不同擴(kuò)束鏡對(duì)激光切割質(zhì)量的影響研究

尹同芳 覃賢德 梁燎原 林小波

廣東正業(yè)科技股份有限公司

1 引言

紫外激光切割加工技術(shù)，近年來(lái)在智能手機(jī)、平板電腦等輕、薄多功能電子產(chǎn)品中的撓性板、剛撓結(jié)合板上獲得廣泛應(yīng)用。其原因是傳統(tǒng)機(jī)加工已無(wú)法滿足高精度、外形公差嚴(yán)、低損傷的要求，同時(shí)激光切割技術(shù)還可達(dá)到切割邊窄，速度快，熱影響小，節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。這種外形加工技術(shù)已獲得眾多高端印刷板廠的認(rèn)可和推廣使用。

在激光技術(shù)的許多應(yīng)用領(lǐng)域中，光束質(zhì)量至關(guān)重要。激光材料加工[1]，光學(xué)信息處理、存儲(chǔ)和記錄，激光的醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用等領(lǐng)域，對(duì)光束質(zhì)量有很高的要求。在激光加工中尤其對(duì)發(fā)散角和聚焦光斑的要求很高[2]。激光光束質(zhì)量不僅影響激光加工設(shè)備的整體性能，也極大地影響激光技術(shù)的應(yīng)用水平。通常激光器發(fā)出的激光束的空間強(qiáng)度分布呈高斯分布，即高斯激光束。從激光器發(fā)出的激光束具有一定的發(fā)散角，在激光加工中，希望激光束盡可能接近平行光[2][3]。

擴(kuò)束鏡是能夠改變激光光束直徑和發(fā)散角的透鏡組件。只有通過(guò)擴(kuò)束鏡的調(diào)節(jié)使激光光束變?yōu)闇?zhǔn)直（平行）光束，才能利用聚焦鏡獲得細(xì)小的高功率密度光斑[3]。本文對(duì)比了不同擴(kuò)束鏡對(duì)切割質(zhì)量的影響，采用擴(kuò)束鏡1獲得了高質(zhì)量的光束，得到了良好的切割效果，滿足了客戶對(duì)切割的要求。

2 擴(kuò)束鏡原理

圖1 擴(kuò)束鏡原理示意圖

通常，對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束的折射結(jié)構(gòu)形式有伽利略式和開(kāi)普勒式兩種[4][5]。如圖1(a)所示，本文采用的擴(kuò)束鏡2采用伽利略式系統(tǒng)。伽利略式系統(tǒng)的共焦點(diǎn)為虛焦點(diǎn)，避免了空氣的擊穿效應(yīng)，且光學(xué)系統(tǒng)的軸向尺寸小于開(kāi)普勒式系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的擴(kuò)束倍數(shù)單一、不可調(diào)。擴(kuò)束鏡1的原理如圖1(b)所示，通過(guò)移動(dòng)透鏡f1和f2之間的距離改變擴(kuò)束倍數(shù)，改變透鏡f3與f4之間的距離來(lái)改變光束的發(fā)散角，該系統(tǒng)的擴(kuò)束倍數(shù)可調(diào)，滿足光學(xué)系統(tǒng)中不同光學(xué)元器件之間的孔徑匹配要求[6]。

本文所采用的兩種擴(kuò)束鏡的基本參數(shù)如表1所示，其中擴(kuò)束鏡1采用變倍設(shè)計(jì)，擴(kuò)束倍數(shù)從2X～8X可調(diào)。擴(kuò)束鏡2采用伽利略系統(tǒng)形式，擴(kuò)束鏡倍數(shù)不可調(diào)，擴(kuò)束倍數(shù)為5X，且擴(kuò)束鏡1的入光孔徑比擴(kuò)束鏡2大，方便光路調(diào)節(jié)，此時(shí)98%的光能通過(guò)。

表1 不同擴(kuò)束鏡基本參數(shù)對(duì)比

3 擴(kuò)束鏡對(duì)激光束質(zhì)量的影響

經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡前后，光束發(fā)散角的關(guān)系為

式中，θ1、θ2為進(jìn)入擴(kuò)束鏡前、后的光束發(fā)散角，R1，R2為進(jìn)入擴(kuò)束鏡前、后的光束半徑，K為擴(kuò)束鏡的擴(kuò)束倍數(shù)，即經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡后，光束的發(fā)散角與擴(kuò)束倍數(shù)成反比[7]。

如表2所示為加擴(kuò)束鏡前后光束質(zhì)量對(duì)比。擴(kuò)束鏡前激光器發(fā)出光束的直徑為1.3 mm，光束發(fā)散角為1.9 m rad，真圓度為100%。經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡1后光束直徑為4.2 mm，發(fā)散角為0.2 m rad，真圓度為97%。而采用擴(kuò)束鏡2輸出后光束直徑為3.5 mm，發(fā)散角為1.0 m rad，真圓度為96%。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可以得出，在采用擴(kuò)束鏡1后光束尺寸得到了改善，擴(kuò)大了3倍；發(fā)散角被相應(yīng)的壓縮，整形效果良好。在采用擴(kuò)束鏡2后光束尺寸亦得到了改善，擴(kuò)大了2.6倍。兩種擴(kuò)束鏡出射的光束真圓度都在95%以上。兩種擴(kuò)束鏡理論擴(kuò)束倍數(shù)為5X，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡后理論發(fā)散角為0.4 m rad，這說(shuō)明擴(kuò)束鏡1的發(fā)散角基本符合式（1）。

表2 加擴(kuò)束鏡前后光束質(zhì)量對(duì)比

如圖2所示為采用光束質(zhì)量分析儀（BG-USB-SP6-20）測(cè)量出的激光能量分布圖，(a)圖，(c)圖和(e)圖分別為激光器，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡1和擴(kuò)束鏡2的平面圖，(b)圖，(d)圖和(f)圖是其對(duì)應(yīng)的三維圖。從圖中可以看出經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡后激光能量分布更均勻。經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡1后比擴(kuò)束鏡2后激光能量分布更均勻。

圖2 激光能量分布平面圖和三維圖

4 不同擴(kuò)束鏡對(duì)切割質(zhì)量的影響

4.1 不同擴(kuò)束鏡對(duì)切割線寬的影響

聚焦光斑的大小可由下式描述：

λ是波長(zhǎng)，F(xiàn)是聚焦鏡焦距長(zhǎng)度，M2是光束質(zhì)量因子，D是進(jìn)入聚焦鏡的光斑直徑，θ是光束發(fā)散角，π是常數(shù)。進(jìn)入聚焦鏡的光束直徑越大，光束發(fā)散角越小，聚焦光斑越小。由2式可以得出采用擴(kuò)束鏡1的聚焦光斑約為13.5μm，采用擴(kuò)束鏡2的聚焦光斑約為16.1μm。

切縫寬度，是衡量切割質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，如圖3所示為在激光頻率為80 kHz，功率為3 W，切割速度為180 mm/s條件下，采用不同擴(kuò)束鏡切割覆蓋膜的金相顯微鏡照片。從(a)圖和(b)圖的對(duì)比中我們可以看出采用擴(kuò)束鏡1比擴(kuò)束鏡2切割覆蓋膜切割縫寬更窄，其中，采用擴(kuò)束鏡1的切縫寬度為15.6μm，而采用擴(kuò)束鏡2的切縫寬度為18.5μm。由于切縫寬度同光斑直徑有很大的關(guān)系，采用擴(kuò)束鏡1的光束直徑比擴(kuò)束鏡2大，光束發(fā)散角小，聚焦光斑小，因此切縫寬度更窄[8]。

圖3 采用不同擴(kuò)束鏡切割覆蓋膜的金相顯微鏡照片

4.2 不同擴(kuò)束鏡對(duì)炭化的影響

炭化是檢驗(yàn)切割覆蓋膜的重要指標(biāo)，它直接影響到后續(xù)的使用，如圖4所示為在激光頻率為50 kHz，功率為3 W，切割速度為180 mm/s條件下，采用不同擴(kuò)束鏡切割覆蓋膜的金相顯微鏡照片。從(a)圖和(b)圖的對(duì)比中我們可以看出采用擴(kuò)束鏡1比擴(kuò)束鏡2切割覆蓋膜炭化輕微，更均勻。因?yàn)榻?jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡1的光束能量密度更集中，使得炭化區(qū)較窄。此外，光束的質(zhì)量將直接影響切割質(zhì)量，其中光束能量的均勻性顯得尤為明顯，擴(kuò)束鏡1優(yōu)化了光束質(zhì)量，光束的能量密度更均勻，因此，炭化更均勻[9]。

圖4 采用不同擴(kuò)束鏡切割覆蓋膜的金相顯微鏡照片

4.3 不同擴(kuò)束鏡對(duì)熱影響區(qū)寬度的影響

熱影響區(qū)寬度，是衡量切割質(zhì)量的另一重要指標(biāo)，如圖5所示為在激光頻率為50 kHz，功率為3 W，切割速度為180 mm/s條件下，采用不同擴(kuò)束鏡切割覆蓋膜的金相顯微鏡照片。從圖中可以看出，采用擴(kuò)束鏡1切割覆蓋膜熱影響區(qū)小，且對(duì)稱均勻，切縫上側(cè)熱影響區(qū)寬度為86.2μm，切縫下側(cè)熱影響區(qū)寬度為84.8μm。采用擴(kuò)束鏡2切割覆蓋膜熱影區(qū)寬度不均勻上側(cè)熱影響區(qū)大，測(cè)得的結(jié)果為切縫上側(cè)熱影響區(qū)寬度為162.8μm，切縫下側(cè)熱影響區(qū)寬度為73.6μm。這是由于經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡1的能量密度更集中，使得熱影響區(qū)較窄更均勻[10]。

圖5 采用不同擴(kuò)束鏡切割覆蓋膜的金相顯微鏡照片

5 結(jié)論

本文從理論和實(shí)驗(yàn)上證明擴(kuò)束鏡對(duì)激光切割質(zhì)量有較大的影響，不同擴(kuò)束鏡對(duì)切割質(zhì)量影響差異較大。理論上，擴(kuò)束鏡可以減小光束發(fā)散角，準(zhǔn)直效果好，增大入射到聚焦鏡的光斑直徑，光斑直徑越大，聚焦光斑則越小，能量密度更大；實(shí)驗(yàn)上，不同擴(kuò)束鏡對(duì)切割質(zhì)量有較大的影響，采用擴(kuò)束鏡1比擴(kuò)束鏡2切割覆蓋膜切割線寬更窄，炭化區(qū)較小，熱影響區(qū)較小，且對(duì)稱均勻。

本研究結(jié)果應(yīng)用到多臺(tái)UV激光切割機(jī)上，多家高端撓性板廠使用，實(shí)踐的效果相當(dāng)不錯(cuò)，切割邊平直均勻，切割縫很窄（約16μm），邊緣炭化輕微，熱影響區(qū)域僅幾十微米，且均勻?qū)ΨQ。

本文是在劉澤民技術(shù)顧問(wèn)的悉心指導(dǎo)下完成的，在此表示衷心的感謝！

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