[發明專利]一種激光多點聚焦加工系統

有效

• 申請號: 201210118371.0
• 申請日: 2012-04-20
• 公開（公告）號: CN102653032A
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發明（設計）人: 段軍;鄧磊敏;曾曉雁
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23K26/04
• 分類號: B23K26/04;B23K26/38;C03B33/08
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于激光加工應用技術領域，具體涉及一種激光多點聚焦加工系統。

背景技術

目前激光切割分離透明脆性材料(如玻璃、石英玻璃和光學玻璃等)基本上采用裂紋控制法。該方法是采用聚焦透鏡將激光束聚焦在透明材料的表面或內部某處，利用透明材料對某激光束較高的吸收率(如10.6μm波段的激光束)形成表面吸收激光光能，使透明脆性材料表面加熱；或利用透明脆性材料對某激光束吸收率較低的特性(如1.064μm波段的激光束)，讓激光束貫穿整個透明脆性材料，形成體吸收激光光能，使透明脆性材料整體加熱，產生較大的壓應力。隨著激光的移動，被加熱處在空氣的對流下冷卻，產生較大的拉應力。如果該拉應力超過了材料的斷裂強度，透明脆性材料將會沿著激光掃描方向產生裂紋而自動分離或在機械外力作用下分離，實現激光切割分離目的。與機械切割方法相比，激光裂紋控制法具有切縫平直、無碎屑、無顯微裂紋等優點。但這種激光裂紋控制法最大缺陷是只有一個激光聚焦點。無論是面吸收還體吸收形式都會使透明脆性材料沿分離垂直的厚度上對激光能量的吸收極不均勻，從而導致沿厚度方向產生的應力差別較大。隨著材料厚度的增加，激光能量吸收的不均勻性越嚴重。其結果很難控制熱應力產生裂紋的走向，透明脆性材料沿厚度方向極易產生任意方向的裂紋而導致材料的整體炸裂。即使對較薄的透明脆性材料而言，厚度上對激光能量的不均勻吸收也會導致沿所需分離走向失控，尤其是在切割分離曲率較小的曲線軌跡的情況下。

發明內容

針對以上激光單焦點加工系統分離透明材料所存在的問題，本發明提出了一種激光多點聚焦加工系統。該系統可以將激光入射到待加工透明材料的單聚焦點轉換成同光軸多聚焦點，提高透明脆性材料沿厚度方向上對激光能量吸收的均勻性，從而增強透明材料沿厚度方向上受熱的均勻性，急劇減小沿厚度方向產生的應力差別，實現激光對透明脆性材料高質量、高效率、高成功率地切割分離。

本發明提供的一種激光多點聚焦加工系統，其特征在于，該系統包括激光器、擴束鏡、導光鏡、聚焦透鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡和xy兩維工作臺；

激光器、擴束鏡、導光鏡和聚焦透鏡依次位于同一光路上，組成單焦點激光加工系統；第一全反射鏡、第二全反射鏡依次位于聚焦透鏡與xy兩維工作臺之間，組成多焦點衍生系統；第一全反射鏡為中間開有小孔的球面或非球面全反射鏡，第一全反射鏡曲率半徑小于第一全反射鏡和第二全反射鏡之間最小距離的一半；工作時，第一全反射鏡凹面向xy兩維工作臺，第一全反射鏡的光軸與激光光軸重合；小孔的中心與激光光軸重合；聚焦透鏡的位置上、下可調，第一全反射鏡與第二全反射鏡之間的距離可調，待加工透明材料安裝在第一全反射鏡和第二全反射鏡之間。

為了提高激光能量的利用率，可以選擇小孔的直徑大于入射至第一全反射鏡上的光斑直徑的1.1倍；也可以在第二全反射鏡上鍍高反膜。

本發明可以通過各種方式調節聚焦透鏡的位置，以及第一全反射鏡與第二全反射鏡之間的距離；其中一種優選的方式是：聚焦透鏡固定在第一z軸移動機構上，第一全反射鏡固定在第二z軸移動機構上，第二全反射鏡直接固定在xy兩維工作臺上；另一種優選的方式是：聚焦透鏡和第一全反射鏡均固定在第一z軸移動機構上，第二全反射鏡放置在支撐夾具和xy兩維工作臺之間并固定在第三z軸移動機構上，上下移動第三z軸移動機構可調節第一全反射鏡和第二全反射鏡之間距離，支撐夾具的中間開有一個透光口并固定在xy兩維工作臺上，組成一個二維移動平臺，支撐夾具用于安放待加工透明材料。

本發明中，多焦點衍生系統的組合有兩種：第一種為第二全反射鏡為平面或球面或非球面鏡，其曲率半徑大于第一焦點到第二全反射鏡距離一半，第一全反射鏡的曲率半徑小于第一全反射鏡和第二放射鏡之間最小距離的一半；第二種為第二全反射鏡為球面鏡或非球面鏡，其曲率半徑小于第一焦點到第二全反射鏡距離一半，第一全反射鏡的曲率半徑小于第一全反射鏡和第二放射鏡之間最小距離的一半。