[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

本發明屬于激光加工技術領域，提供了一種激光多焦點切割透明材料球差矯正方法及裝置，所用裝置由可拆卸光闌(5a)、可移動的環形凸透鏡(5b)和可移動的環形凹透鏡(5c)組成。其矯正方法包括：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透鏡大小；根據折射球面的光線追跡公式與得到的預矯正球差大小，計算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，使得該透鏡組引入的負球差可矯正因材料表面對入射光折射而引入的正球差。該發明能直接應用于多焦點激光切割設備上，提高現有多焦點激光切割設備的加工質量，并且可滿足不同材料與厚度的加工需求。

技術領域

本發明涉及一種激光多焦點切割透明材料球差矯正方法及裝置，屬于激光加工技術領域。

背景技術

作為一種現代精密加工技術，激光切割以其非接觸式、加工靈活、能量高度集中等優勢成為目前透明硬脆性材料加工的強有力工具，已逐漸成為推動該類切割行業智能化發展的新型解決方案。但受制于激光功率、焦深及材料對激光能量吸收方式等限制，在現行激光切割工藝中，材料可切割厚度還極其有限，相關工藝解決方案也一直在探索開發中。其中，激光多焦點切割方法從技術原理而言，可以有效解決激光單焦點聚焦深度有限的問題，是目前一種頗具可行性的、用以提高透明材料激光可切割厚度的工藝解決方案。該方案在沿激光束的傳播方向上形成不同焦距的多個焦點，所形成的多個同軸焦點沿材料厚度方向分布于不同位置，通過熔融、氣化或電離態去除等材料分離機制，實現超過激光單焦點焦深控制切割范圍的大厚度切割。

通過計算激光多焦點區域長度與焦點處的功率密度大小，可以對所切割材料厚度做出預算。但在實際工程應用中，發現存在這樣的問題：實際對固體透明材料的切割厚度與最初切割厚度預算不符，往往存在較大差異，特別是進行藍寶石、金剛石等高折射率透明材料的大厚度切割時，所切割厚度通常達不到多焦點系統的設計要求。當多焦點激光由空氣入射到透明材料內部時，由于材料表面對光線的折射而引入了正球差，造成了焦點光斑的彌散，降低了焦點處的功率密度，這限制了激光多焦點切割工藝的切割能力。因此需要球差矯正裝置提前引入負球差來進行矯正。

中國發明專利申請201610850924.X公布了一種多焦點激光切割裝置，采用環形透鏡組形成三個激光焦點，可完成夾層玻璃的切割，文中并未涉及關于激光多焦點切割的球差問題。中國發明專利申請201810088414.2采用衍射光學元件發明了一種多焦點動態分布激光加工脆性透明材料的裝置，該裝置的多焦點覆蓋區域可在20～300微米范圍內可調，文中未提及到關于激光多焦點切割厚度的問題，并且該裝置也不具備球差矯正功能。華中科技大學劉朋等人采用反射鏡組在KDP晶體內部形成三個焦點，完成了50mm厚的KDP晶體切割(INT J MACH TOOL MANU，2017,118-119:26-36)，文中對激光多焦點切割過程中的熱影響進行分析，未對每個焦點在晶體內部的分布進行研究，沒有考慮到球差對切割的影響。已有研究和專利大多專注于激光多焦點切割的系統設計與工藝優化，關于多焦點切割過程中的球差影響與解決方案尚未見報導。因此針對該問題，尋找一種激光多焦點切割球差矯正方法與裝置十分必要。該問題的解決將提高激光多焦點切割的切割質量，使得實際切割厚度與預算切割厚度相匹配。

發明內容

本發明的目的是提供一種激光多焦點切割透明材料球差矯正方法與裝置，其裝置能通過簡單的裝配與調節，矯正透明材料切割過程中，材料表面對入射光折射引起的正球差，使得激光多焦點切割的實際切割厚度與預算切割厚度相符。

為達上述目的，本發明提出了一種球差矯正光學裝置，該裝置依次包括：可更換拆卸光闌(5a)、可移動的環形凸透鏡(5b)和可移動的環形凹透鏡(5c)，并按照圖2順序安裝。

在進行球差矯正系統的設計時，首先需要確定所要矯正的球差大小：