1 华中科技大学光学与电子信息学院激光加工国家工程研究中心，湖北 武汉 430074
2 江苏先河激光技术有限公司，江苏 宿迁 223800
为实现孔径和锥度可调的微孔加工，设计研制了一种基于双振镜组联动与Z轴上下移动的五轴四联动激光旋切系统。建立了微孔激光旋切物理模型，首先利用边缘轮廓确定微孔形状，再通过分层回型填充方法确定每个激光作用点的位置；然后基于聚焦光束不被遮挡和振镜偏转整体运动量少的原则，确定四个振镜的偏转角度；通过改变边缘轮廓端点数据，可分别实现方孔尺寸和锥度的灵活可控。采用15 W紫外皮秒激光器、两套相同的振镜和焦距为32 mm的远心透镜，配合三维平移工作台，搭建了激光旋切硬件系统，自主开发了多边形激光旋切控制软件。实验采用分层降焦打孔的方式，在厚度为250 μm的氮化硅材料上实现了55 μm×55 μm规格的正锥、零锥、负锥方形微孔的加工，并且还实现了不同孔径（30~80 μm）零锥方形微孔和三角形、五边形、六边形等其他形状微孔的加工。
激光技术 激光旋切 微孔加工 双振镜组 分层填充 锥度调节 中国激光
2023, 50(12): 1202402
1 华中科技大学光学与电子信息学院激光加工国家工程研究中心，湖北 武汉 430074
2 武汉武钢华工激光大型装备有限公司，湖北 武汉 430223
为了提高激光淬火硬化层形貌的均匀性，提出了一种基于振镜变速扫描的激光淬火光学系统。系统由QBH(quartz block head)、准直聚焦一体镜、单轴振镜和振镜变速扫描控制系统等组成。通过设定振镜扫描系统的变速区域宽度和变速系数，可实现能量中间低、两端高的“鞍形”光场分布。建立了重复变速扫描系统的等效热作用光场模型，并通过ANSYS软件模拟了45钢激光淬火过程中的温度场。重点分析了振镜扫描系统的变速系数和变速区域宽度对淬火后相变硬化层均匀性的影响。仿真结果表明，变速系数或变速区域的增大改善了硬化层的均匀性。采用千瓦级光纤激光器作为光源，进行了等变速区域不同变速系数的激光淬火实验。取硬化层深度降低至最大值90%的位置作为匀化区域的边界，变速系数为0.8时获得的硬化层的匀化区域宽度为5.1 mm，比振镜匀速扫描的匀化效果提升了约42%，实验结果与仿真结果吻合较好。
激光技术 激光淬火 振镜变速扫描 光场调控 温度场仿真 光学系统 中国激光
2022, 49(22): 2202005
1 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
2 湖北第二师范学院物理与机电工程学院，湖北 武汉 430205
3 厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005
大功率射频板条CO2激光器曾经是深熔焊接、切割的主力光源，目前主要用于超大规模集成电路晶圆退火。华中科技大学于2007年就开始了大功率射频板条CO2激光器的研发，并进行大量的理论研究和产业化工作。本文介绍了射频板条CO2激光器的国内外发展动态；重点分析了激光器的结构设计、(板条)面积放大、扩散冷却、激励电源、射频传输、阻抗匹配、射频气体放电等离子体、放电均匀性、电极热效应、非稳-波导混合腔、激光功率提取、输出光束特性、光束整形等核心技术；展望了射频板条CO2激光器在超大规模集成电路晶圆激光退火中的重要创新应用。
激光器 大功率射频板条CO2激光器 扩散冷却 非稳-波导混合腔 光束整形 射频激励 气体放电 中国激光
2022, 49(12): 1201005
Author Affiliations
Abstract
1 School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China
3 Lingyun Photoelectronic System, Co., Ltd., Wuhan 430205, China
4 School of Optoelectronic Science and Engineering, Soochow University, Suzhou 215006, China
Copper welding with an infrared (IR) Gaussian laser beam usually shows obvious instability, spatters, and worse surface morphology due to the Gaussian distribution, temperature-dependent IR absorption, and high thermal conductivity in copper. In this paper, the IR quasi-continuous-wave Gaussian beam was converted into a vortex ring beam with a phase-plate and then applied to the micro-spot-welding of copper sheets. The welding with the vortex beam demonstrated a significantly improved welding performance, smoother surface morphology, and higher welding stability. Besides, no spatters appeared in the welding process.
Gaussian beam vortex beam micro-spot-welding copper sheets IR fiber laser Chinese Optics Letters
2022, 20(4): 041404
华中科技大学光学与电子信息学院，激光加工国家工程研究中心，湖北 武汉 430074
硅晶圆激光隐形切割是指激光聚焦在晶圆内部使其产生热裂纹，通过控制热裂纹的扩展方向实现硅晶圆的高质量切割，具有广阔的应用前景。在硅晶圆内部沿着光轴方向一次生成多个焦点，可以实现硅晶圆的多焦点隐切。本文提出了一种大数值孔径下的轴向多焦点算法。将不同焦距的相位差值作为变量，通过迭代求解出傅里叶级数满足要求的原函数，然后对变量进行非线性映射就可以得到目标相位图。通过改变傅里叶展开后的各项系数，实现了轴上焦点数目、各焦点能量和间距的调节。利用MATLAB仿真得到了不同能量比、不同焦点间距的轴向三焦点和五焦点的光场，各焦点能量比例和间距与设计预期基本一致，能量利用率均达到了90%以上。选用1.342 μm纳秒激光器对250 μm厚硅晶圆进行激光隐切实验，使用空间光调制器加载目标相位图，将等能量的三个焦点分别聚焦在硅晶圆表面下方35.0，105.2，176.0 μm处，在激光功率为1.2 W、切割速度为200 mm/s的条件下成功实现了硅晶圆的三焦点激光隐切。
激光技术 硅晶圆 激光隐切 差值映射 轴向多焦点 相位调制
华中科技大学光学与电子信息学院激光加工国家工程研究中心, 湖北 武汉 430074
为实现不等壁厚复杂零件的激光增材制造,设计开发了一种基于自适应镜的可变圆光斑激光熔覆光学系统。系统由反射式抛物准直镜、反射式自适应镜和反射式抛物聚焦镜等组成。通过气压比例阀调节自适应镜腔内气压,改变自适应镜表面曲率半径,使光束以不同程度的会聚角或发散角入射到反射式抛物聚焦镜,从而改变作用在工件表面的激光光斑大小。建立了基于自适应镜变斑光学系统的物理模型,通过Matlab和Zemax软件仿真分析了自适应镜焦距的变化范围、反射式抛物准直镜与反射式抛物聚焦镜的焦距和位置,以及光纤激光光源参数等对系统变斑特性的影响。采用6 kW光纤激光器,按照变光斑、变功率、等速度、等功率密度的方案进行激光熔覆工艺实验,实现了壁厚由3 mm渐变到8 mm的椭圆形工件的激光熔覆增材制造。
激光熔覆 增材制造 可变光斑 自适应镜 光学系统
1 武汉软件工程职业学院, 湖北 武汉 430205
2 华中科技大学激光加工国家工程研究中心, 湖北 武汉 430074
3 武汉工程大学光电信息与能源工程学院, 湖北 武汉 430205
利用脉冲光纤激光对金属表面放射性物质去污工艺进行了实验研究, 分析了去污工艺实验中若干关键因素对去污深度及粗糙度的影响。研究发现, 激光脉冲宽度与单次去除深度及底纹粗糙度成正比, 扫描路径主要影响去除效率和底纹的粗糙度, 氮气作为辅助气体不能有效加深去污深度和改善底纹粗糙度, 在多次扫描去污时, 去污深度与扫描次数和去污区域大小有关, 在去污区域为5 mm×5 mm时, 去污深度与扫描次数成指数增长, 在去污区域为50 mm×50 mm时, 去污深度与扫描次数近似成倍数增长。
脉冲激光 放射性 去污工艺 关键因素 pulse laser radioactive decontamination process key factors
1 华中科技大学光学与电子信息学院激光加工国家工程研究中心,湖北 武汉 430074
2 武汉武钢华工激光大型装备有限公司, 湖北 武汉 430223
提出一种通用的抛物带式矩形光斑积分镜,建立了分段抛物线匀化模型,推导了满足超精密车削加工的分段抛物线方程。该积分镜解决了传统直线带式积分镜在积分方向上匀化宽度太小的问题,可获得远大于输入光斑直径的匀化宽度,同时分析了该积分镜分割段数对输出光斑均匀性的影响。利用高斯光束行波传输方程,计算回转方向上的离焦光斑尺寸,解决了采用几何光学方法获得离焦光斑尺寸误差大的问题。设计了输出光斑尺寸分别为100 mm×3.2 mm和14 mm×3.3 mm的积分镜,采用Zemax和SolidWorks软件进行仿真,仿真得到的光斑尺寸分别为100.2 mm×3.2 mm和14.2 mm×3.3 mm。加工了14 mm×3.3 mm的积分镜,在3 kW光纤激光器上进行实验,测得的光斑尺寸为14.3 mm×3.3 mm,匀化方向均匀性为90%,满足激光加工应用要求。
激光光学 激光光束整形 积分镜 分段抛物线 矩形光斑 匀化光斑 激光与光电子学进展
2019, 56(19): 191403
1 武汉软件工程职业学院，湖北 武汉 430223
2 华中科技大学 激光加工国家工程研究中心，湖北 武汉 430074
利用1 064 nm MOPA光纤激光器对非晶硅薄膜太阳能电池制备工序中的激光清边工序进行了实验研究，探讨了激光器脉冲宽度、填充线间距、扫描速度等工艺参数对加工效果的影响。在脉冲宽度100 ns，重复频率80 kHz，填充线间距35 μm，输出功率比100%，扫描速度3 500 mm/s，光斑交叠比wx＝0.83，wy＝0.88的参数下，获得了清边区表面理想，电阻值＞1 000 MΩ的良好清边效果。
非晶硅薄膜太阳能电池 激光清边 工艺参数 a-Si∶H thin film solar cell laser edge cleaning processing parameters
1 华中科技大学光学与电子信息学院激光加工国家工程研究中心, 湖北 武汉 430074
2 深圳华中科技大学研究院, 广东 深圳 518057
为了满足不同材料、不同厚度板材加工的需求,设计了一种光斑大小和焦点位置可变的激光切割光学系统,该变斑变焦激光切割光学系统由复合准直镜组、变焦镜组、补偿镜组和聚焦镜组组成;采用在普通光学聚焦系统的准直镜组与聚焦镜组中间放置可调倍率扩束系统,再将准直镜组和可调倍率扩束系统合并成一个复合准直镜组的方案,简化了系统设计;建立了四镜组可变斑变焦光学系统的物理模型,推导了各镜组之间的移动规律,并利用MATLAB软件进行理论验证;在现有切割光学系统的基础上,设计一种变斑变焦激光切割光学系统,并利用软件优化像差。结果表明:通过移动变焦镜组和补偿镜组,得到了放大倍率为1.000~3.750、焦点上下可调范围为-20~+10 mm的焦斑,实现了焦斑大小和焦点位置的精准可调。
光学设计 变斑变焦 激光切割 光学系统 焦斑 放大倍率 焦点位置
