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

在激光技術(shù)的許多應用領(lǐng)域中，光束質(zhì)量至關(guān)重要。激光材料加工[1]，光學信息處理、存儲和記錄，激光的醫(yī)學臨床應用等領(lǐng)域，對光束質(zhì)量有很高的要求。在激光加工中尤其對發(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)的應用水平。通常激光器發(fā)出的激光束的空間強度分布呈高斯分布，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。只有通過擴束鏡的調(diào)節(jié)使激光光束變?yōu)闇手保ㄆ叫校┕馐?，才能利用聚焦鏡獲得細小的高功率密度光斑[3]。本文對比了不同擴束鏡對切割質(zhì)量的影響，采用擴束鏡1獲得了高質(zhì)量的光束，得到了良好的切割效果，滿足了客戶對切割的要求。

2 擴束鏡原理

圖1 擴束鏡原理示意圖

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

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

表1 不同擴束鏡基本參數(shù)對比

3 擴束鏡對激光束質(zhì)量的影響

經(jīng)過擴束鏡前后，光束發(fā)散角的關(guān)系為

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

如表2所示為加擴束鏡前后光束質(zhì)量對比。擴束鏡前激光器發(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)過擴束鏡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)過簡單計算可以得出，在采用擴束鏡1后光束尺寸得到了改善，擴大了3倍；發(fā)散角被相應的壓縮，整形效果良好。在采用擴束鏡2后光束尺寸亦得到了改善，擴大了2.6倍。兩種擴束鏡出射的光束真圓度都在95%以上。兩種擴束鏡理論擴束倍數(shù)為5X，經(jīng)過擴束鏡后理論發(fā)散角為0.4 m rad，這說明擴束鏡1的發(fā)散角基本符合式（1）。

表2 加擴束鏡前后光束質(zhì)量對比

如圖2所示為采用光束質(zhì)量分析儀（BG-USB-SP6-20）測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)過擴束鏡1和擴束鏡2的平面圖，(b)圖，(d)圖和(f)圖是其對應的三維圖。從圖中可以看出經(jīng)過擴束鏡后激光能量分布更均勻。經(jīng)過擴束鏡1后比擴束鏡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 不同擴束鏡對切割質(zhì)量的影響

4.1 不同擴束鏡對切割線寬的影響

聚焦光斑的大小可由下式描述：

λ是波長，F(xiàn)是聚焦鏡焦距長度，M2是光束質(zhì)量因子，D是進入聚焦鏡的光斑直徑，θ是光束發(fā)散角，π是常數(shù)。進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式可以得出采用擴束鏡1的聚焦光斑約為13.5μm，采用擴束鏡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，采用不同擴束鏡切割覆蓋膜的金相顯微鏡照片。從(a)圖和(b)圖的對比中我們可以看出采用擴束鏡1比擴束鏡2切割覆蓋膜切割縫寬更窄，其中，采用擴束鏡1的切縫寬度為15.6μm，而采用擴束鏡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，采用擴束鏡1的光束直徑比擴束鏡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 采用不同擴束鏡切割覆蓋膜的金相顯微鏡照片

4.2 不同擴束鏡對炭化的影響

炭化是檢驗切割覆蓋膜的重要指標，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，采用不同擴束鏡切割覆蓋膜的金相顯微鏡照片。從(a)圖和(b)圖的對比中我們可以看出采用擴束鏡1比擴束鏡2切割覆蓋膜炭化輕微，更均勻。因為經(jīng)過擴束鏡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 采用不同擴束鏡切割覆蓋膜的金相顯微鏡照片

4.3 不同擴束鏡對熱影響區(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，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，采用擴束鏡1切割覆蓋膜熱影響區(qū)小，且對稱均勻，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)過擴束鏡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

本文從理論和實驗上證明擴束鏡對激光切割質(zhì)量有較大的影響，不同擴束鏡對切割質(zhì)量影響差異較大。理論上，擴束鏡可以減小光束發(fā)散角，準直效果好，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；實驗上，不同擴束鏡對切割質(zhì)量有較大的影響，采用擴束鏡1比擴束鏡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，且對稱均勻。

本研究結(jié)果應用到多臺UV激光切割機上，多家高端撓性板廠使用，實踐的效果相當不錯，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)顧問的悉心指導下完成的，在此表示衷心的感謝！

[1]鄢銼, 李力鈞, 李娟等. 激光切割板材表面質(zhì)量研究綜述[J]. 激光技術(shù), 2005, 29(3): 270-274.

[2]葉錦函, 郝曉劍, 周漢昌. 基于ZEMAX的激光光束整形技術(shù)試驗研究[J]. 工程與試驗, 2010, 50(3): 46-68.

[3]管海兵, 葉云霞, 張永康等. 擴束鏡對高能釹玻璃固體激光系統(tǒng)輸出性能影響的研究[C]. 江蘇 江蘇省“光科學與技術(shù)”博士生學術(shù)論壇暨長三角光子科技論壇論文集, 2009, 348-353.

[4]賴愛光, 林峰, 蔡長達等. 連續(xù)可變擴束比的激光擴束系統(tǒng)[J]. 光學儀器, 1992, 14(1): 11-16.

[5]趙延仲, 宋豐華, 孫華燕. 1.06μm脈沖激光高倍率變焦的擴束發(fā)射光學系統(tǒng)設(shè)計[J]. 紅外與激光工程, 2007,36(6): 891-895.

[6]楊海波, 王柏林, 張大有等. 一種變倍擴束鏡的設(shè)計[J]. 光電技術(shù)應用, 2007, 22(1): 8-10.

[7]趙 俠. 擴束系統(tǒng)在激光加工系統(tǒng)中的重要作用[J]. 激光技術(shù), 1999, 23(6) : 378-390.

[8]王昆林, 藏東紅, 朱允明. 鈦合金的激光切割[J]. 稀有金屬材料與工程, 1994, 23(1): 62-65.

[9]羅均濤, 尹同芳, 梁燎原. UV激光切割覆蓋膜炭化問題影響因素研究[J]. 印制電路信息, 2012, 4: 24-27.

[10]K.C. Yung, S.M. Mei, T.M. Yue, A study of the heat-affected zone in the UV YAG laser drilling of GFRP materials[J].Journal of Materials Processing Technology, 2002, 122: 278-285.