[发明专利]一种具有自调焦功能的玻璃材料微焊接装置及方法

说明书

本发明公开了一种具有自调焦功能的玻璃材料微焊接装置及方法。本发明采用激光信号发生/接收器、光束整形器、干涉镜、滤光镜以及二向色镜构成的激光干涉测量模块可对工件位置变化实现纳米级精度的精确监测，同时结合压电陶瓷组为核心的离焦量补偿模块实现了焊接过程中焊接激光焦点可严格控制在待焊接工件的界面处，并随着界面高度的变化而实时、快速调整，调整精度可到纳米级，从而保证作用激光能量一致性，获得焊接工件质量好、焊接稳定性高。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种具有自调焦功能的玻璃材料微焊接装置及方法。

背景技术

随着激光加工技术的发展，兴起了针对玻璃材料的激光微焊接技术，可用于某些传感器、密封腔等小微器件的制备。焊接对象包括两个上下叠置的零件，上层为玻璃材料，下层可为玻璃材料或金属等其它非透明材料。采用超快激光为光源，利用聚焦镜将超快激光透过上层玻璃、继而聚焦至上下两层材料界面处，可诱导界面材料生成等离子体并重新凝固实现连接。而在焊接过程中，激光焦点能否始终精确地保持在两层材料界面处对焊接质量起着至关重要的作用。

目前在进行玻璃焊接时，通常通过聚焦镜所在的Z运动轴来实现激光焦点定位，定位精度由运动轴精度决定，一般为±5μm或更差。在移动焦点或工件以实现较大范围焊接时，通常通过工件精密装夹定位来实现焦点与玻璃界面位置的相对稳定，但由于运动精度及工件装夹精度所限，激光焦点位置将会发生一定变化，尤其是采用高数值孔径物镜时，焦点瑞利长度非常短，这种情况下，激光焦点位置的变化会导致焊接过程中界面能量发生显著变化，这种变化轻则出现焊接强度降低、密封性变差等问题，重则致使玻璃内部出现裂纹，未能实现连接。

发明内容

为了解决在进行激光微焊接时，由于激光焦点位置的变化会导致焊接过程中界面能量发生显著变化，从而导致的焊接强度降低、密封性变差等问题，甚至会致使玻璃内部出现裂纹，未能实现连接的问题。本发明提供了一种具有自调焦功能的玻璃材料微焊接装置及方法，以实现焊接过程中激光焦点可严格控制在待焊接材料界面处，并随着界面高度的变化而实时、快速调整，调整精度可到纳米级，从而保证作用激光能量一致性，获得焊接质量好、焊接稳定性高的效果。

本发明的技术解决方案是：

提供了一种具有自调焦功能的玻璃材料微焊接装置，包括激光信号发生/接收器、光束整形器、干涉镜、滤光镜、二向色镜、焊接激光光源、离焦量补偿模块、物镜、计算机协同控制模块以及移动载物台；

激光信号发生/接收器发射的探测激光通过光束整形器后，一部分探测激光被干涉镜反射后沿原路返回产生参考光束，另一部分探测激光透过干涉镜后经过滤光镜、二向色镜、离焦量补偿模块以及物镜作用于待焊接工件上，待焊接工件产生的反射光沿着原路返回作为反射光束；

焊接激光光源出射的焊接激光依次通过二向色镜、离焦量补偿模块以及物镜后作用于待焊接工件上；

计算机协同控制模块与激光信号发生/接收器、离焦量补偿模块、焊接激光光源电连接，用于控制三者实时的协调工作，将焊接激光的焦点控制在待焊接工件的焊接界面处；

移动载物台上放置待焊接工件。

进一步地，上述离焦量补偿模块包括固定底座、物镜转接圈、压电陶瓷组；

物镜安装于物镜转接圈上；

压电陶瓷组包括多个沿圆周均匀分布的压电陶瓷器件；

压电陶瓷器件两端分别于固定底座与物镜转接圈连接，通过多个压电陶瓷器件的伸缩以带动物镜沿着焊接激光的光轴方向移动。

进一步地，上述干涉镜的反射率规格为2％-4％，或干涉镜的反射率规格为10％-40％。

进一步地，上述焊接激光光源的激光脉宽≤10ps。