一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构和加工设备的制作方法

本发明属于激光光束整形领域，具体涉及一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构和加工设备。

背景技术：

1、近些年来，随着碳化硅、金刚石等第三代半导体材料的兴起，对材料的加工工艺要求也越来越高。目前，由国外引进的激光微射流加工技术在第三代半导体材料的加工领域大放异彩，相比于之前的加工工艺，激光微射流加工技术能够提高加工效果和加工效率。

2、但是，现有的激光微射流加工头均为采用旋转对称面，例如球面和奇/偶次非球面构成的镜片结构，仅能将光束聚焦成点状，从而和圆形微射流耦合，以对材料上的一个点进行加工，如果需要对某个线或者面进行加工，则需要机床的运动配合。

3、因为传统的激光微射流加工头是通过机床配合，采用将点连成线，将线连成面的加工方式，在应用这种加工方式加工面或者挖槽时，加工面或者槽底是不平整的，因而传统的激光微射流加工头无法满足对底部加工面有要求的加工需求。

4、而且，由于微射流对激光的功率密度的耐受是一定的，功率密度过高会导致光的非线性效应，在微射流内部产生大量空泡，使得激光能量过早散射。受限于传统的激光微射流加工头所产生的圆柱形微射流的截面积，在通常设定的功率密度下，微射流的耦合功率有限，无法形成有效的激光耦合微射流，会影响加工效率。

5、因此，亟需对传统的激光微射流加工头改进以消除上述缺陷。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构和加工设备。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明实施例提供了一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构，包括：

3、光纤准直镜，用于将光纤激光器输出的垂直向发散光束进行准直，输出垂直向准直光束；

4、45°平面反射镜，用于接收所述垂直向准直光束，变向后输出水平向准直光束；

5、x方向柱面镜，用于对所述水平向准直光束的x方向进行压缩，输出x向压缩后光束；

6、第一y方向柱面镜，用于对所述x向压缩后光束的y方向进行压缩，输出第一y向压缩后光束；

7、第二y方向柱面镜，用于对所述第一y向压缩后光束的y方向进行压缩，输出第二y向压缩后光束；其中，针对任一柱面镜，z方向对应水平方向，y方向对应垂直方向，x、y、z方向遵循右手定则；

8、二色镜，所述二色镜的上下表面非平行，下表面与水平方向夹角为45°，所述下表面用于将所述第二y向压缩后光束变向，输出垂直向光束；上表面用于避免所述下表面反射的杂散光传输至相机；

9、保护窗片，用于接收所述垂直向光束并向下透射，所述保护窗片还用于将下方的水腔和上方的其余光学结构隔绝开，防止水进入其余光学结构；

10、分束镜，用于将来自于所述相机的照明光束向下反射，穿过所述二色镜、所述保护窗片，照射位于所述保护窗片底部的喷嘴；将喷嘴的反射光经所述保护窗片、所述二色镜输出的光束向上透射，传播至所述相机以对所述喷嘴成像；

11、耦合器，用于利用所述喷嘴中间的狭缝接收所述保护窗片输出的光束，输出线状光束，将所述线状光束耦合到所述喷嘴的狭缝所喷射出的线状水射流中。

12、在本发明的一个实施例中，所述光纤激光器输出的垂直向发散光束的半角发散角为5°。

13、在本发明的一个实施例中，所述光纤准直镜的焦距为200mm，直径为40mm。

14、在本发明的一个实施例中，所述x方向柱面镜的x方向曲率半径为689.09mm，y方向曲率半径为无穷大，镜片直径为40mm。

15、在本发明的一个实施例中，所述第一y方向柱面镜和所述第二y方向柱面镜的y方向曲率半径为50mm，x方向曲率半径为无穷大，镜片直径为40mm。

16、在本发明的一个实施例中，所述二色镜的上表面和下表面的夹角为5°。

17、在本发明的一个实施例中，所述保护窗片的厚度为4mm，长度为40mm，宽度为10mm；其中，所述保护窗片的厚度沿z方向，长度沿x方向，宽度沿y方向。

18、在本发明的一个实施例中，所述分束镜由两片截面为直角等腰三角形的三角棱柱沿底面贴合而成，贴合面对来自于所述相机的照明光束具有50%的透过率和50%的反射率；其中，所述两片截面位于yz平面。

19、第二方面，本发明实施例提供了一种加工设备，包括第一方面提供的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，以及相机和喷嘴；其中，所述加工设备利用所述用于线形激光与微射流耦合的光学结构输出线状光束，所述线状光束被耦合到所述喷嘴的狭缝所喷射出的线状水射流中，形成线状激光微射流，以用于对半导体材料进行加工。

20、本发明的有益效果：

21、本发明实施例提供的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，能够将圆形激光光束整形成线状激光光束与线状微射流耦合。不同于传统的点状加工方式，本发明中线状激光耦合的微射流，可采用线状加工方式，可减少机床轴的运动频次，因此加工效率更高。本发明直接产生线状激光耦合微射流，一次性加工区域更广，对加工面进行多次加工，其加工面更加平整。而且本发明激光耦合的微射流截面面积更大，在相同的功率密度下，可耦合的激光的功率远高于传统方式。

技术特征：

1.一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，包括：

2. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述光纤激光器输出的垂直向发散光束的半角发散角为5°。

3. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述光纤准直镜的焦距为200mm，直径为40mm。

4. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述x方向柱面镜的x方向曲率半径为689.09mm，y方向曲率半径为无穷大，镜片直径为40mm。

5. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述第一y方向柱面镜和所述第二y方向柱面镜的y方向曲率半径为50mm，x方向曲率半径为无穷大，镜片直径为40mm。

6. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述二色镜的上表面和下表面的夹角为5°。

7. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述保护窗片的厚度为4mm，长度为40mm，宽度为10mm；其中，所述保护窗片的厚度沿z方向，长度沿x方向，宽度沿y方向。

8. 根据权利要求 1所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，其特征在于，所述分束镜由两片截面为直角等腰三角形的三角棱柱沿底面贴合而成，贴合面对来自于所述相机的照明光束具有50%的透过率和50%的反射率；其中，所述两片截面位于yz平面。

9.一种加工设备，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的用于线形激光与微射流耦合的光学结构，以及相机和喷嘴；其中，所述加工设备利用所述用于线形激光与微射流耦合的光学结构输出线状光束，所述线状光束被耦合到所述喷嘴的狭缝所喷射出的线状水射流中，形成线状激光微射流，以用于对半导体材料进行加工。

技术总结
本发明公开了一种用于线形激光与微射流耦合的光学结构和加工设备，属于激光光束整形领域，该光学结构包括：光纤准直镜、45°平面反射镜、X方向柱面镜、第一Y方向柱面镜、第二Y方向柱面镜、二色镜、保护窗片、分束镜和耦合器。本发明能将圆形激光光束整形成线状激光光束与线状微射流耦合。不同于传统的点状加工方式，本发明中线状激光耦合的微射流，可采用线状加工方式，可减少机床轴的运动频次，因此加工效率更高。本发明直接产生线状激光耦合微射流，一次性加工区域更广，对加工面进行多次加工，其加工面更加平整。且本发明激光耦合的微射流截面面积更大，在相同的功率密度下，可耦合的激光的功率远高于传统方式。

技术研发人员：杨森,周立,张聪,陈磊
受保护的技术使用者：西安晟光硅研半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5