，设置激光参数和加工参数；控制振镜及激光发射，完 成透明材料表面或内部雕刻图案的激光雕刻。 [0007] 本发明所述锁频均匀能量单脉冲是指激光工作方式为锁定频率下均匀能量单脉 冲周期性输出。 [0008] 所述激光器为全固态皮秒激光器。 [0009] 所述单脉冲宽度为1‑10ps。 [0010] 所述激光器窗口光斑为1‑3mm，发散角0.5‑1.5mrad 。 [0011] 所述整形光路为放大倍率为1‑8倍的扩束光路。 [0012] 所述光束传输光路为传输距离10‑1000mm的传输光路组成。 [0013] 所述振镜工作频率为10k‑400k,振镜的镜片尺寸为5‑30mm。 [0014] 所述场镜是F‑θ场镜或远心场镜，焦距为30‑300mm。 [0015] 形成所述雕刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为0.5‑15um。 [0016] 本发明还提供实现上述精密雕刻透明材料方法的雕刻系统，所述系统包括超快激 光器、整形光路和光束传输光路、聚焦透镜、工件承载台和控制器， 所述超快激光器为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性 高的超快激光器，所述高重复频率为10KHz‑200KHz，所述高能量单脉冲能量为50uJ‑ 1000uJ，所述单脉冲能量一致性为≤±5%；锁定发射频率为10KHz‑200KHz之间的一定值；设 定激光波长为532±5nm； 所述聚焦透镜包括控制激光束偏转的扫描振镜与聚焦激光束的场镜； 所述工件承载台固定在六轴运动系统之上，六轴运动系统包括控制工件承载台在 X,Y,Z方向平移的直线电机机组，以及在Rx，Ry，Rz方向的旋转平台机组； 激光器通过数据线与安装有激光雕刻系统软件的计算机控制器相连，计算机控制 器将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步 信号，同时控制光路、振镜、场镜和六轴运动系统完成雕刻。 [0017] 所述整形光路和光束传输光路之间设有光闸，由控制器控制其开关。 [0018] 本发明方法可用于透明材料表面、内部，特别是玻璃、水晶或亚克力表面或内部的 精密雕刻。 [0019] 本发明的有益效果在于： 1.本发明基于锁定的高重复频率、单脉冲工作、高单脉冲能量、单脉冲能量一致性 高的超快激光雕刻方法，可用于透明材料，如玻璃、水晶、亚克力等的材料表面或内部的精 密雕刻，能够满足广泛多样的需求。 [0020] 2.本发明方法通过高单脉冲能量的超快激光汽化材料加工面来实现雕刻，而不是 通过热至熔化作用来实现雕刻，因此几乎没有热影响区出现、加工面几乎无挂渣、无裂纹、 无崩边等现象。本发明也不需要辅助粉末等物料，标记内容精细清晰、材料强度几乎不变。 [0021] 3.本发明雕刻方法输出的高能量单脉冲，在时域上表现唯一，雕刻时工件材料加 工面的具置点非常准确，不会在空间上发生漂移，雕刻的质量非常好。 [0022] 4.本发明雕刻方法加工时间快，几乎不出现漏点、漏标记，时序匹配精准。 [0023] 5.在本发明单脉冲能量一致性高的超快激光设备照射下，光加工过程一致性好， 玻璃等透明材料表面清晰明亮，没有重复照射，材料几乎不变暗，也几乎不改变材料的特征 4 4 CN 114273776 A 说明书 3/6页 参数。 [0024] 附图说明： 图1为本发明锁频均匀能量单脉冲绿光超快激光精密雕刻透明材料的系统结构示 意图； 其中：1.超快激光器；2.光路；2‑1.整形光路；2‑2.光束传输光路；3.振镜；4.场镜； 5.雕刻工件 6.工件承载台，7.控制器，8.反射镜； 图2为本发明锁频均匀能量单脉冲绿光超快激光雕刻方法在玻璃表面“蜥蜴”图案 精密雕刻的效果照片； 图3为本发明锁频均匀能量单脉冲绿光超快激光雕刻方法在玻璃内部“立体户型 图”图案精密雕刻的效果照片； 图4为本发明锁频均匀能量单脉冲绿光超快激光雕刻方法在玻璃上五角星孔雕刻 的效果照片； 图5为本发明锁频均匀能量单脉冲绿光超快激光雕刻方法在玻璃上微孔阵列精密 雕刻的效果照片； 其中：5A.玻璃上微孔阵列精密雕刻外观，5B.显微镜下放大100倍的视野； 图6为本发明锁频均匀能量单脉冲绿光超快激光雕刻方法在水晶内部“二维码”图 案精密雕刻的效果照片； 其中：6A.为水晶块正面照片；6B.为水晶块侧面照片；6C.为水晶块背面照片；6D. 为水晶块顶面照片。九游会官网 J9平台 具体实施方式 [0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明提供的锁频均匀能量单脉冲绿光超快 激光玻璃精密雕刻方法和系统进一步解释而本发明并不局限于以下实施例。 [0026] 本发明锁频均匀能量单脉冲绿光超快激光精密雕刻方法，包括步骤： 1）设置能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的超快激 光器，高重复频率为10KHz‑200KHz，高能量单脉冲能量为50uJ‑1000uJ，单脉冲能量一致性 为≤±5%； 2）锁定发射频率为10KHz‑200KHz之间的一定值； 3）设定激光波长为532±5nm； 4）激光器发射的超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光路输 入到振镜、再经过场镜后聚焦在工件承载台上的透明材料表面或者内部； 5）在软硬件控制器的控制下，设置激光参数和加工参数；控制振镜及激光发射，完 成透明材料表面或内部雕刻图案的激光雕刻。 [0027] 单脉冲宽度为1‑10ps。 [0028] 激光器窗口光斑为1‑3mm，发散角0.5‑1.5mrad 。 [0029] 整形光路为放大倍率为1‑8倍的扩束光路。 [0030] 光束传输光路为传输距离10‑1000mm的传输光路组成。 [0031] 振镜工作频率为10k‑400k,振镜的镜片尺寸为5‑30mm。 [0032] 场镜是F‑θ场镜或远心场镜，焦距为30‑300mm。 5 5 CN 114273776 A 说明书 4/6页 [0033] 形成雕刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为0.5‑15um。 [0034] 步骤5）包括以下步骤： 1.设定激光发射参数及电平形式的激光脉冲同步信号，将所述激光脉冲同步信号 和起始时间T1发送给软硬件控制器，作为加工基准时间； 2.调试激光光束：光束经光束传输、光闸和整形光路，所述光闸由TTL电平控制；所 述软硬件控制器向光闸发送控制其开关的信号以及起始时间T2； 3.调试振镜：所述软硬件控制器将振镜的5V高低电平形式的控制信号以及起始时 间T3，发送给振镜， 4.调试激光光束，经场镜聚焦在工件承载台附近，在场镜有效范围内工作。 [0035] 5.将所述工件承载台紧密固定在六轴运动系统上，将目标工件固定在工件承载台 上。精密调整工件承载台的位置和边界，校准移动路经。调节激光聚焦在工件附近，作用于 待雕刻工件上，等待加工。 [0036] 6.通过计算机、单片机，ARM或者手机，来实现输入输出的手动或者自动方式，来控 制软硬件控制器。 [0037] 7.通过软硬件控制器将准备雕刻的内容分解，得到可读格式的像素、直径、填充密 度，走线路径和图形，其边界范围以不大于所述激光雕刻机的区域边界为限。 [0038] 8.根据切片图形内容和次序，以激光同步信号输入给软硬件控制器作为时间基 准，校准工件承载台的坐标为空间基准，经软硬件控制器依次给振镜、光闸、六轴运动系统 发射控制信号，时间基准，延时时间和控制信号时序，进行整体时序校准以及初步打样。 [0039] 9.根据初步打样效果，验证其与预设的效果符合程度，如果有差异，微调各个部件 的工艺和参数，直到效果最佳，锁定参数，开始雕刻。 [0040] 本发明还提供实现上述精密雕刻透明材料方法的雕刻系统，包括超快激光器1、整 形光路2‑1和光束传输光路2‑2、聚焦透镜3、4、工件承载台6和控制器7； 超快激光器1为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的 超快激光器，高重复频率为10KHz‑200KHz，高能量单脉冲能量为50uJ‑1000uJ，单脉冲能量 一致性为≤±5%；锁定发射频率为10KHz‑200KHz之间的一定值；设定激光波长为532±5nm； 其中通过反射镜8完成光束传输； 聚焦透镜包括控制激光束偏转的扫描振镜3与聚焦激光束的场镜4； 工件承载台6固定在六轴运动系统之上，六轴运动系统包括控制工件承载台在X, Y,Z方向平移的直线电机机组，以及在Rx，Ry，Rz方向的旋转平台机组； 超快激光器1通过数据线与安装有激光雕刻系统软件的计算机控制器7相连，计算 机将控制的激光功率，扫描速度，重复频率信号输入到激光器1，并接收激光器的脉冲同步 信号，同时控制光路2、振镜3、场镜4和六轴运动系统上的透明材料工件5完成雕刻。如图1所 示。 [0041] 所述整形光路和光束传输光路之间设有光闸，由控制器控制其开关。 [0042] 实施例1：玻璃表面“蜥蜴”图案的精密雕刻 将激光器通过数据线与安装有激光雕刻系统软件的计算机相连，计算机将控制的 激光功率，扫描速度，重复频率信号输入到激光器，激光器为全固态皮秒激光器。控制器接 收激光器的脉冲同步信号，同时控制光路、振镜、场镜和六轴运动系统完成雕刻。 6 6 CN 114273776 A 说明书 5/6页 [0043] 锁定发射频率为50KHz；单脉冲能量为50uJ。单脉冲宽度为10ps。 [0044] 激光器窗口光斑为2mm，发散角为1.0mrad 。 [0045] 整形光路为放大倍率为5倍的扩束光路。 [0046] 光束传输光路为传输距离500mm的传输光路组成。 [0047] 振镜工作频率为10k,振镜的镜片尺寸为18mm。 [0048] 场镜是F‑θ场镜，焦距为50mm。 [0049] 形成所述雕刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为2um。 [0050] 使用上述激光器进行雕刻： (1) 将要雕刻的图像导入到计算机中； （2）通过安装于计算机的激光雕刻系统软件读取待雕刻图像，设置激光输出功率、 激光器重复频率和振镜工作频率； 打开激光器，激光运动控制系统根据计算机输出的图像信号进行扫描，高能量的 激光束透过透明材料在工作面上进行激光标刻。 [0051] 雕刻效果如图2所示。 [0052] 实施例2：玻璃内部“立体户型图”图案的精密雕刻 与实施例1基本相同，所不同之处在于， 锁定发射频率为10KHz；单脉冲能量为1000uJ。单脉冲宽度为1ps。 [0053] 激光器窗口光斑为3mm，发散角为1.5mrad 。 [0054] 整形光路为放大倍率为8倍的扩束光路。 [0055] 光束传输光路为传输距离1000mm的传输光路组成。 [0056] 振镜工作频率为50k,振镜的镜片尺寸为30mm。九游会官网 J9平台 [0057] 场镜是F‑θ场镜，焦距为300mm。 [0058] 形成所述雕刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为1um。 [0059] 雕刻效果如图3所示。 [0060] 实施例3：玻璃上“五角星”孔雕刻 与实施例1基本相同，所不同之处在于， 锁定发射频率为200KHz；单脉冲能量为300uJ。单脉冲宽度为10ps。 [0061] 激光器窗口光斑为1mm，发散角为0.5mrad 。 [0062] 整形光路为放大倍率为1倍的扩束光路。 [0063] 光束传输光路为传输距离100mm的传输光路组成。 [0064] 振镜工作频率为200k,振镜的镜片尺寸为5mm。 [0065] 场镜是远心场镜，焦距为30mm。 [0066] 形成所述雕刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为4um。 [0067] 雕刻效果如图4所示，刻口齐整，无裂痕。 [0068] 实施例4：玻璃上微孔阵列的精密雕刻 与实施例1基本相同，所不同之处在于， 锁定发射频率为150KHz；单脉冲能量为150uJ。单脉冲宽度为10ps。 [0069] 激光器窗口光斑为1.5mm，发散角为1.0mrad 。 [0070] 整形光路为放大倍率为8倍的扩束光路。 7 7 CN 114273776 A 说明书 6/6页 [0071] 光束传输光路为传输距离500mm的传输光路组成。 [0072] 振镜工作频率为100k,振镜的镜片尺寸为20mm。 [0073] 场镜是远心场镜，焦距为30mm。 [0074] 形成所述雕刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为0.5um。 [0075] 雕刻效果如图5所示。 [0076] 实施例5：在水晶内部“二维码”图案的精密雕刻 与实施例1基本相同，所不同之处在于， 锁定发射频率为100KHz；单脉冲能量为100uJ。单脉冲宽度为8ps。 [0077] 激光器窗口光斑为2mm，发散角为1.0mrad 。 [0078] 整形光路为放大倍率为4倍的扩束光路。 [0079] 光束传输光路为传输距离300mm的传输光路组成。 [0080] 振镜工作频率为400k,振镜的镜片尺寸为20mm。 [0081] 场镜是F‑θ场镜，焦距为200mm。 [0082] 形成所述雕刻图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为7um。 [0083] 雕刻效果如图6所示。 [0084] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对 本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进 行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在 申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。 8 8 CN 114273776 A 说明书附图 1/4页 图1 图2 图3 图4 9 9 CN 114273776 A 说明书附图 2/4页 图5A 图5B 图6A 10 10 CN 114273776 A 说明书附图 3/4页 图6B 图6C 11 11 CN 114273776 A 说明书附图 4/4页 图6D 12 12
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