[发明专利]基于光束整形的双光路超快激光焊接装置及加工方法

说明书

本发明提供的基于光束整形的双光路超快激光焊接装置包括飞秒激光器、半波片、偏振分光棱镜、电控快门、激光扩束器、第一全反射镜、二向色镜、振镜系统、场镜、待焊接样品和XYZ移动焊接平台，飞秒激光器发出高斯光束依次通过半波片、偏振分光棱镜、电控快门、激光扩束器、第一全反射镜、二向色镜、振镜系统和场镜后聚集到待焊接样品上，待焊接样品固定在XYZ移动焊接平台上，构成高斯光束焊接光路。通过在第一全反射镜和二向色镜之间设置贝塞尔光束转换系统，构成贝赛尔光束激光焊接光路。还提供了使用该装置的加工方法。该焊接装置实现了不同激光束的双光路焊接，既适用非光学接触焊接，也适用光学接触焊接，能有效提高焊接质量和降低生产成本。

技术领域

本发明涉及超快激光光束整形微焊接加工领域，特别是涉及一种基于光束整形的双光路超快激光焊接装置及加工方法。

背景技术

透明脆性材料(如玻璃、陶瓷、蓝宝石、硅等)一般具有热稳定性好及化学稳定性好的特点，同时具有高强度、高硬度、低密度、耐磨性和耐腐蚀等优良的特性。并广泛应用于微电子封装、植入式医疗器件、微型传感器、转换器、电池、光电子器件等在内的微型元器件、装置或系统的制造或组装过程。目前透明脆性材料的传统密封方法主要包括胶合粘接、固相键合、阳极键合、熔融焊接等。上述的这些传统粘结/焊接工艺由于存在不同程度的技术缺陷和加工精度上的制约，已经难以满足当今日益发展的工业生产对于高效率、高精度、低污染的加工需求。

超快激光具有加工精度高、热影响区小、不易破裂、连接强度较高、可空间选择性加工等突出优点。由于超快激光的超强光强特性，在透明介质内部产生非线性吸收，可以实现透明材料三维空间的选择性微焊接。而且，超快激光作用透明介质因多光子吸收的阈值效应和激光光束的高斯特性，使得超快激光加工的结构尺寸可以突破光学衍射极限，甚至可以实现小于激光波长的纳米尺寸的精密加工。另外，超短脉冲和材料相互作用时间极短，有效避免了材料出现明显的热扩散，进而避免长脉冲加工过程的冲击波等对材料的热损伤，有效避免了材料因不同热膨胀系数导致热应力产生裂纹和溅射物，且加工的范围仅在焦斑附近，加工区域边缘平滑，极大地提高了加工精度。所以与阳极键合等传统连接技术相比，超快激光焊接更适合于小零件的高柔性、高精度制造和集成。目前超快激光焊接技术已被研究应用于制造微电子机械系统(MEMS)、微流体、医疗设备和微光学设备，特别是在传感器、电子封装以及航空航天等精密仪器领域。

目前国内外超快激光焊接的研究基本使用的激光光束都默认符合高斯分布，因为高斯光束在需光学接触贴合焊接的精密仪器领域有着较大的优势，焊接精度较高且不会影响透明度。但当焊接样品间的间隙无法达到光学接触时，高斯光在焊接过程受限于焦深等一系列参数的限制，通常为保证焊接质量需要两焊接样品的接触表面进行抛光处理，以实现两样品间的间距达到或接近于光学接触。而这一过程通常需要增加使用成本，而且在实际应用焊接时受限于实际焊接条件难以保证焊接质量，此时样品间的间距可达几微米。目前解决焊接大间隙样品的方法，主要有多光束复合焊接等，但在这种样品间隙为几微米的精密领域，由于多光束复合焊接产生的温度极高，热应力极大很容易产生缺陷。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺陷，本发明利用贝塞尔光束的长焦深等优点解决超快激光焊接过程中的光学接触限制的问题，通过光束整形得到的贝塞尔光束实现非光学接触焊接，因此，我们开发了一种基于光束整形的双光路超快激光焊接装置及方法，具体方案如下：

基于光束整形的双光路超快激光焊接装置，包括飞秒激光器、半波片、偏振分光棱镜、电控快门、激光扩束器、第一全反射镜、二向色镜、振镜系统、场镜、待焊接样品和XYZ移动焊接平台，所述飞秒激光器发出高斯光束依次通过半波片、偏振分光棱镜、电控快门、激光扩束器、第一全反射镜、二向色镜、振镜系统和场镜后聚集到待焊接样品上，待焊接样品固定在XYZ移动焊接平台上，构成高斯光束焊接光路。