銅箔外形激光切割機光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

在鋰電池、電子電路等精密制造領(lǐng)域，超薄銅箔（通常厚度為6-18μm）的高精度、無損傷切割需求日益增長。激光切割憑借其非接觸、高精度、高柔性的特點成為理想選擇，而核心在于其精密光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)需確保高能量密度、優(yōu)異光束質(zhì)量及精密運動控制，以實現(xiàn)微米級精度的冷加工切割。以下是關(guān)鍵設(shè)計要素：

1.激光光源選擇：紫外/綠光短脈沖激光器

波長選擇：銅對紫外光（如355nm）和綠光（532nm）吸收率高，遠(yuǎn)優(yōu)于紅外光（1064nm）。高吸收率意味著更少的能量浪費和更低的所需功率，顯著減少熱影響區(qū)（HAZ），避免銅箔熔化、翹曲或氧化。

脈寬選擇：采用納秒（ns）甚至皮秒（ps）級短脈沖激光。短脈沖產(chǎn)生極高的峰值功率，瞬間氣化材料，熱量來不及向周圍傳導(dǎo)，實現(xiàn)近乎“冷加工”的切割效果，切口光滑無毛刺，熱變形極小。

光束質(zhì)量：要求激光器輸出光束質(zhì)量因子M2接近1（理想高斯光束），確保光束可被高質(zhì)量地傳輸并聚焦成極小的光斑。

2.光束傳輸與整形系統(tǒng)

高穩(wěn)定性傳輸：采用內(nèi)部充有潔凈干燥空氣或氮氣的密封光路管，減少塵埃、水汽對光束的散射和吸收，保證長距離傳輸后的能量穩(wěn)定性和光束指向穩(wěn)定性。

擴束系統(tǒng)：在激光器輸出后設(shè)置擴束鏡。擴束作用有二：一是減小光束發(fā)散角，便于長距離傳輸；二是增大光束直徑，為后續(xù)聚焦鏡提供更大的通光口徑，理論上可聚焦成更小的光斑尺寸（光斑直徑d≈焦距f波長λ/入射光束直徑D），從而獲得更高的功率密度和更精細(xì)的切割能力。

光束整形（可選）：對于特定應(yīng)用（如追求更均勻的能量分布），可在光路中加入光束整形器（如衍射光學(xué)元件DOE），將高斯光束整形成平頂光束（Top-Hat），獲得切口邊緣更均勻的能量分布。

3.高速精密掃描與聚焦系統(tǒng)（振鏡系統(tǒng)）

核心組件：由兩個高速振鏡電機（X軸、Y軸）和一塊聚焦透鏡（f-theta透鏡）組成。

高速振鏡：由精密電機驅(qū)動反射鏡片高速偏轉(zhuǎn)，精確控制激光束在加工平面（銅箔表面）上的掃描方向與速度。要求極高的角速度、角加速度、重復(fù)定位精度（通常μrad級）和穩(wěn)定性，以實現(xiàn)復(fù)雜輪廓的高速、高精度切割。

f-theta聚焦透鏡：

核心功能：將振鏡偏轉(zhuǎn)后的掃描光束，聚焦到與振鏡旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面上（焦平面），而非球面。這是實現(xiàn)大面積、無畸變掃描切割的關(guān)鍵。

像差校正：專門設(shè)計用于校正掃描過程中因離軸角增大而產(chǎn)生的場曲和畸變，確保在整個掃描視場范圍內(nèi)，焦點光斑尺寸恒定、位置精確且呈圓形。

工作距離與光斑尺寸：透鏡焦距的選擇至關(guān)重要。短焦距可獲得更小的聚焦光斑（如<30μm），提高切割精度和最小特征尺寸，但工作距離短，視場??；長焦距工作距離長，視場大，但光斑相對較大。需根據(jù)銅箔幅寬、切割精度要求、切割頭空間約束綜合優(yōu)化選擇。高質(zhì)量f-theta透鏡還需校正色差（尤其對多波長或?qū)捵V光源）和像散。 4.切割頭輔助系統(tǒng) 同軸視覺定位：集成高分辨率CCD相機，通過分光鏡實現(xiàn)與激光束同軸。用于精確定位銅箔上的標(biāo)記（Mark點）、識別輪廓、自動對焦以及切割后的質(zhì)量在線檢測。 自動調(diào)焦系統(tǒng)（Z軸）：配合視覺系統(tǒng)或獨立的高度傳感器，實時監(jiān)測銅箔表面位置變化（如不平整度），并驅(qū)動聚焦鏡或切割頭整體在Z方向快速微動，確保激光焦點始終精確落在銅箔表面，保證全幅面切割質(zhì)量一致性。這對超薄易變形的銅箔尤為重要。 輔助氣體：切割頭集成同軸或側(cè)吹輔助氣體噴嘴（常用惰性氣體如氮氣N?）。作用：吹走熔融/氣化殘留物，防止污染鏡頭和材料表面；抑制切割區(qū)域氧化（尤其重要）；輔助冷卻。 5.光學(xué)元件材料與鍍膜 材料：傳輸紫外/綠光的透鏡、反射鏡需選用特殊材料（如熔融石英），具有高透過率、低熱透鏡效應(yīng)和高激光損傷閾值。 鍍膜：所有光學(xué)表面需鍍制針對特定激光波長（355nm或532nm）的高增透膜（AR膜）或高反射膜（HR膜），以最大限度減少反射損失，提高系統(tǒng)能量利用效率，并防止鬼像和雜散光干擾。 總結(jié)： 銅箔外形激光切割機光學(xué)系統(tǒng)是一個集高能量密度光源、精密光束傳輸整形、超快空間掃描定位、動態(tài)焦點控制于一體的復(fù)雜光電系統(tǒng)。其設(shè)計核心在于利用紫外/綠光短脈沖實現(xiàn)冷加工，并通過高質(zhì)量擴束、高速精密振鏡與f-theta透鏡的完美配合，將激光能量精確、高速地引導(dǎo)至微米級焦點，在超薄銅箔上實現(xiàn)無熱損傷、高精度、高速度的外形切割。先進的光學(xué)設(shè)計是滿足鋰電池等產(chǎn)業(yè)對銅箔集流體日益嚴(yán)苛的加工質(zhì)量與效率需求的關(guān)鍵保障。

銅箔外形激光切割機（尤其用于鋰電池極耳等精密加工）的光學(xué)系統(tǒng)是其核心組成部分，直接決定了加工精度、速度、質(zhì)量和可靠性。其光學(xué)系統(tǒng)是一個精密協(xié)同工作的體系，主要包含以下幾個關(guān)鍵子系統(tǒng)：

1.激光發(fā)生器與輸出光學(xué)系統(tǒng)：

核心組件：通常采用光纖激光器，尤其是高光束質(zhì)量（M2值接近1）的脈沖或連續(xù)光纖激光器。波長通常在1064nm（近紅外），這是銅在室溫下相對吸收率較高的波長（雖然銅對紅外光反射率普遍較高，但高功率密度和合適的脈沖參數(shù)仍能實現(xiàn)有效加工）。

作用：產(chǎn)生高能量密度、高光束質(zhì)量的激光束。

關(guān)鍵特性：激光功率穩(wěn)定性、光束質(zhì)量（影響聚焦光斑大?。⒚}沖參數(shù)（頻率、脈寬、峰值功率-對銅箔熱影響區(qū)控制至關(guān)重要）。

輸出部分：包含準(zhǔn)直輸出頭，將光纖輸出的發(fā)散光束準(zhǔn)直成平行光束輸出，為后續(xù)傳輸做準(zhǔn)備。

2.光束傳輸與整形系統(tǒng)：

核心組件：

擴束鏡：將準(zhǔn)直后的激光束直徑擴大。主要目的：降低光束發(fā)散角，提高遠(yuǎn)場光束質(zhì)量；減小后續(xù)聚焦鏡上的功率密度，防止其被燒毀；允許使用更小焦距的聚焦鏡以獲得更小光斑。對銅箔精密切割至關(guān)重要。

反射鏡：高精度、高反射率（>99.5%，針對1064nm）、高導(dǎo)熱性（常為銅基鍍金或硅基鍍介質(zhì)膜）的平面反射鏡。用于改變光束傳輸方向，引導(dǎo)光束進入掃描振鏡系統(tǒng)。需要極低的吸收率和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以防止熱變形影響光路。

作用：高效、低損耗、穩(wěn)定地將激光束從激光器輸出端引導(dǎo)至掃描振鏡系統(tǒng)入口，并進行必要的光束整形（主要是擴束）。

關(guān)鍵特性：傳輸效率、穩(wěn)定性（抗熱變形、抗震）、光束指向精度。

3.光束掃描與聚焦系統(tǒng)：

核心組件：

掃描振鏡：系統(tǒng)的核心運動部件。包含兩個高速、高精度的檢流計電機驅(qū)動的反射鏡（X軸和Y軸鏡片）。接收控制系統(tǒng)的指令，通過精確偏轉(zhuǎn)角度，使入射的激光束在加工平面上進行高速二維掃描運動。這是實現(xiàn)無慣性快速輪廓切割的關(guān)鍵。

F-Theta聚焦透鏡：位于掃描振鏡之后。它是一種特殊設(shè)計的平場聚焦透鏡。其核心功能是：無論入射光束以何種角度（由振鏡偏轉(zhuǎn)決定）射入透鏡，都能將其聚焦在同一個焦平面上（即加工平面），并且焦點位置與掃描角度成線性關(guān)系（F-Theta特性）。這使得振鏡掃描的矢量運動能精確對應(yīng)到工件表面的切割軌跡。透鏡材質(zhì)常為熔融石英或硒化鋅（ZnSe），鍍有高增透膜（針對1064nm）。

保護鏡：安裝在F-Theta透鏡下方、靠近工件的位置。通常為平片石英或硒化鋅鏡片，鍍增透膜。主要作用是保護昂貴的F-Theta透鏡免受切割過程中產(chǎn)生的飛濺物（熔融金屬顆粒、煙塵）污染和損傷。保護鏡是易損件，需要定期檢查和更換。

作用：實現(xiàn)激光焦點在加工平面上的高速、精確二維定位運動，并將激光能量高密度地匯聚在銅箔表面。

關(guān)鍵特性：掃描速度、定位精度、重復(fù)定位精度、聚焦光斑大?。ㄖ苯佑绊懬懈羁p寬和精度）、焦深、場域大小（加工幅面）。

4.輔助光學(xué)與傳感系統(tǒng)：

同軸視覺定位系統(tǒng)：

組件：通常集成在掃描頭上方或內(nèi)部，包含CCD/CMOS相機、照明光源（常為同軸紅光或環(huán)形光）、分光鏡（將可見光成像光路與激光傳輸光路分離）。

作用：精確定位：識別銅箔上的Mark點或特征，實現(xiàn)高精度對位補償，確保切割輪廓與設(shè)計位置一致。過程監(jiān)控：實時觀察切割狀態(tài)（如起刀點、落刀點、有無異常）。

同軸高度傳感器：

組件：可能采用激光三角測量、共聚焦或電容傳感等原理的傳感器，通過特殊光路設(shè)計與加工激光同軸。

作用：實時監(jiān)測和反饋焦點到工件表面的距離（Z軸高度）。由于銅箔可能輕微起伏或平臺有平面度誤差，保持焦點始終在最佳位置（焦深范圍內(nèi)）對切割質(zhì)量（尤其是切縫寬度一致性、無毛刺）至關(guān)重要。系統(tǒng)根據(jù)反饋動態(tài)調(diào)整Z軸高度或進行焦點補償。

吹氣系統(tǒng)（非純光學(xué)但密切相關(guān)）：

組件：集成在掃描頭末端的噴嘴，連接氣源（常用壓縮空氣或惰性氣體如氮氣）。

作用：輔助切割過程：吹走切割區(qū)域的熔融物和煙塵，防止污染保護鏡和工件表面；改善切割質(zhì)量：特定氣體（如氮氣）可減少銅箔氧化；冷卻作用：有助于控制熱影響區(qū)。噴嘴的形狀和氣流方向/壓力需要精確設(shè)計，與光路協(xié)同。

5.光學(xué)防護與冷卻系統(tǒng)：

防護罩/密封：保護精密光學(xué)元件（尤其是振鏡和F-Theta透鏡）免受環(huán)境粉塵、油污的污染。

風(fēng)冷/水冷：對激光器輸出頭、掃描振鏡電機、甚至F-Theta透鏡座進行有效冷卻，防止熱變形影響光束質(zhì)量和定位精度。高功率激光下尤為重要。

總結(jié)：

銅箔激光切割機的光學(xué)系統(tǒng)是一個復(fù)雜、精密、高度集成的光機電一體化系統(tǒng)。從激光的產(chǎn)生、傳輸、整形、高速掃描定位、精確聚焦，到輔助的視覺定位、高度跟蹤、過程氣體輔助和環(huán)境防護，每個環(huán)節(jié)都緊密協(xié)作。其核心目標(biāo)是將高功率密度的激光束以極高的速度和精度引導(dǎo)到銅箔表面的指定位置，實現(xiàn)干凈、無毛刺、熱影響區(qū)小的輪廓切割，同時保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和可靠性。F-Theta透鏡和高速掃描振鏡是實現(xiàn)快速、柔性輪廓加工的關(guān)鍵，而同軸視覺和高度跟蹤則是保證高精度和一致性的重要保障。整個光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和制造水平直接決定了設(shè)備的最終加工性能。

銅箔激光切割：可行性與關(guān)鍵技術(shù)解析

銅箔作為重要的導(dǎo)電材料，廣泛應(yīng)用于電子電路、鋰電池、電磁屏蔽等領(lǐng)域。其精密加工需求日益增長，而激光切割技術(shù)憑借非接觸、高精度、高柔性等優(yōu)勢，已成為銅箔加工的重要選擇。本文將深入探討銅箔激光切割的可行性、技術(shù)難點、適用工藝及實際應(yīng)用。

一、核心可行性：激光技術(shù)可勝任銅箔切割

答案是肯定的，銅箔可以成功進行激光切割?，F(xiàn)代激光技術(shù)，特別是特定波長的激光器和精密的控制系統(tǒng)，已能有效克服銅材料特性帶來的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)高質(zhì)量的切割效果。

二、技術(shù)難點：銅的特性帶來的挑戰(zhàn)

1.高反射率：

問題：銅在紅外波段（如常用的1064nm光纖激光）具有極高的反射率（>95%），大部分激光能量被反射，難以有效耦合進入材料進行加工，效率低下且可能損壞激光器光學(xué)元件。

對策：選用銅吸收率更高的綠光激光（532nm）或紫外激光（355nm）。銅對綠光的吸收率顯著高于紅外光（可達(dá)~40%），對紫外的吸收率更高（~60%甚至更高）。超短脈沖（皮秒ps、飛秒fs）激光因其極高的峰值功率也能有效克服反射問題。

2.高導(dǎo)熱性：

問題：銅的導(dǎo)熱速度極快，激光產(chǎn)生的熱量會迅速向周圍區(qū)域擴散，難以在局部區(qū)域聚集足夠能量使材料熔化/氣化。這導(dǎo)致熱影響區(qū)（HAZ）擴大、切縫變寬、邊緣熔融、毛刺、甚至材料變形。

對策：

超短脈沖激光：皮秒、飛秒激光的脈沖持續(xù)時間極短（10^-12-10^-15秒），能量在極短時間內(nèi)注入材料，遠(yuǎn)快于熱量擴散的時間尺度，從而實現(xiàn)近乎“冷加工”，顯著減小HAZ、消除熔融、獲得干凈銳利的邊緣。

高峰值功率脈沖激光：即使使用納秒激光，也需要足夠高的峰值功率密度，在熱量散失前快速完成材料的去除。

3.材料厚度與熱影響：

問題：銅箔通常很?。◣孜⒚椎綆装傥⒚祝?。薄材料散熱路徑短，導(dǎo)熱問題更突出。過大的熱輸入極易導(dǎo)致邊緣翹曲、卷邊、燒蝕過度甚至整體變形。

對策：嚴(yán)格控制激光能量（特別是平均功率），優(yōu)化脈沖參數(shù)（脈寬、頻率、峰值功率），使用合適的輔助氣體（如氮氣、壓縮空氣）吹除熔融物并冷卻邊緣。

三、適用的激光切割工藝

1.紫外（UV）激光切割：

優(yōu)勢：波長短（355nm），銅吸收率高，光子能量大，光斑小。特別適合超薄銅箔（<35μm）和高精度、微細(xì)結(jié)構(gòu)切割（如FPC柔性電路板的精細(xì)線路成型、覆蓋膜開窗）。熱影響極小，切縫窄，邊緣質(zhì)量好。 局限：設(shè)備成本相對較高，切割厚銅效率較低。 2.綠光（Green）激光切割： 優(yōu)勢：波長532nm，銅吸收率顯著高于紅外激光。在切割中等厚度銅箔（幾十微米到一百多微米）方面性價比較高（如鋰電池極耳切割的主流選擇）。加工速度和邊緣質(zhì)量介于紫外和紅外之間。 局限：熱影響比紫外激光稍大，光學(xué)系統(tǒng)維護要求略高。 3.超短脈沖（皮秒/飛秒）激光切割： 優(yōu)勢：無論波長（紅外、綠光、紫外均可），其超短脈沖特性使其在切割銅箔（尤其是對熱影響有嚴(yán)苛要求的場合）時具有頂尖的質(zhì)量：幾乎無熱影響區(qū)、無熔融、無毛刺、切縫極精細(xì)、材料無變形。是高端精密加工（如芯片封裝基板、超薄FPC）的理想選擇。 局限：設(shè)備成本最高，切割速度相對較慢（相比長脈沖或連續(xù)激光）。 4.光纖激光切割： 優(yōu)勢：高功率紅外光纖激光（1064nm）成本相對較低，在切割較厚銅板/銅合金方面有優(yōu)勢。部分高功率、高峰值功率的納秒或準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器通過特殊工藝（如高頻調(diào)制、精確控制離焦量、強輔助氣體）也可用于切割一定厚度（如0.1mm以上）的銅箔，尤其在對效率要求高、邊緣質(zhì)量要求相對寬松的場合（如部分動力電池極耳初切）。 局限：對純薄銅箔切割效果較差（反射、導(dǎo)熱問題突出），熱影響大，邊緣易有熔渣和氧化。 四、關(guān)鍵工藝參數(shù)與控制 激光波長：根據(jù)材料厚度、精度要求和成本選擇（紫外>綠光>紅外/超短脈沖）。

脈沖寬度：越短（ps/fs級），熱影響越小，質(zhì)量越高；長脈沖（ns級）效率可能更高但熱影響大。

脈沖能量與峰值功率：需足夠高以克服反射和快速導(dǎo)熱，但過高易導(dǎo)致過度燒蝕和熱損傷。

重復(fù)頻率：影響切割速度和重疊率，需與掃描速度匹配以獲得連續(xù)、平滑的切縫。

掃描速度：速度過快可能導(dǎo)致切不透或不連續(xù)；過慢則熱輸入過大，熱影響加劇。

光斑大小與聚焦：小光斑（如紫外激光）可實現(xiàn)高精度切割。精確控制焦點位置（常需略低于表面）對切割質(zhì)量至關(guān)重要。

輔助氣體：常用壓縮空氣、氮氣（N2）或氬氣（Ar）。主要作用：吹除熔融物和碎屑、冷卻切割邊緣、抑制氧化（惰性氣體）。氣體類型、壓力和噴嘴設(shè)計影響切割質(zhì)量和效率。

離焦量：精確控制激光焦點相對于材料表面的位置，影響能量密度分布和切割效果。

五、應(yīng)用場景

柔性印刷電路板（FPC）：覆蓋膜（CVL）開窗、補強板（PI,FR4,不銹鋼等）輪廓切割、精細(xì)線路成型（替代蝕刻）。

鋰電池制造：正負(fù)極（銅箔/鋁箔）極耳切割（Tabbing）。

電磁屏蔽與導(dǎo)熱材料：銅箔屏蔽罩、散熱片的精密外形成型。

電子元器件：引線框架、連接器觸點等的精密加工。

RFID天線：蝕刻銅天線的替代或互補工藝。

六、總結(jié)

銅箔激光切割不僅可行，且在現(xiàn)代制造業(yè)中已成為一項成熟且不斷發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。成功實施的關(guān)鍵在于：

1.選擇合適的激光源：紫外和綠光激光是薄銅箔切割的主力；超短脈沖激光提供最高質(zhì)量；高功率光纖激光在特定厚銅場合有用武之地。

2.克服材料特性挑戰(zhàn)：針對高反射率（選吸收率高的波長）、高導(dǎo)熱性（用超短脈沖或高峰值功率）、薄材易變形（嚴(yán)格控制熱輸入）進行工藝優(yōu)化。

3.精密參數(shù)控制：波長、脈寬、能量、頻率、速度、離焦、氣體等參數(shù)需精細(xì)匹配和優(yōu)化。

4.明確應(yīng)用需求：根據(jù)厚度、精度、速度、成本要求選擇最具性價比的激光方案。

隨著紫外激光器、超快激光器成本的持續(xù)下降和性能的不斷提升，以及工藝經(jīng)驗的不斷積累，激光切割在銅箔加工領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛和深入，為電子電氣產(chǎn)業(yè)的微型化、高性能化提供強大的技術(shù)支撐。