锁频单脉冲紫外超快激光精密打标透明材料的方法和系统与流程

本发明涉及激光打标，具体涉及一种锁频均匀能量单脉冲紫外超快激光精密打标透明材料的方法和系统。

背景技术：

1、激光打标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。

2、目前，透明材料激光打标技术主要采用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打标机，通过破坏透明材料表面来实现打标。这类打标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。

3、基于超快光纤激光器打标机打标时，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，导致打标时工件材料表面的打标具体位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打标效果一致性较差，降低了质量和效果。作为硬脆性透明材料的玻璃，打标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。

技术实现思路

1、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紫外超快激光精密打标透明材料的方法。

2、本发明所述的锁频均匀能量单脉冲紫外超快激光精密打标透明材料的方法，包括步骤：

3、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%；

4、2）锁定发射频率为10khz-200khz之间的一定值；

5、3）设定激光波长为353±5nm；

6、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；

7、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，完成透明材料表面打标图案的激光打标。

8、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。

9、所述激光器为全固态皮秒激光器。

10、所述单脉冲宽度为1-10ps。

11、所述激光器窗口光斑为1-3mm，发散角0.5-1.5mrad 。

12、所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路。

13、所述光束传输光路为传输距离10-1000mm的传输光路组成。

14、所述振镜工作频率为10k-400k,振镜的镜片尺寸为5-30mm。

15、所述场镜是f-θ场镜或远心场镜，焦距为30-300mm。

16、形成所述打标图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为0.5-15um。

17、本发明还提供实现上述精密打标透明材料方法的打标系统，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，

18、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353±5nm；

19、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；

20、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；

21、激光器通过数据线与安装有激光打标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打标。

22、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。

23、本发明方法可用于透明材料表面，特别是玻璃、水晶或亚克力表面的精密打标。

24、本发明的有益效果在于：

25、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打标方法，可用于透明材料，如玻璃、水晶、亚克力等的材料表面的精密打标，能够满足广泛多样的需求。

26、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打标，而不是通过热至熔化作用来实现打标，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。

27、3.本发明打标方法输出的高能量单脉冲，在时域上表现唯一，打标时工件材料加工面的具体位置点非常准确，不会在空间上发生漂移，打标的质量非常好。

28、4.本发明打标方法加工时间快，几乎不出现漏点、漏标记，时序匹配精准。

29、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参数。

技术特征：

1.锁频单脉冲紫外超快激光精密打标透明材料的方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的超快激光精密打标透明材料的方法，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打标透明材料的方法，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打标透明材料的方法，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打标透明材料的方法，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打标透明材料的方法，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打标透明材料的方法，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打标透明材料的方法，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打标透明材料的方法，其特征在于，形成所述打标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所述精密打标透明材料方法的打标系统，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，

技术总结
本发明提供一种锁频单脉冲紫外超快激光精密打标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353±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；5）在软硬件控制器的控制下完成打标。本发明的打标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打标，几乎没有热影响区出现、也不需要辅助粉末等物料，标记内容精细清晰、不改变基材强度。

技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：北京赢圣科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12