[發明專利]一種激光焦點位置動態可控的激光加工系統及方法

有效

• 申請號: 201710262376.3
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN106994557B
• 公開（公告）日: 2018-10-19
• 發明（設計）人: 張立國
• 申請（專利權）人: 武漢銥科賽科技有限公司
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B26/00;B23K26/046;B23K26/064;B23K26/082
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 楊立;陳璐

1.一種激光焦點位置動態可控的激光加工系統，其特征在于，包括激光光源模塊、激光光束發散角動態控制模塊和激光聚焦與焦點切換模塊；

所述激光光源模塊，用于產生加工激光束，并經過光路傳輸入射所述激光光束發散角動態控制模塊；

所述激光光束發散角動態控制模塊，用于對入射的加工激光束的發散角進行動態控制，輸出發散角受控的第一激光光束，并入射所述激光聚焦與焦點切換模塊；

所述激光聚焦與焦點切換模塊，用于對發散角受控的第一激光束進行聚焦，以形成聚焦光束，其中，針對發散角不同的第一激光光束，形成的聚焦光束的焦點位置不同；還用于控制所述聚焦光束的激光焦點在待加工工件的不同加工單元之間進行切換或者在一個加工單元處對所述聚焦光束的激光焦點掃描運動進行運動控制；

所述激光光束發散角動態控制模塊包括偏振分光器件、四分之一波長相位延遲器和反射光學元件；

所述加工激光束依次透射偏振分光器件、入射四分之一波長相位延遲器，所述四分之一波長相位延遲器的輸出光束的偏振態相對于所述加工激光束旋轉45度或者近似45度，輸出的光束垂直或者近似垂直入射所述反射光學元件，并被所述反射光學元件垂直或者近似垂直反射，再入射所述四分之一波長相位延遲器，所述四分之一波長相位延遲器輸出的光束的偏振態相對于所述加工激光束旋轉90度或者近似90度，再經所述偏振分光器件反射，獲得所述發散角受控的第一激光束；

或者，所述加工激光束被偏振分光器件反射后入射四分之一波長相位延遲器，所述四分之一波長相位延遲器的輸出光束的偏振態相對于所述加工激光束旋轉45度或者近似45度，輸出的光束垂直或者近似垂直入射所述反射光學元件，并被所述反射光學元件垂直或者近似垂直反射，再入射所述四分之一波長相位延遲器，所述四分之一波長相位延遲器的輸出光束的偏振態相對于所述加工激光束旋轉90度或者近似90度，并透射所述偏振分光器件，獲得所述發散角受控的第一激光束；

其中，通過改變所述激光光束發散角動態控制模塊中的反射光學元件的反射表面曲率控制所述第一激光束的光束發散角，形成不同空間位置的聚焦光束的激光焦點，實現激光焦點相對于待加工工件的動態離焦控制。

2.如權利要求1所述的激光焦點位置動態可控的激光加工系統，其特征在于，所述四分之一波長相位延遲器為四分之一波長玻片或四分之一波長反射式相位延遲圓偏振鏡或四分之一波長棱鏡。

3.如權利要求1所述的激光焦點位置動態可控的激光加工系統，其特征在于，在激光焦點動態離焦過程中，所述聚焦光束的光軸保持不變或者基本不變，不同空間位置的激光焦點位于聚焦光束的光軸上。

4.如權利要求1所述的激光焦點位置動態可控的激光加工系統，其特征在于，所述激光聚焦與焦點切換模塊包括掃描振鏡和平場掃描聚焦鏡；

所述反射光學元件為平面反射鏡時，不改變所述第一激光束相對于所述加工激光束的光束發散角，從而經過所述激光聚焦與焦點切換模塊聚焦后的激光聚焦焦點位于平場掃描聚焦鏡的正常工作距離；

當所述反射光學元件的激光反射面為凸面鏡時，增加所述第一激光束相對于所述加工激光束的光束發散角，從而經過所述激光聚焦與焦點切換模塊聚焦后的激光聚焦焦點位于平場掃描聚焦鏡的負離焦位置；

當所述反射光學元件的激光反射面為凹面鏡時，減小所述第一激光束相對于所述加工激光束的光束發散角，從而經過所述激光聚焦與焦點切換模塊聚焦后的激光聚焦焦點位于平場掃描聚焦鏡的正離焦位置；

其中，凸面的激光反射面或者凹面的激光反射面的入射光線軸線與對應的反射光束光軸夾角小于0.4弧度。

5.如權利要求4所述的激光焦點位置動態可控的激光加工系統，其特征在于，所述掃描振鏡對發散角受控的第一激光束的傳輸方向進行偏轉補償，使得所述反射光學元件的反射表面曲率變化時，所述平場掃描聚焦鏡的入射光束的入射角度保持不變或者基本不變，從而控制聚焦光束在待加工工件表面的離焦光斑中心與聚焦光束離焦前聚焦光束在待加工工件表面的激光焦點中心位置之間的離散度，進而控制聚焦光束離焦后激光光斑中心在待加工工件表面的位置精度。