激光束加工方法及其装置的制作方法

专利名称：激光束加工方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用激光束照射工件而在照射点使该工件的被照射区熔化-汽化的激光束加工方法和装置。本发明特别提供一种能够把工件例如光纤端部的加工成所需形状的激光束加工方法和装置。
背景技术：
光纤，例如主要由石英玻璃构成的光纤用于光传输系统和其它光学系统中，无论是哪种光纤，例如单模(single mode)光纤和多模(multiple mode)光纤的端部形状都起着重要的作用。
为使其在与另一光纤或有源装置连接时的连接损耗最小，通常希望光纤具有特别光滑的表面和精确的形状。所以，需要这种加工方法能高效地精确加工光纤端部以获得预定形状。
精密加工光纤端部的已知方法包括机械方法例如光纤切割、化学方法例如腐蚀，和光学方法例如利用CO2激光器，等等。
使用光纤切割机的机械加工方法可对光纤端部进行简单和锐利的切割，但它存在一个问题，即这种方法不能把光纤端部加工成半圆形、锥形或楔形表面，等等。
采用腐蚀法的化学加工方法可使光纤端部形成所需形状，但由于难以控制形状且所需的加工时间长，因而难于获得高生产率。
在传统的利用CO2激光切割光纤以加工其一端的常用方法中，可能会出现由于加工过程中所产生的热而使形状发生畸变的情形，并且，由于光强的空间分布为高斯分布，所以会出现例如所加工边缘变钝等问题。
下面将举例描述上述这些情形。
例如，在日本专利公报JP02-230205A和JP02-238406A中所述的光纤切割方法和装置中，光纤是用机械切割的。上述的方法使得光纤切割很容易且切割得很好，但是这些方法不能用于光纤端部的加工。
EP0987570中公开了一种利用脉冲型CO2激光器切割光纤的方法。在这种方法中，仅用一个透镜将具有高斯分布光强的圆形激光束聚光以切割光纤。但这种方法不能把光纤端部加工成所需的形状。
USP5256851公开了一种利用脉冲CO2激光器一小点一小点地熔化-汽化光纤端部的方法。这种方法所存在的问题在于为进行预定的加工需要花很长的时间。
在以上所述的利用脉冲CO2激光器进行加工的方法中，根据合适的技术参数以不同的方式必须通过重复微加工过程把光纤端部加工成所需的形状，所以，必须要用透镜将所用的激光束精确聚光成一点，以把光纤端部精确加工成想要的形状。
因此，对激光束的照射位置进行控制以适于在光纤端部形成所需形状很难，并且对照射位置进行高精度控制需要昂贵的设备。
另外，光强的空间分布，即经透镜聚光后的光的外形为其焦点为顶点的圆锥，随着光纤的被加工区域深度的增加，加工也变得困难。而且，还会出现这样的问题，即由于在所加工区域截面上形成V-型端面，所以，在加工过程中产生的气体、烟雾和热量将会保持在那里，从而玷污被加工表面或使其弯曲。
此外，如果采用脉冲CO2激光器，由于要用高强度的激光束连续长时间照射光纤端部，所以光纤端部的边缘区还被加热而使光纤变形，这是设计中所不允许的。而且，如果采用脉冲激光，虽然可减小光纤上的热效应，但是又会出现另一个问题，即加工时间变得更长。

发明内容
本发明的一个目的在于提供一种能用较短的时间以高精度把工件例如光纤的端部加工成所需形状的激光束加工方法和装置。
本发明的另一个目的在于提供一种能够避免在激光束照射过程中因烧蚀而引起的光纤振动且避免出现表面凹陷的情形的激光束加工方法和装置，在用激光束切割光纤端部时，上述的两种情形都会降低切割面的成形精度。
为解决上述问题，本发明提出一种激光束加工方法，其中用激光束对一工件进行照射以使被激光束照射的区域被熔化-汽化而对该工件进行加工，其特征在于在激光束源与工件之间放置一个具有光透射区的掩模，该透射区比激光束加工光斑大预定倍数，该加工光斑与工件被熔化-汽化的区域的形状相应；和从激光束源发出后经光束整形光学系统的激光束以比所述光透射区大的范围照射到所述掩模上，且由透射光形成的光透射区的实像经减缩图象形成光学系统而被减小到所述的加工光斑的大小，以便在工件上形成减缩图像用于加工。
这种方法中，由于光透射区由激光束所照射的掩模形成，加工光斑与工件的熔化-汽化区形状相应，光透射区大小是加工光斑尺寸的预定倍数，所以，照射范围大于光透射区的激光束穿过掩模的光透射区以变成具有与该光透射区形状相同的点状光束。
该光束穿过一个减缩图像成形光学系统后，光透射区的实像被缩减为所述加工光斑的大小，从而在工件上形成减缩图。加工光斑范围内的工件区域被熔化-汽化，而不被熔化-汽化的区域将保持所需的形状。
在此情况下，当激光束通过掩模上所形成的光透射区时，光束边缘区的光强将因光的干涉而变强。这样，不仅所要熔化-汽化的区域在与不需进行熔化-汽化区的边缘相接的区域处被很好地熔融，而且不需进行熔化-汽化的区域上的热效应也很小。
如上所述，仅通过形成具有所需面积大小的掩模的光透射区，就能把光透射区的实像缩减为所述加工光斑的大小，以在工件上形成缩减图像。从而，当对工件进行加工时，不需要每次控制激光束的照射位置。
而且，由于不像传统方法中那样，要把激光束聚光到工件上成点状，用以照射，而是像与所要进行熔化-汽化区形状相应的加工光斑那样进行照射，所以，所要进行熔化-汽化的区域通常是被熔化-汽化成一个平面而不是一个点，且可以在短时间内完成所预定的加工过程。
本发明还提供一种激光束加工方法，其中用激光束照射一工件以熔化-汽化该激光束所照射的区域而对该工件进行加工，其特征在于在激光束源和工件之间放置一个具有四边形光透射区的掩模，所述的光透射区的大小是四边形加工光斑的预定倍数，并且从激光束源射出的激光束经光束整形光学系统后，以大于所述光透射区的尺寸照射到所述掩模上，而后用一个缩减图像成形光学系统使由该透射光形成的光透射区的实像减缩成所述加工光斑的大小，以在工件上形成缩减图像，用于加工。
在此情形中，如果实像的成形位置沿着激光束照射轴相对移动，且同时对工件进行加工，那么，所述的图像形成面可在工件深度方向的每一位置处与被加工面一致。因此，可以获得很好的加工面而不会降低加工速度。
另外，如果实像的成形位置相对于激光束照射轴的垂直方向作往复运动且同时进行工件加工的话，本发明的加工方法还可以用于大型工件的加工。
而且，当在与工件轴向相交叉的方向上加工工件时，如果工件的轴向与激光束照射轴相交α角，则可以以一个所需的角度加工工件的被加工面，其中α表示为α＝(π/2)+tan-1(d/2f)-β(其中，β是所要加工的面与垂直于所述工件轴向的工件参考面之间的夹角，d是从掩模的四边形光透射区射出而入射到缩减图像成形光学系统上的透射光的宽度，f是缩减图像成形光学系统的焦距)。
如果在加工过程中，工件相对于垂直于激光束照射轴的轴转动，那么可以形成例如半圆球形面、锥形面或抛物面等旋转表面。
如果在加工工件的过程中实像的成形位置沿着激光束照射轴移动，或者在加工过程中实像成形位置在与激光束照射轴相垂直的方向上往复移动，则可以对工件进行适当的加工，这取决于加工的种类和形状，以及被加工区域的宽度、厚度和尺寸等。
工件例如可以为光纤，而且可对该光纤的端部进行各种加工。如果在加工时，所述的光纤例如被固定在一玻璃毛细管中，就可能避免在激光束的照射过程中因烧蚀所引起的光纤振动，并可以避免表面凹陷的发生，上述的两种情况都会降低激光束加工而形成的切割表面的形状精度。
本发明还提供一种用于实现上述加工方法的激光束加工装置，其特征在于一掩模设置在激光束源和由一支承件支撑的工件之间；一光透射区形成于该掩模上，其大小为激光束加工光斑的预定倍数，该光斑与该工件所要熔化-汽化区域的形状相应；一用于在大于光透射区的范围内照射该掩模的整形光学系统位于所述掩模的激光束源侧；一减缩图像成形光学系统位于工件侧，它用于把由通过掩模光透射区的激光束所形成的光透射区的实像减缩到所述的加工光斑的大小，以便在工件上形成缩减图像。
该激光束加工装置可以具有这样一个构件，其中所述的工件支承件可设一转动部件，用于使该工件绕它的轴向转动；或者具有这样一种构件，其中设一移动部件，用于使实像成形位置相对于工件沿着激光束照射轴移动；或者具有这样一个构件，其中设一转动部件，用于使实像成形位置相对于工件沿激光束照射轴的垂直方向往复移动。
用于上述加工过程的激光束优选地为具有平坦光束外形的多模激光束，且所述的光源例如可以为TEA-CO2激光器(横向激励的气体CO2激光器)。
如果所述的激光束采用脉冲激光束，则可以进一步抑制上述的热效应，从而提高加工精度。


本技术领域中的普通技术人员参照附图，可进一步理解本发明的各个目的和优点，其中图1是利用实施本发明的激光束加工方法的一种激光束加工装置的透视图，并且示意了它的工作过程；图2是经本发明的加工过程所形成的光纤端部形状和用于获得该端部形状的掩模的透视图；图3是用于实施本发明的激光束加工方法的另一种激光束加工装置的透视图，并且示意了它的工作过程；图4是用于实施本发明的激光束加工方法的又一种激光束加工装置的透视图，并且示意了它的工作过程；图5是用于实施本发明的激光束加工方法的再一种激光束加工装置的透视图，并且示意了它的工作过程。
具体实施例方式
参见图1至3，描述本发明的第一实例。
附图标记1表示本发明的一种激光束加工装置，它常用作光纤加工装置。这种激光束加工装置1通常包括一个由作为激光束源的脉冲TEA-CO2激光器3和一个用作光束整形光学系统的放大准直透镜系统4所构成的激光束供应源2；一个用于支撑作为工件的光纤5的旋转支承件6；一个位于激光束供应源2与光纤5之间的掩模7；和一个位于掩模7和光纤5之间并作为减缩图像成形光学系统部件的凸透镜8。
激光束加工装置1加工光纤5的端部，在图中，光纤5的加工端部用实线表示，光纤5的非加工端部用点划线表示。所以，由点划线所表示的区域表示将被激光束熔化-汽化的熔化-汽化区9，不被熔化-汽化的区域，即不进行熔化-汽化的区域即为将被加工成所需形状的光纤5的端部。
掩模7具有一个光透射区11，该光透射区11的大小为激光束加工光斑10的预定倍数，该加工光斑与光纤5的熔化-汽化区9的形状相应。并且，由经过掩模7的光所形成的光透射区11的实像被用作减缩图像成形光学系统的凸透镜8缩减，以在光纤5的端部形成缩减的图像。下面将详细描述这种结构特例。
在上述的结构中，激光束从TEA-CO2激光器3中射出，经过放大准直透镜4被整形成一面积大于光透射区11的平行光束后照射到掩模7上，该平行光束穿过光透射区11，由凸透镜8将其大小减为所述加工光斑10的大小，然后照射到光纤5的端部，以在光纤5上形成掩模7的光透射区11的实像，从而熔化-汽化形状相应于光透射区11的形状的要进行熔化-汽化的区域9，以便进行加工。
在这种加工过程中，当支承件6没有转动时，只在一个方向上用激光束照射光纤5的端部，且只在一个方向上进行加工。但是，在支承件6转动的情形中，将在圆周的多个方向上用激光束照射光纤5的端部，从而，通过加工，可在光纤5的端部形成旋转体表面。该支承件6的转动可以是连续的也可以是逐步的。
在以上情形中，脉冲TEA-CO2激光器3用作上述的激光束源，且该TEA-CO2激光器3具有较大的峰值功率，并能驱动一个具有平坦光束外形的多模光束，其短脉冲的上升沿很快。因此，由于可以在很短的时间内向光纤5要进行熔化-汽化的区域9提供大的光脉冲能量，所以非熔化-汽化区域将不会受热的影响，而仅进行熔化-汽化的区域9被熔化-汽化，以进行预定的加工。
另外，最好是该TEA-CO2激光器3的峰值功率为1-10，000KW、脉冲宽度为0.1-50μs和振荡波长为9-11μm，例如，石英光纤5作为工件时的加工最佳值为峰值200KW、脉宽0.2μs和振荡波长10.6μm。
此外，TEA-CO2激光器3的照射间隔可设计为例如100Hz或更小。在为100Hz时，其最大脉宽为50μs的激光束间歇地照射所需次数，占空比为0.5％，在用激光束照射50μs后停止9950μs。由于停止时间成为冷却时间，所以激光束所产生的热量在此期间散失，且热量不大可能积聚在非熔化-汽化区域。
以下将参考图2，对所要加工的光纤5的预定形状和掩模7的光透射区11的形状的特例进行描述。
图2(a)示意了在图中左侧所示的一个方向上用激光束照射而形成的楔形光纤5端部的情形，或者随着支承件6的转动激光束多次照射而形成的锥形光纤5端部的情形。在此情形中，激光束的加工光斑10所具有的形状确保作为光纤5的非熔化-汽化区的楔形部5a和锥形部5b将不被激光束照射，且仅是非熔化-汽化区的外侧和光纤端部的需熔化-汽化区被激光束照射。掩模7的光透射区11的形状与加工光斑10相应，其中在矩形开口处提供与光纤5端部的楔形部5a或锥形部5b相应的三角形光截面区7a。
图2(b)示意了在图中左侧所示的一个方向上用激光束进行照射而使光纤5的端部成为半圆柱状的情形，或者随着支承件6的转动激光束多次照射而形成半球形光纤5端部的情形。其中激光束的加工光斑10所具有的形状确保作为光纤5的非熔化-汽化区的半圆柱状部5c或半球形部5d不被激光束照射，且仅是非熔化-汽化区的外侧和光纤端部的需熔化-汽化区9被激光束照射。掩模7的光透射区11的形状与加工光斑10相应，其中在矩形开口处提供与光纤5的端侧上的半圆柱状部5c或半球形部5d相应的半圆形光截面区7b。
图2(c)示意了在图中左侧所示的一个方向上用激光束进行照射而使光纤5的端部成为抛物面的情形，或者随着支承件6的转动激光束多次照射而形成抛物面形状的光纤5端部的情形。其中激光束的加工光斑10所具有的形状确保作为光纤5的非熔化-汽化区的抛物体部5e或旋转抛物面部5f不被激光束照射，且仅是非熔化-汽化区的外侧和光纤端部的需熔化-汽化区9被激光束照射。掩模7的光透射区11的形状与加工光斑10相应，其中在矩形开口处提供与光纤5的端侧上的抛物面部5e或旋转抛物面部5f相应的抛物面光截面区7c。这种形状与图1所示的相同。
下面，将结合加工光斑10来描述对光透射区11的放大。例如，图2中所示，其中所要加工的光纤5的端部直径约为200-400μm，如果掩模7的尺寸为10mm×10mm，则光透射区11的最大尺寸约为8mm×8mm。所以，放大倍数可设为约20倍。
在此情形中，由于作为减缩图像成形光学系统部件的凸透镜8把光透射区11的实像缩减为加工光斑10的大小以在工件上形成缩减的图像，所以缩减比为1/20，即放大倍数的倒数。
为讨论掩模7、凸透镜8和光纤5三者之间的位置关系，其中作为缩减图像成形光学系统部件的凸透镜8的焦距为f，仅需要上述部件的设置满足以下两个关系式(1/f)＝(1/a)+(1/b) (1)M＝b/a (2)其中a是掩模7与凸透镜8之间的距离；b是凸透镜8与光纤5之间的距离；M是缩减比。
据此，下面将描述在其直径为230μm的光纤5端部上形成纵向尺寸为250μm的抛物面的情形中的参数。
首先，加工光斑10所具有的形状确保作为光纤5的非熔化-汽化区的旋转抛物面部5f不被激光束照射，且仅是非熔化-汽化区的外侧和光纤端侧的需熔化-汽化区9被激光束照射。掩模7的光透射区11的形状与加工光斑10相应，其中在图1和图2(c)中所示的矩形开口处提供与光纤5端侧上的旋转抛物面部5f相应的抛物面光截面区7c。
在此情形中，设加工光斑10的尺寸为400μm×400μm，这比需熔化-汽化区9大很多，以保证需熔化-汽化区9能被充分熔化-汽化。另一方面，所用的掩模7具有一个其形状为加工光斑10的20倍大的光透射区11。
此时，凸透镜8所要缩减的比例为M＝1/20。当该凸透镜8的焦距f＝100m时，则由所述的公式(1)和(2)，可知掩模7与凸透镜8之间的距离为a＝2100mm，凸透镜8与光纤5之间的距离为b＝105mm，所以，这些部件的放置位置应当满足上述的位置关系。
如此放置这些部件时，光纤5由支承件6支撑，且当支承件6转动时，激光束源3被激励而输出脉冲以进行加工。此时，光纤5以一预定的角度，例如30°，逐渐转动，光纤一停，激光束就对其进行照射。
在该过程中，例如其波长为10.6μm、脉宽为0.2μs、光斑形状基本为正方形且峰值约为200KW的平坦(flat)多模激光束可由TEA-CO2激光器3以脉冲的方式输出，并且可以通过放大准直透镜系统4将其整形成每边约为9mm的几乎为正方形的平行光束，用于照射掩模7。
由于光的干涉，使得通过掩模7的光透射区11的激光束在边缘区的光强较高，而在用作缩减图像成形光学系统的凸透镜8上降下来。在焦点处会聚之后，在被加工光纤5的端部将形成相当于光透射区11的1/20大小的几乎呈正方形的实像。
在这种情况下，光纤5的非熔化-汽化区的旋转抛物面5f不被激光束照射，且仅仅是该非熔化-汽化区的外侧和光纤端部的熔化-汽化区9被激光束照射。因此，约为400μm×400μm的加工光斑10将熔化-汽化需熔化-汽化区9，以在直径为230μm的光纤5的端部形成纵向长度为250μm的所需旋转抛物面。
在这个实施例中，由于是用TEA-CO2激光器作激光束源，所以可以在如图1所示的情形中输出平坦外形的高输出多模激光束。由此，即使用比传统激光束加工过程中所用的加工光斑较大的加工光斑10照射光纤5，也能在整个加工区中使需熔化-汽化区9被均匀地熔化-汽化，以保证高生产效率。
而且，如果激光束通过掩模上所形成的光透射区，则光束的边缘光强将因光的干涉而变强。因此，需熔化-汽化区和与非熔化-汽化区的边缘相接的区域都将被很好地熔融，且非熔化-汽化区将极少受到热效应的影响。
另外，激光束也可以是连续波束，但如果采用脉冲激光束，则光纤5的非熔化-汽化区所受的影响会很小，并且仅需熔化-汽化区9被有效且可靠地熔化-汽化和加工。
如上所述，本发明仅通过形成所需面积的掩模光透射区，就可将光透射区的实像缩减为加工光斑的大小，并在加工工件上形成缩减的图像。因此，在加工工件的过程中不需要每次都精确地控制激光束的照射位置。
在上述的本发明激光束加工装置实例中，当加工过程中工件绕垂直于激光束照射轴Lx的轴Fx转动时，在该情形中工件的转动即为光纤5的支承件6的转动。但是，另一方面，也可以是激光束照射系统转动。
图3中，作为工件的光纤5固定于中央，照射系统转动，以确保激光束从周缘照射工件。
在图3所示的激光束加工装置中，反射镜13位于光束整形光学系统的光轴Lx的延长线和光纤5的光轴Fx上，以把激光束折向外侧。辅助反射镜14位于该折向光轴的延长线上。所述的反射镜13和辅助反射镜14连动旋转。
在上述的结构中，来自激光束供应源2的激光束被光束整形光学系统放大成平行光束，该平行光束穿过掩模7的光透射区11，其光轴被反射镜13折向外侧后通过凸透镜8。随后，其光轴再次被辅助反射镜14折向内侧并正好从一旁照射光纤5的端部。此时，在光纤5上形成光透射区11的缩减实像，以像前述的那样进行加工。
图4示意了本发明的激光束加工装置的另一个实施例。在这种激光束加工装置中，所述实施例的激光束加工装置中的加工光斑为四边形(正方形或矩形)，且具有四边形光透射区21的掩模17位于激光束源和工件15之间，且所述光透射区21的大小为加工光斑20的预定倍数，以确保从激光束源射出的激光束通过光束整形光学系统而在比所述光透射区21大的范围22上照射掩模17。透射光所形成的光透射区21的实像被作为缩减图像成形光学系统的凸透镜18缩减成所述加工光斑20的大小，以在工件15上形成缩减的图像，用于加工。
在该实施例中，与前述实施例一样，工件15为光纤，但光纤15被固定在玻璃毛细管23中。
如果用上述的激光束加工装置加工工件15，则在激光束照射初期无疑会出现的表面凹陷会在该玻璃毛细管23的表面出现。所以，位于玻璃毛细管23中央的光纤15的端面不会受到影响，这是一个极大的优点。
如果用脉冲CO2激光器来加工光纤15，而没有采用玻璃毛细管23，则加工精度会因激光束照射时光纤15表面的烧蚀反应所引起的光纤的细微颤动而降低。但是，如果光纤15固定在玻璃毛细管23中被加工，则加工精度会很高，这是由于刚性玻璃毛细管23能抑制光纤15的细微颤动。
玻璃毛细管23优选石英玻璃，但也可以采用塑料毛细管。基于对插入和固定于其中的光纤的保护以及用激光束进行加工所需的加工时间，可适当确定玻璃毛细管23的大小。例如，适当的范围是其大小约为光纤15直径的3-20倍。
另一方面，玻璃毛细管23中的光纤15是用粘结剂固定的，且所用粘结剂的材料没有特别的限定，因为粘结剂仅用于将光纤15固定于毛细管23上，在光学模块需要苛刻的温度特性的应用中，可优选环氧粘结剂。
由于插入毛细管23中的光纤15和该毛细管23间的位置关系可精确规定，所以粘结剂层的厚度最好是越薄越好，但是如果厚度太小，其结合强度将减小。所以，在确定粘结剂厚度时应考虑到这些情况。粘结剂层的厚度，即毛细管23的内径与光纤15的外径之差例如可以为约1μm-10μm。
在这种激光束加工装置中，如图5(a)、(b)所示，如果在加工工件时实像成像位置在垂直于激光束照射轴Lx的方向上作往复运动，则可以加工大工件15。
在通常的激光束加工过程中，用透镜会聚圆形光束，且在透镜的焦点处对工件进行加工。此时，由于会聚点的光斑大小为十几微米，所以在对工件进行厚度方向的加工时其加工区将会变得像一个浅槽。这样，工件中的杂质等将变成气状或烟雾状微粒存于该浅槽中，且由于它们吸收激光束，所以随着凹槽的加深，可加工性将急剧降低。此外，加工过程中产生热量的积聚而使被加工表面弯曲。
相反，本发明中的加工光斑不像传统方法中的光斑那样呈点状，而是具有一定面积的正方形或矩形。所以，被加工的面积可以较大，由此避免了加工过程中所产生气体和烟雾的残留，也就可以避免由这种残留而引起的不便。
另一方面，如果所述光透射区的图像成形面的位置沿着工件加工的深度方向移动，由于图像成形面总是与被加工面保持一致，所以加工速度不会降低。
例如，任何时候用具有边长为200μm的加工光斑的激光束进行照射时，如果作为缩减图像成形光学系统部件的凸透镜18沿着光轴方向Lx移动，以使图像形成面沿着加工深度方向移动而进行加工时，如图5(a)所示，可以获得很好的加工表面。
用于移动图像成形面的装置中除了凸透镜18之外，还可以移动激光束照射系统中的其他部件，或者在激光束照射轴Lx方向上移动工件15。
当移动凸透镜18以使光透射区的实像成形面即工件深度方向的加工光斑20移动时，加工光斑的大小将随着凸透镜18在工件15深度方向的移动而变小。其结果是，被加工面将倾斜以与激光束光轴成预定角度。
下面，将会发现所述倾斜的形成。设倾角为θ，从掩模17的光透射区21入射到作为缩减图像成形光学系统的凸透镜18上的透射光的宽度为d，透镜18的焦距为f，则所述倾角θ可由下式表示θ＝tan-1(d/2f)另一方面，当用上述的方法进行加工时，使光纤的光轴Fx相对于激光束照射光轴Lx倾斜一角度α，则被加工面与垂直于光纤15的光轴Fx的工件参考面之间的夹角β为β＝(π/2)+θ-α＝(π/2)+tan-1(d/2f)-α因此，在沿与工件15的轴向Fx相交的方向上加工工件的情形中，为获得被加工面与垂直于所述轴向Fx的工件参考面间的夹角β的合适值，需要把工件15的轴向Fx，如果工件15为光纤的话即为光纤15的光轴Fx，与激光束照射轴Lx间的设定角度α设为α＝(π/2)+tan-1(d/2f)以上的实施例都是指选光纤端部作为工件，但是本发明不限于此，还可以用于其他所需的材料。
如上所述，本发明利用具有与加工光斑形状相应的光透射区的掩模，在短时间内且不需要精确控制激光束照射位置的情况下把例如光纤的工件加工成复杂的形状，并可避免由于热效应所引起的加工精度的降低。
权利要求
1.一种激光束加工方法，其中用激光束照射工件，使得被激光束照射的区域熔化-汽化以对工件进行加工，其特征在于在一激光束源与所述工件之间放置一个具有光透射区的掩模，所述光透射区的大小是激光束加工光斑的预定倍数，所述加工光斑与工件被熔化-汽化的区域的形状相应；和从激光束源发出后经光束整形光学系统的激光束以比所述掩模的光透射区大的范围照射到所述掩模上，且由透射光形成的光透射区的实像经减缩图象成形光学系统被减小到所述加工光斑的大小，以便在工件上形成减缩图像用于加工。
2.如权利要求1所述的激光束加工方法，其中在对所述工件进行加工时，所述的工件绕垂直于所述激光束照射轴的轴相对转动。
3.如权利要求1或2所述的激光束加工方法，其中在对工件进行加工时，所述的实像成形位置沿着所述激光束照射轴相对移动。
4.如权利要求1至3中任一种激光束加工方法，其中所述工件为光纤，且从所述光纤的侧表面用激光束照射该光纤，以加工所述光纤的端部，当沿所述激光束照射方向看时，加工光斑的形状与被观察的光纤的端部形状相应。
5.一种激光束加工方法，其中用激光束照射工件，使得被激光束照射的区域熔化-汽化以对工件进行加工，其特征在于在一激光束源与所述工件之间放置一个具有四边形光透射区的掩模，所述光透射区与四边形的大小是加工光斑的预定倍数；和从激光束源发出后经光束整形光学系统的激光束以比所述光透射区大的范围照射到所述掩模上，且由透射光形成的光透射区的实像经减缩图象成形光学系统被减小到所述加工光斑的大小，以便在工件上形成减缩图像用于加工。
6.如权利要求5所述的激光束加工方法，其中所述的工件为玻璃毛细管中固定的光纤。
7.如权利要求5或6所述的激光束加工方法，其中在对工件进行加工时，所述的实像成形位置沿着所述激光束照射轴相对移动。
8.如权利要求5至7中的任一种激光束加工方法，其中在对工件进行加工时，所述的实像成形位置沿着垂直于所述激光束照射轴的方向作相对往复运动。
9.如权利要求5至8中任一种激光束加工方法，在沿与工件轴向相交的方向上加工工件时，工件的轴向与所述激光束照射轴之间的夹角α由下式表示α＝(π/2)+tan-1(d/2f)-β其中β为被加工面与垂直于所述轴向的工件参考面之间的夹角；d为从所述掩模的正方形光透射区入射到所述缩减图像成形光学系统上的透射光宽度；f为所述缩减图像成形光学系统的焦距
10.如权利要求1-9中的任一种激光束加工方法，其中用于照射的激光束为具有平坦光束外形的多模光束。
11.如权利要求10所述的激光束加工方法，其中所述的激光束源为TEA-CO2激光器。
12.如权利要求1-11中的任一种激光束加工方法，其中用于照射工件的激光束为脉冲光束。
13.一种激光束加工装置，其特征在于一掩模设置在一激光束源与由一支承件支撑的工件之间；一光透射区形成于所述掩模上，该光透射区的大小为激光束加工光斑的预定倍数，该加工光斑与所述工件所要熔化-汽化区域的形状相应；一用于在大于所述光透射区的范围内用激光束照射所述掩模的整形光学系统位于所述掩模的激光束源侧；和一减缩图像成形光学系统位于工件侧，它用于把由通过掩模的光透射区的激光束所形成的光透射区的实像减缩到所述加工光斑的大小，以便在工件上形成缩减图像。
14.如权利要求13所述的激光束加工装置，其中所述的工件支承件是一个用于使工件绕所述工件轴向旋转的旋转机构。
15.如权利要求13或14所述的激光束加工装置，其中设置一个用于使所述实像成形位置沿激光束照射轴相对于工件移动的移动机构。
16.如权利要求13至15中的任一种激光束加工装置，其中设有一个用于使所述实像成形位置沿垂直于激光束照射轴的方向相对于工件作往复运动的机构。
17.如权利要求13至16中的任一种激光束加工装置，其中用于照射的激光束为具有平坦光束外形的多模光束。
18.如权利要求17所述的激光束加工装置，其中所述的激光束源为TEA-CO2激光器。
19.如权利要求13至18中的任一种激光束加工装置，其中用于照射工件的激光束为脉冲光束。
全文摘要
本发明公开了一种用激光束照射工件以使所述工件在照射点处的被照射区熔化－汽化的激光束加工方法和装置。根据本发明，通过利用具有大小为激光束加工光斑的预定倍数，且该加工光斑的形状与工件的需熔化－汽化区相应的光透射区的掩模，在短时间内且不需精确控制激光束的照射位置的情况下，把工件例如光纤加工成复杂的形状，同时可避免由于热效应所引起的加工精度的降低。
文档编号G02B6/255GK1397403SQ0214135
公开日2003年2月19日 申请日期2002年5月15日 优先权日2001年5月15日
发明者大田一义, 笹野直成 申请人:株式会社莫利泰克斯