一种基于动态视场拼接的扫描显微超快激光加工系统

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于动态视场拼接的扫描显微超快激光高精度高效加工系统。

背景技术：

激光加工由于具有较高的精度、兼容多种材料等优势，特别适用于与计算机数控技术相结合，以构建高精度自动化加工系统，激光切割、激光焊接、激光光刻等加工技术已在各个领域得到了广泛的应用。

随着20世纪80年代超快飞秒激光技术的出现，激光微加工技术迎来了进一步的发展。飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度，与材料相互作用的时间极短，极大降低了激光加工过程中的热效应，进一步的提高了加工精度和加工质量；而且，飞秒激光脉冲具有极高的峰值功率，使得飞秒激光几乎可以加工所有的材料。这些特性为日益增长的高端制造、高精密制造、智能制造需求提供了新的机会。

然而在激光加工技术中，往往存在高精度的加工与大面积高效加工不兼容的问题。扫描显微技术为解决这一问题提供了思路，结合振镜的快速扫描性能以及物镜的显微性能，通过点光源对样品逐点快速扫描衍射极限点成像，然后将线扫描结果按顺寻排列构成一幅二维图像，但是，振镜结合物镜的显微扫描技术的扫描面积同样受限。

目前为了实现大面积成像，主要采用的方法是将材料划分为多个区域，逐个对每个区域扫描成像，最后将图像进行拼接。然而在实际应用中，该方法由于光学像差，导致在分区边缘形成图像畸变，以及在拼接过程中产生系统误差，从而降低成像的质量以及精度。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于动态视场拼接的扫描显微超快激光加工系统，它将高效、高精度的扫描显微技术与大行程范围的三轴伺服位移台相结合，实现扫描显微与三轴伺服位移台的同步，从而可以连续高效高精度地处理比扫描显微视野大得多的材料，无需将各个区域拼接在一起，消除了由于激光加工重叠和不匹配而导致的缝合错误和加工质量下降的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于动态视场拼接的扫描显微超快激光加工系统，该系统包括工作台、飞秒激光器、扫描振镜、物镜、4f单元和控制器；

所述工作台用于放置工件，且带动所述工件在空间内移动；

所述飞秒激光器用于产生飞秒激光束；

所述扫描振镜设置在所述飞秒激光器的光路上，所述飞秒激光束经过所述扫描振镜反射后能够实现飞秒激光束在平面区域范围内的动态线型扫描；

所述物镜设置在所述扫描振镜的光路上，用于将经扫描振镜输出的飞秒激光束聚焦到工件表面；

所述4f单元设置在所述扫描振镜与所述物镜之间，用于使振镜扫描范围最大限度的通过物镜；

所述控制器分别与工作台、飞秒激光器和扫描振镜连接，所述控制器根据工件规划工作台和扫描振镜的协同路径，以使经扫描振镜输出的飞秒激光束连续输出到工件的待加工区域。

按上述技术方案，所述飞秒激光器与扫描振镜之间还设置有准直扩束镜。

按上述技术方案，该系统还包括观察光路单元，所述观察光路单元包括光源、分束立方镜和ccd相机，若所述光源设置在工作台的上方时，所述光源发出的光束入射到分束立方镜上发生透射，经分束立方镜透射到物镜后输出聚焦光，聚焦光入射到工作台上并照射到工作台的工件上，工件被聚焦光照射而产生的反射光再由物镜收集返回，被分束立方镜反射后成像在ccd相机上；

若所述光源设置在工作台的下方时，所述工件为透明工件，所述光源发出的光束照射到工作台的工件上，工件被照射而产生的反射光经物镜聚焦，再经分束立方镜反射后成像在ccd相机上；

所述ccd相机连接于一显示器，所述显示器与所述控制器连接。

按上述技术方案，所述工作台上设置有用于吸附工件的真空吸盘。

本发明产生的有益效果是：本发明中，飞秒激光器发出的超快飞秒激光束，进入扫描振镜，再经过一个4f单元进入物镜，最后到达工作台对工件进行加工，控制器将扫描振镜的运动与工作台的运动(工作台可做xyz三轴运动)结合在一起，在保持高速扫描的同时，利用动态视场拼接扫描显微技术控制激光进行无缝大面积加工，实现高精度高效加工。

本发明通过正确配置控制器，可以将所需加工的图案转换为对应的伺服轴和振镜扫描显微运动，确保其命令轨迹保持在扫描显微视场内的同时，在xy伺服轴视场内进行无缝大面积加工，而不需要伺服轴执行步进扫描的命令；本发明中扫描显微的运动将伺服轴的动态追踪误差作为其轨迹的一部分，并对其进行实时校正，在保证高加工精度的同时可以提高加工效率；本发明将显微物镜固定在z轴上，通过控制z轴的运动，结合动态视场拼接扫描显微系统，实现高效高精度大面积三维制造。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是采用本发明加工大面积工件的原理图。

图中：1-飞秒激光器；2-第一反射镜；3-准直扩束镜；5-扫描振镜；7-4f单元；9-第二反射镜；10-物镜；11-分束立方镜；12-ccd相机；13-光源；14-控制器；15-显示器；16-工作台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于动态视场拼接的扫描显微超快激光加工系统，该系统包括工作台16、飞秒激光器1、扫描振镜5、物镜10、4f单元7和控制器14；

工作台16用于放置工件，且带动工件在空间内移动，可实现工件在xyz轴运动；

飞秒激光器1用于产生飞秒激光束；

扫描振镜5设置在飞秒激光器1的光路上，飞秒激光束经过扫描振镜反射后能够实现飞秒激光束在平面区域范围内的动态线型扫描，为节约空间，可在飞秒激光器与扫描振镜之间设置第一反射镜2；

物镜10设置在扫描振镜5的光路上，用于将经扫描振镜输出的飞秒激光束聚焦到工件表面；

4f单元7设置在扫描振镜与物镜之间，用于使振镜扫描范围能够最大限度的通过物镜，4f单元由一对凸透镜构成，为节约空间，可在4f单元与物镜之间设置第二反射镜9；

控制器14分别与工作台16、飞秒激光器1和扫描振镜5连接，控制器根据工件规划工作台和扫描振镜的协同路径，以使经扫描振镜输出的飞秒激光束连续输出到工件的待加工区域。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，飞秒激光器与扫描振镜之间还设置有准直扩束镜3，准直扩束镜由一对凸透镜构成。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，该系统还包括观察光路单元，观察光路单元包括光源13(可为led照明光源)、分束立方镜11和ccd相机12，若光源设置在工作台的上方时，光源发出的光束入射到分束立方镜上发生透射，经分束立方镜透射到物镜后输出聚焦光，聚焦光入射到工作台上并照射到工作台的工件上，工件被聚焦光照射而产生的反射光再由物镜收集返回，被分束立方镜反射后成像在ccd相机上；

若光源设置在工作台的下方时，工件为透明工件，光源发出的光束照射到工作台的工件上，工件被照射而产生的反射光经物镜聚焦，再经分束立方镜反射后成像在ccd相机上；

ccd相机连接于一显示器15，显示器与控制器14连接。

在本发明的优选实施例中，图中未示意，工作台上设置有用于吸附工件的真空吸盘，可实现吸附样品、背光照明、调平等多种附加功。

本发明主要由光学系统和控制系统两部分组成，其中光学系统分为激光光路和观察光路，控制系统分为激光的控制、三轴伺服位移台与显微扫描系统的控制，均由计算机实现控制，可实现高精度高效的大面积加工。

加工图2所示图案，扫描振镜的扫描范围见虚线框，平台运动路径见黑线，可以保证平台移动过程中使扫描振镜可以连续覆盖整个图案。其工作原理如下：

1)飞秒激光器产生特定波长的飞秒激光脉冲，经过反射镜进入准直扩束镜，使激光光束变为准直(平行)光束，才能利用物镜获得均匀细小的高功率密度的光斑；

2)准直的激光光束进入由振镜、一个4f单元、反射镜(只反射特定波长的激光，其他波长的光均可透过)和物镜构成的扫描显微系统，最后到达xy伺服位移平台，实现在物镜视场范围内进行快速高精度加工；

3)led光源依次经过分束立方镜、反射镜和物镜(固定于z轴)到达xy伺服位移平台上的样品，经样品反射按照原光路到达分束立方镜，或led光源从样品底部透射到达物镜和分束立方镜，由分束立方镜反射至ccd相机成像，得到实时加工图案；

4)控制器将扫描显微系统的运动与xyz三轴伺服轴的运动结合在一起，以扩展扫描显微的视场，扫描显微系统的部分运动被伺服轴的恒定运动所替代，在拥有位移台大范围行程(60mm×60mm)的同时，保证加工的图案始终在扫描显微的视场中，在保持扫描显微高速扫描的同时，实现无缝大面积高速高精度加工，即动态视场拼接扫描显微技术；

5)在计算机上使用dmc软件，来优化动态视场拼接扫描显微系统的所加工图案的组合运动路径的执行顺序，同时通过控制器控制激光配合动态视场拼接扫描显微系统的整体运动，最终实现基于动态视场拼接的扫描显微超快激光高精度高效加工。

本发明中激光器包括但不限于：yb:kgw飞秒激光器、钛蓝宝石飞秒激光器等，选用合适的反射镜、透镜和物镜等光学元件，可适用于不同波长不同功率的激光。

本发明中xyz三轴伺服位移台包括但不限于：xy平面位移范围60mm×60mm或130mm×130mm，z轴位移范围±30mm，位移精度可达百纳米级别的伺服轴等。

本发明中激光器、led光源、扫描显微系统与伺服轴配合的控制，均通过控制器在计算机上进行集成控制；同时，使用合适的软件，来优化动态视场拼接扫描显微系统的所加工图案的组合运动路径的执行顺序。

本发明的有益效果如下：

1)正确配置控制器后，可以将所需加工的图案转换为对应的伺服轴和振镜扫描显微运动，确保其命令轨迹保持在扫描显微视场内的同时，在xy伺服轴视场内进行无缝大面积加工，而不需要伺服轴执行步进扫描的命令；

2)扫描显微的运动将伺服轴的动态追踪误差作为其轨迹的一部分，并对其进行实时校正，在保证高加工精度的同时可以提高加工效率；

3)将显微物镜固定在z轴上，通过控制z轴的运动，结合动态视场拼接扫描显微系统，实现高效高精度大面积三维制造。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。