[發明專利]一種激光多焦點切割球差矯正方法及裝置

有效

• 申請號: 201910130112.1
• 申請日: 2019-02-21
• 公開（公告）號: CN109702322B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 季凌飛;馬瑞;燕天陽
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B23K26/04
• 分類號: B23K26/04;B23K26/38;B23K26/70
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種激光多焦點切割球差矯正裝置，其特征在于，包括：

可更換拆卸光闌，對多焦點激光的近軸光束部分進行遮擋；

可移動的環形凸透鏡，對多焦點激光的遠軸光束部分引入負球差，校正由于透明材料表面對入射光折射而產生的正球差；

可移動的環形凹透鏡，其曲率半徑與環形凸透鏡的曲率半徑大小相等，對由環形凸透鏡引入的負球差進行微調，使得環形凸透鏡引入的負球差能校正透明材料表面引入的正球差，并且通過微調環形凸透鏡與環形凹透鏡的間隔，滿足不同透明材料與厚度的激光多焦點切割需求。

2.一種激光多焦點切割球差矯正方法，其特征在于，包括：

采用環形凸透鏡與環形凹透鏡組合對因透明材料表面對入射光折射而引入的正球差進行矯正；

根據多焦點激光的焦距與預切割透明材料厚度，得出預矯正球差的大小，確定光闌直徑與環形凸透鏡與環形凹透鏡的內徑大小；

根據折射球面的光線追跡公式與得到的預矯正球差大小，得出環形凸透鏡與環形凹透鏡的曲面形狀；

對光線進行追跡計算，確定環形凸透鏡與環形凹透鏡的間距，使得環形凸透鏡與環形凹透鏡引入的負球差可矯正因透明材料表面對入射光折射而引入的正球差；

搭建球差矯正裝置，對多焦點激光進行球差矯正，實現透明材料的切割。

3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)加裝光闌，遮擋多焦點激光的近軸光束部分；

2)多焦點激光的遠軸光束進入環形凸透鏡與環形凹透鏡，根據計算所得兩透鏡的間距調整環形凸透鏡與環形凹透鏡的距離；

3)遠軸光束聚焦在透明材料(6)中形成焦點，檢測焦點光斑形狀；微調環形凹透鏡，改變環形凸透鏡與環形凹透鏡的距離；

4)重復步驟(3)，直到遠軸光束形成的焦點光斑形狀為球形，表明焦點的球差得到校正；

5)拆掉光闌，多焦點激光完全在透明材料內部聚焦；加工平臺移動，完成透明材料的切割。

4.如權利要求3所述的方法，其特征在于：

經擴束鏡準直后的激光束被多焦點鏡頭整形為環形分布，每個環形對應一個焦點，并在透明材料內部聚焦；多焦點鏡頭為衍射光學元件或帶有不同焦距的環形透鏡組。

5.如權利要求3所述的方法，其特征在于：

可移動的所述環形凸透鏡和環形凹透鏡的內徑大小，與可更換拆卸光闌的直徑相等；采用環形凸透鏡和環形凹透鏡，只對遠軸光束進行球差矯正；當檢測遠軸光束形成的焦點光斑形狀時，光闌用于遮擋近軸光束，防止近軸光束形成的焦點影響檢測。

6.如權利要求3所述的方法，其特征在于：

預矯正球差的計算方法為：

其中Δ為因透明材料表面對入射光折射而引入的軸向正球差大小，h為焦點幾何聚焦深度，NA為環形光束的有效數值孔徑，n為空氣折射率，n’為透明材料折射率。

7.如權利要求3所述的方法，其特征在于所述的激光多焦點切割球差矯正方法，具體如下：

用于對遠軸光束引入負球差的環形凸透鏡的曲面，以及環形凸透鏡與環形凹透鏡的間隔，根據折射球面光線追跡公式進行設計：

U'＝U+I-I'

其中I、I’分別為入射角與出射角；L、L’分別為物方截距與像方截距，U、U’分別為物方孔徑角與像方孔徑角；r為透鏡的曲率半徑。

8.如權利要求3所述的方法，其特征在于：

環形凹透鏡的曲率半徑與環形凸透鏡的曲率半徑大小相等，用于對環形凸透鏡引入的負球差大小進行微調，以矯正因透明材料表面對入射光折射而引入的正球差；并且通過微調環形凸透鏡與環形凹透鏡的間隔，滿足不同透明材料與厚度的激光多焦點切割需求。