作者：叶gx 时间：2026-06-27
双面激光加工系统简单示意图：激光器-双面激光加工匀化DOE -分束器-远心场镜-反射镜-加工面。首先采用双面加工平顶光束整形器进行光束整形，其次通过双面加工分束器将整形后的激光分为两束固定分离角的激光，再使用远心场镜通过反射镜将光束聚焦在工作面，分别导向工件的相对两侧。双面加工衍射光束整形器工业应用场景：连续线材加工、电磁线（漆包线）、医用导丝、光纤光缆、双面划片、光学检测。
在基板相对两侧同步进行激光加工，为提升制造产能带来了重大机遇。最新的静态光束整形光学方案，仅使用单台激光器与一套光学系统，即可在基板双面同步作业，且系统不含任何运动部件。
将双面加工分束器、双面激光加工匀化DOE整形与双面聚焦技术相结合，并通过Ansys OpticStudio光学仿真验证了该方案在各类激光应用中的可行性，包括连续线材加工、半导体晶圆划片以及太阳能电池检测等。
尽管大多数激光加工系统一次仅能对单一表面进行处理，但众多应用场景均可通过在工件相对两侧同步加工获益。现有解决方案通常需要复杂的机械变位机构或多套激光装置，这会增加成本与加工周期。
衍射光学元件（DOE）已成为工业激光领域中实现光束整形与分束的成熟器件。近年来，三维光束整形技术的突破实现了对三维空间内光强分布的精准调控。基于这些进展，我们提出了一种全新的光学结构，结合双面加工分束器、双面加工衍射光束整形器与双面聚焦技术，利用Holo/Or公司的双面激光加工匀化DOE，实现了在基板双面同步进行激光加工。
图1
上方：双面激光加工系统示意图；
左下：Ansys OpticStudio三维光线追迹布局图（绿色与蓝色光线代表两束分束）；
右下：放大视图，展示在基板相对两侧同时进行加工的情形。
双面激光加工系统光学设计思路
本方案采用衍射分束元件将入射激光分为两束，再通过固定反射镜将光束导向工件的相对两侧。图1为光学仿真得到的系统结构，图2a为实际装置的三维渲染图。
光路组成如下：
入射光束：单模高斯激光光束（波长λ= 355 nm，e⁻²处直径3.2mm）。
线光斑平顶光束整形器（双面加工平顶光束整形器）：将高斯分布转换为均匀平顶分布。
衍射分束元件（分束DOE）：将光束分为两束完全相同的光束，并具有固定的分离角。
远心F-theta场镜（有效焦距EFL=100.2mm）：对两束光进行聚焦，同时保持近似正入射。
反射镜：位置经优化，使焦平面恰好与基板的两个相对表面重合。
该光学设计已通过Ansys OpticStudio仿真验证。由仿真结果（见图2）得出的关键性能指标为：输出光斑尺寸2.3mm×0.014mm（线光斑）；平顶区域内均匀度＞90%；效率＞78%（已计入全部光学损耗）。
图 2 (a)：工作平面内的几何成像分析，展示长轴方向的平顶光束分布。基板上表面与下表面的光束分布完全一致
图 2 (b)：物理光学传输分析结果，显示窄轴方向达到衍射极限性能。基板上下表面的光束分布完全一致
关键潜在工业应用
连续线材加工。该技术最具前景的应用之一便是连续线材加工，线材连续穿过加工系统，无需旋转即可对其径向相对的两个表面进行同步处理（如图1b所示）。
电磁线（漆包线）。在切割工序中去除线端的绝缘漆层。该类线材每年消耗量达数十亿米，广泛用于电机与变压器，尤其在电动汽车（EV）电机制造中至关重要。现有的热剥或机械剥线方式速度较慢，且可能损伤线材尺寸。本双面加工方案可实现周向完整去漆，无需旋转线材，支持在线连续加工。
医用导丝。用于导管领域的细金属丝（直径0.1–1.0 mm）表面预处理。非接触式双面加工可避免机械夹持造成的损伤，同时实现周向完整处理，这对尺寸公差直接影响器械性能的场景尤为关键。
光纤光缆。在熔接前去除光纤（125–900μm）的保护层。双面激光烧蚀可减少机械剥线器常见的光纤开裂问题，对通信与数据中心应用至关重要，同时确保保护层沿光纤周向完全去除。
图1c 展示了一种适用于晶圆级加工的结构方案，通过选用合适焦距的F-theta透镜，可适配不同尺寸的晶圆。例如，采用焦距300mm的系统，可覆盖200～300mm 晶圆，实现10～50μm光斑尺寸的划片加工。
双面划片，功率半导体与太阳能电池所用硅片，需要在正反两面制作划片槽以实现可控切割。同步双面划片可保证正反面精准对准，省去晶圆翻转工序，提升加工效率。对称式划片还可改善切割质量、减少边缘崩边。
检测应用。该双面线型光路结构可实现双面太阳能电池与减薄半导体晶圆的上下表面同步光学检测，有望大幅提升检测通量，同时减少工件搬运，并可实现正反面缺陷关联分析。
图3展示了核心应用对应的实物系统与结构示意图：
图3.系统实施方案与应用结构
(a) 双面激光加工光学系统的三维CAD渲染图；
(b) 连续进给式线材或圆柱类工件加工的方案结构，可选配集成扫描振镜；
(c) 可对晶圆上下表面同时进行加工或检测的晶圆加工结构。
方案通用性
该光学系统可根据定制化需求灵活调整，例如：
多光束结构：可更换为多光束衍射元件（3束、4束及以上），实现多角度加工或冗余配置。
动态扫描：可将固定反射镜替换为扫描振镜，实现更大幅面加工与图形化加工。
灵活光束整形：可根据应用需求，将线型平顶光束整形器替换为圆形平顶、矩形或定制光斑轮廓。对于需要精密聚焦的场景（如晶圆划片），也可完全省去双面加工平顶光束整形器，直接使用聚焦光斑。
可调工作区间：通过重新定位反射镜，系统可适配不同厚度的基板（典型范围0.5至10毫米以上）。
可扩展架构：通过选用合适焦距的F-theta透镜（典型焦距100至300毫米），系统可扩展至不同工作区间，同时保持高质量聚焦性能。
波长适应性：该方案不受波长限制，适用于紫外（UV）、可见光、红外（IR）及超短脉冲激光器。
检测集成：针对检测应用，可集成相机或探测器，利用激光提供线型照明，实现双面图像或信号的同步采集。
我们认为，该方案结合Holo/Or的衍射光学元件（双面加工衍射光束整形器），有望实现高性价比的制造解决方案。其模块化设计可针对特定应用、波长和功率等级进行高度定制。后续仍需开展更多实验工作以验证这些方案并探索其实用化落地。
文章来源：A. Brodsky and N. Kaplan, “Dual-sided laser
processing can tap static beam shaping and splitting,” Laser Focus World, 6
Feb. 2026. [Online]. Available:
https://www.laserfocusworld.com/laser-processing/article/55354625/holo-or-dual-sided-laser-processing-can-tap-static-beam-shaping-and-splitting.
