不同扩束镜对激光切割质量的影响研究

尹同芳 覃贤德 梁燎原 林小波

广东正业科技股份有限公司

1 引言

紫外激光切割加工技术，近年来在智能手机、平板电脑等轻、薄多功能电子产品中的挠性板、刚挠结合板上获得广泛应用。其原因是传统机加工已无法满足高精度、外形公差严、低损伤的要求，同时激光切割技术还可达到切割边窄，速度快，热影响小，节省材料等优点。这种外形加工技术已获得众多高端印刷板厂的认可和推广使用。

在激光技术的许多应用领域中，光束质量至关重要。激光材料加工[1]，光学信息处理、存储和记录，激光的医学临床应用等领域，对光束质量有很高的要求。在激光加工中尤其对发散角和聚焦光斑的要求很高[2]。激光光束质量不仅影响激光加工设备的整体性能，也极大地影响激光技术的应用水平。通常激光器发出的激光束的空间强度分布呈高斯分布，即高斯激光束。从激光器发出的激光束具有一定的发散角，在激光加工中，希望激光束尽可能接近平行光[2][3]。

扩束镜是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件。只有通过扩束镜的调节使激光光束变为准直（平行）光束，才能利用聚焦镜获得细小的高功率密度光斑[3]。本文对比了不同扩束镜对切割质量的影响，采用扩束镜1获得了高质量的光束，得到了良好的切割效果，满足了客户对切割的要求。

2 扩束镜原理

图1 扩束镜原理示意图

通常，对激光进行扩束的折射结构形式有伽利略式和开普勒式两种[4][5]。如图1(a)所示，本文采用的扩束镜2采用伽利略式系统。伽利略式系统的共焦点为虚焦点，避免了空气的击穿效应，且光学系统的轴向尺寸小于开普勒式系统，但该系统的扩束倍数单一、不可调。扩束镜1的原理如图1(b)所示，通过移动透镜f1和f2之间的距离改变扩束倍数，改变透镜f3与f4之间的距离来改变光束的发散角，该系统的扩束倍数可调，满足光学系统中不同光学元器件之间的孔径匹配要求[6]。

本文所采用的两种扩束镜的基本参数如表1所示，其中扩束镜1采用变倍设计，扩束倍数从2X～8X可调。扩束镜2采用伽利略系统形式，扩束镜倍数不可调，扩束倍数为5X，且扩束镜1的入光孔径比扩束镜2大，方便光路调节，此时98%的光能通过。

表1 不同扩束镜基本参数对比

3 扩束镜对激光束质量的影响

经过扩束镜前后，光束发散角的关系为

式中，θ1、θ2为进入扩束镜前、后的光束发散角，R1，R2为进入扩束镜前、后的光束半径，K为扩束镜的扩束倍数，即经过扩束镜后，光束的发散角与扩束倍数成反比[7]。

如表2所示为加扩束镜前后光束质量对比。扩束镜前激光器发出光束的直径为1.3 mm，光束发散角为1.9 m rad，真圆度为100%。经过扩束镜1后光束直径为4.2 mm，发散角为0.2 m rad，真圆度为97%。而采用扩束镜2输出后光束直径为3.5 mm，发散角为1.0 m rad，真圆度为96%。经过简单计算可以得出，在采用扩束镜1后光束尺寸得到了改善，扩大了3倍；发散角被相应的压缩，整形效果良好。在采用扩束镜2后光束尺寸亦得到了改善，扩大了2.6倍。两种扩束镜出射的光束真圆度都在95%以上。两种扩束镜理论扩束倍数为5X，经过扩束镜后理论发散角为0.4 m rad，这说明扩束镜1的发散角基本符合式（1）。

表2 加扩束镜前后光束质量对比

如图2所示为采用光束质量分析仪（BG-USB-SP6-20）测量出的激光能量分布图，(a)图，(c)图和(e)图分别为激光器，经过扩束镜1和扩束镜2的平面图，(b)图，(d)图和(f)图是其对应的三维图。从图中可以看出经过扩束镜后激光能量分布更均匀。经过扩束镜1后比扩束镜2后激光能量分布更均匀。

图2 激光能量分布平面图和三维图

4 不同扩束镜对切割质量的影响

4.1 不同扩束镜对切割线宽的影响

聚焦光斑的大小可由下式描述：

λ是波长，F是聚焦镜焦距长度，M2是光束质量因子，D是进入聚焦镜的光斑直径，θ是光束发散角，π是常数。进入聚焦镜的光束直径越大，光束发散角越小，聚焦光斑越小。由2式可以得出采用扩束镜1的聚焦光斑约为13.5μm，采用扩束镜2的聚焦光斑约为16.1μm。

切缝宽度，是衡量切割质量的主要指标之一，如图3所示为在激光频率为80 kHz，功率为3 W，切割速度为180 mm/s条件下，采用不同扩束镜切割覆盖膜的金相显微镜照片。从(a)图和(b)图的对比中我们可以看出采用扩束镜1比扩束镜2切割覆盖膜切割缝宽更窄，其中，采用扩束镜1的切缝宽度为15.6μm，而采用扩束镜2的切缝宽度为18.5μm。由于切缝宽度同光斑直径有很大的关系，采用扩束镜1的光束直径比扩束镜2大，光束发散角小，聚焦光斑小，因此切缝宽度更窄[8]。

图3 采用不同扩束镜切割覆盖膜的金相显微镜照片

4.2 不同扩束镜对炭化的影响

炭化是检验切割覆盖膜的重要指标，它直接影响到后续的使用，如图4所示为在激光频率为50 kHz，功率为3 W，切割速度为180 mm/s条件下，采用不同扩束镜切割覆盖膜的金相显微镜照片。从(a)图和(b)图的对比中我们可以看出采用扩束镜1比扩束镜2切割覆盖膜炭化轻微，更均匀。因为经过扩束镜1的光束能量密度更集中，使得炭化区较窄。此外，光束的质量将直接影响切割质量，其中光束能量的均匀性显得尤为明显，扩束镜1优化了光束质量，光束的能量密度更均匀，因此，炭化更均匀[9]。

图4 采用不同扩束镜切割覆盖膜的金相显微镜照片

4.3 不同扩束镜对热影响区宽度的影响

热影响区宽度，是衡量切割质量的另一重要指标，如图5所示为在激光频率为50 kHz，功率为3 W，切割速度为180 mm/s条件下，采用不同扩束镜切割覆盖膜的金相显微镜照片。从图中可以看出，采用扩束镜1切割覆盖膜热影响区小，且对称均匀，切缝上侧热影响区宽度为86.2μm，切缝下侧热影响区宽度为84.8μm。采用扩束镜2切割覆盖膜热影区宽度不均匀上侧热影响区大，测得的结果为切缝上侧热影响区宽度为162.8μm，切缝下侧热影响区宽度为73.6μm。这是由于经过扩束镜1的能量密度更集中，使得热影响区较窄更均匀[10]。

图5 采用不同扩束镜切割覆盖膜的金相显微镜照片

5 结论

本文从理论和实验上证明扩束镜对激光切割质量有较大的影响，不同扩束镜对切割质量影响差异较大。理论上，扩束镜可以减小光束发散角，准直效果好，增大入射到聚焦镜的光斑直径，光斑直径越大，聚焦光斑则越小，能量密度更大；实验上，不同扩束镜对切割质量有较大的影响，采用扩束镜1比扩束镜2切割覆盖膜切割线宽更窄，炭化区较小，热影响区较小，且对称均匀。

本研究结果应用到多台UV激光切割机上，多家高端挠性板厂使用，实践的效果相当不错，切割边平直均匀，切割缝很窄（约16μm），边缘炭化轻微，热影响区域仅几十微米，且均匀对称。

本文是在刘泽民技术顾问的悉心指导下完成的，在此表示衷心的感谢！

[1]鄢锉, 李力钧, 李娟等. 激光切割板材表面质量研究综述[J]. 激光技术, 2005, 29(3): 270-274.

[2]叶锦函, 郝晓剑, 周汉昌. 基于ZEMAX的激光光束整形技术试验研究[J]. 工程与试验, 2010, 50(3): 46-68.

[3]管海兵, 叶云霞, 张永康等. 扩束镜对高能钕玻璃固体激光系统输出性能影响的研究[C]. 江苏 江苏省“光科学与技术”博士生学术论坛暨长三角光子科技论坛论文集, 2009, 348-353.

[4]赖爱光, 林峰, 蔡长达等. 连续可变扩束比的激光扩束系统[J]. 光学仪器, 1992, 14(1): 11-16.

[5]赵延仲, 宋丰华, 孙华燕. 1.06μm脉冲激光高倍率变焦的扩束发射光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2007,36(6): 891-895.

[6]杨海波, 王柏林, 张大有等. 一种变倍扩束镜的设计[J]. 光电技术应用, 2007, 22(1): 8-10.

[7]赵 侠. 扩束系统在激光加工系统中的重要作用[J]. 激光技术, 1999, 23(6) : 378-390.

[8]王昆林, 藏东红, 朱允明. 钛合金的激光切割[J]. 稀有金属材料与工程, 1994, 23(1): 62-65.

[9]罗均涛, 尹同芳, 梁燎原. UV激光切割覆盖膜炭化问题影响因素研究[J]. 印制电路信息, 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.