一种能量片段主动寻址式亚光斑激光加工方法及系统与流程

本发明涉及激光加工，具体而言，涉及一种能量片段主动寻址式亚光斑激光加工方法及系统。

背景技术：

1、激光加工技术具有非接触、能量密度高、适用材料范围广、加工可控性强等优点，已经广泛应用于精密制造、半导体加工、光学元件制造、显示面板制造和微纳结构制备等领域。随着高端制造向大幅面、高效率和高精度方向发展，工业加工系统越来越需要在连续高速扫描状态下获得亚微米级乃至纳米级加工位置精度；然而，在现有激光加工系统中，大幅面、高速动态扫描和纳米级加工精度三者之间长期存在难以同时兼顾的矛盾。采用高倍投影物镜进行静态或准静态曝光时，可以获得较高加工精度，但单次曝光幅面通常较小，若要实现大面积加工，需要进行多次拼接，拼接过程容易引入位置误差。采用步进式加工方式时，可以通过精密平台在每个静止位置进行高精度曝光，并通过平台移动实现较大面积加工，但频繁启停降低了加工效率，难以满足高吞吐量工业制造需求。采用振镜、转盘、直线电机或卷对卷平台进行连续动态扫描时，虽然能够获得较高加工效率和较大加工幅面，但机械系统中的轴系跳动、编码器量化误差、伺服跟随误差、热漂移和结构振动等因素会直接转化为末端加工位置误差，使加工精度难以稳定突破机械定位精度限制。

2、在传统动态扫描激光加工技术中，激光重复频率f和扫描速度v通常被视为影响加工效率和脉冲重叠状态的工艺参数。现有技术中常用的光斑内脉冲数以及脉冲重叠率等概念，主要用于描述单位光斑范围内脉冲数量或脉冲空间排布情况，其本质上是一种被动几何统计。该类参数仅能反映某一区域被多少个脉冲覆盖，无法进一步描述哪些脉冲真正参与材料改性，也无法主动调控加工位置精度；在实际加工过程中，部分脉冲可能因能量过低、调制状态不确定或低于材料改性阈值而无法产生有效加工贡献。若仍将这些脉冲简单计入光斑内脉冲数，则无法准确反映系统的真实精度调控能力。此外，传统加工方案通常将最终加工位置与机械扫描位置或光斑几何中心相绑定，机械运动误差会直接传递至加工结果，导致加工精度受到机械系统极限的制约。

3、因此，现有技术亟需一种新的激光加工方法和系统，能够在不牺牲大幅面和高速动态扫描能力的基础上，将加工位置精度的决定因素从宏观机械定位转移至微观能量沉积调控，通过对光斑内部有效能量分布进行主动控制，实现小于脉冲空间间距、甚至小于光斑尺寸的亚光斑精度加工。

技术实现思路

1、本发明旨在解决传统动态扫描激光加工中加工位置精度过度依赖机械定位精度、光斑内脉冲数仅为被动统计量、无法主动控制光斑内有效能量沉积位置的问题。

2、为解决上述问题，本发明提供一种能量片段主动寻址式亚光斑激光加工方法，包括以下步骤：

3、s1：提供一聚焦激光束，使所述聚焦激光束在工件表面形成加工光斑，所述加工光斑在扫描运动方向上的光斑直径为d，所述聚焦激光束的重复频率或经外部调制后产生的等效调制频率为f；

4、s2：通过光束时间调制器将所述聚焦激光束转化为一连串独立可控的能量片段，并通过同步控制器为各所述能量片段分配对应的灰度等级；

5、s3：使所述聚焦激光束与所述工件之间以扫描速度v产生连续动态扫描运动，并获取所述聚焦激光束与所述工件之间的实时扫描位置信息；

6、s4：通过所述同步控制器（5）根据所述光斑直径d、所述等效调制频率f和所述扫描速度v确定加工光斑范围内的候选能量片段数，其中所述候选能量片段数为floor(d·f/v)或ceil(d·f/v)；其中，floor()表示向下取整函数，取不大于括号内数值的最大整数；ceil()表示向上取整函数，取不小于括号内数值的最小整数；并在所述候选能量片段中，筛选能量不低于预设有效阈值且被独立分配灰度等级的能量片段作为有效调控片段，以确定有效调控片段数η_eff，其中η_eff≥2；

7、s5：将η_eff个所述有效调控片段划分为k个能量群，其中k为大于或等于2的整数，并为每个所述能量群分配一个独立可控的强度值，所述强度值取自g_eff级有效灰度，其中g_eff为大于1的整数；

8、s6：在所述连续动态扫描运动不间断进行的过程中，通过所述同步控制器根据预设的位置偏差映射表生成前馈强度控制信号，并通过所述前馈强度控制信号实时调节各所述能量群的强度分布，使所述加工光斑内有效能量沉积位置产生可控偏移，从而实现小于脉冲空间间距d的等效加工位置精度，其中d=v/f。

9、本发明提供的一种能量片段主动寻址式亚光斑激光加工方法，相较于现有技术，具有但不局限于以下有益效果：

10、针对传统动态扫描激光加工中加工位置精度过度依赖机械定位精度、光斑内脉冲数仅为被动统计量、无法主动控制光斑内有效能量沉积位置的问题，加工时，激光源输出基频激光，基频激光经光学聚焦系统后在工件表面形成加工光斑，该加工光斑在扫描方向上的光斑直径为d。若采用脉冲激光源，则激光重复频率可作为调制频率f；若采用连续激光源，则通过光束时间调制器对连续激光进行高速斩波和灰度调制，由此形成等效调制频率f。动态扫描运动系统驱动工件或光束产生连续相对运动，扫描速度为v。位置传感器实时采集扫描位置并反馈给同步控制器。同步控制器根据d、f和v计算当前加工光斑范围内可用于调控的有效调控片段数η_eff，并将η_eff个有效调控片段划分为至少两个能量群。每个能量群被分配一个独立可控的强度值，该强度值取自经标定得到的g_eff级有效灰度。同步控制器根据待加工图案中目标位置与实际扫描位置之间的偏差，从位置偏差映射表中调用对应的强度分配策略，实时生成前馈强度控制信号并输出至光束时间调制器。光束时间调制器根据该前馈强度控制信号改变各能量群能量，使光斑内有效能量沉积位置沿扫描方向发生可控偏移。由于该偏移由多个能量群的相对强度共同决定，因此即使光束宏观指向不发生高精度位移，也能够实现等效加工位置的细微移动。该方法使加工位置控制不再完全受制于机械系统的定位精度，而是由时间调制精度、灰度分辨能力和能量群分布共同决定，从而实现小于脉冲空间间距的亚光斑精度加工，使高速动态扫描与亚光斑精度控制能够同时实现。

11、进一步的，所述候选能量片段数对应于所述加工光斑范围内按照d·f/v确定的理论片段数量，所述有效调控片段数η_eff小于或等于所述候选能量片段数；所述有效调控片段为满足以下条件的候选能量片段：

12、其一，经所述同步控制器（5）独立编码并分配灰度等级；

13、其二，能量不低于所述预设有效阈值，所述预设有效阈值根据所述工件（6）的材料改性阈值确定；

14、其中，未满足上述条件的候选能量片段被强制置零或被控制在所述预设有效阈值以下，并且不计入所述有效调控片段数η_eff。

15、进一步的，当d·f/v为非整数时，所述同步控制器根据当前扫描位置、目标加工精度和能量群配置方式，选择floor(d·f/v)或ceil(d·f/v)作为当前时刻的有效调控片段数η_eff。

16、进一步的，通过改变时间调制模式，在相同的光斑内物理脉冲数n=d·f/v条件下获得不同的有效调控片段数η_eff，所述时间调制模式包括脉冲串占空比、能量编码序列、片段选通方式和灰度分配方式中的至少一种。

17、进一步的，所述位置偏差映射表通过实验标定获得，用于建立目标等效加工位置偏差与各所述能量群强度分布之间的对应关系，并用于补偿材料烧蚀阈值非线性、热累积效应、激光能量波动、扫描速度变化以及光斑实际能量分布偏差中的至少一种工艺影响。

18、进一步的，所述有效灰度等级数g_eff通过系统标定获得，所述系统标定包括在预设调制频率f下，对所述光束时间调制器的输出线性度、激光能量稳定性、同步控制时序精度和材料有效响应进行测试，并将能够稳定区分且能够产生可重复材料改性结果的强度等级数量确定为g_eff；

19、所述方法的理论位移调控分辨率δx可表示为：

20、δx=d/g_eff=(v/f)/g_eff；

21、实际加工位置精度δx_actual可表示为：

22、δx_actual=δx·c；

23、动态寻址容量φ_eff可表示为：

24、φ_eff=η_eff·g_eff；

25、其中，c为工艺因子，且c≥1，所述工艺因子c通过实验标定获得，所述动态寻址容量φ_eff表示单个加工光斑直径范围内可独立分辨的等效加工位置总数。

26、本发明还提供一种能量片段主动寻址式亚光斑激光加工系统，用于执行上述方法，所述系统包括：

27、激光源，用于产生基频激光；

28、光束时间调制器，设置于所述激光源的出光路径上，用于将所述基频激光调制为多个独立可控的能量片段，并对各所述能量片段进行灰度编码；

29、动态扫描运动系统，用于驱动聚焦激光束与工件之间产生连续动态扫描运动；

30、位置传感器，用于检测所述聚焦激光束与所述工件之间的实时相对位置，并向同步控制器反馈实时扫描位置信息；

31、所述同步控制器，分别与所述光束时间调制器、所述动态扫描运动系统和所述位置传感器电连接，用于筛选能量不低于预设有效阈值且被独立灰度编码的能量片段作为有效调控片段，根据扫描速度v、光斑直径d和调制频率f确定有效调控片段数η_eff，并根据预设的位置偏差映射表生成前馈强度控制信号，以调节各能量群的强度分布，使加工光斑内有效能量沉积位置产生可控偏移。

32、进一步的，所述同步控制器包括：

33、有效片段筛选模块，用于判断各能量片段是否满足预设有效阈值，并将满足所述预设有效阈值且被独立灰度编码的能量片段选通为有效调控片段；

34、能量群划分模块，用于将η_eff个有效调控片段划分为k个能量群；

35、强度分配模块，用于根据所述位置偏差映射表确定各所述能量群的目标强度值；

36、前馈控制模块，用于根据所述目标强度值生成前馈强度控制信号并输出至所述光束时间调制器。

37、进一步的，所述聚焦激光束为脉冲激光束，或者为连续激光束经所述光束时间调制器斩波后形成的等效脉冲激光束；

38、所述光束时间调制器包括声光调制器、电光调制器、空间光调制器、数字微镜器件和激光器内调制模块中的至少一种；

39、所述同步控制器以不低于1mhz的频率更新所述前馈强度控制信号，以实现对各所述能量片段的独立灰度编码。

40、进一步的，当所述动态扫描运动系统进行变速扫描时，所述同步控制器根据所述位置传感器反馈的实时扫描位置信息计算瞬时扫描速度，并动态更新η_eff、能量群划分方式和各所述能量群的强度值；所述系统还包括多焦点生成模块，所述多焦点生成模块用于将所述聚焦激光束扩展为m个并行焦点，m为大于或等于2的整数，每个所述并行焦点均对应独立的能量片段调控通道。