[發明專利]一種焦斑焦深可變貝塞爾光束激光加工系統及方法

有效

• 申請號: 202010249968.3
• 申請日: 2020-04-01
• 公開（公告）號: CN111505831B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 李明;楊合寧
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B27/28;B23K26/06
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 汪海艷

1.一種焦斑焦深可變的貝塞爾光束激光加工系統，其特征在于：包括激光器(1)及依次設置在激光器出射光路中的擴束鏡(3)、光闌(5)、波片(6)、變焦透鏡(7)、正軸棱錐(9)和透鏡(10)；

所述擴束鏡(3)用于將激光器出射的光束擴展勻化；所述光闌(5)用于濾去擴展勻化后光束的雜散光；所述波片(6)用于調制激光偏振態；所述變焦透鏡(7)與正軸棱錐(9)用于產生具有目標焦斑焦深的貝塞爾光束，通過調節變焦透鏡(7)的焦距及其與正軸棱錐(9)之間的距離實現；所述透鏡(10)用于將具有目標焦斑焦深的貝塞爾光束聚焦后作用于工件表面；變焦透鏡(7)的焦距與貝塞爾光束的焦斑R關系如下：

R＝(n-1)γf (1)

其中n為正軸棱錐的折射率，γ為正軸棱錐的錐角，f為變焦透鏡的焦距；變焦透鏡(7)與正軸棱錐(9)之間的距離與貝塞爾光束的焦深Z關系如下：

其中，M²代表激光器的光束質量，λ為激光器的輸出波長，d為變焦透鏡到正軸棱錐之間的距離，D為進入變焦透鏡之前光斑直徑，n為正軸棱錐的折射率，γ為正軸棱錐的錐角。

2.根據權利要求1所述的焦斑焦深可變的貝塞爾光束激光加工系統，其特征在于：還包括高精密位移臺(8)，所述變焦透鏡(7)置于高精密位移臺上；通過高精密位移臺調節變焦透鏡(7)與正軸棱錐(9)之間的距離。

3.根據權利要求2所述的焦斑焦深可變的貝塞爾光束激光加工系統，其特征在于：還包括第一反射鏡(2)與第二反射鏡(4)，所述第一反射鏡(2)位于激光器(1)與擴束鏡(3)之間，所述第二反射鏡(4)位于擴束鏡(3)與光闌(5)之間，第一反射鏡(2)與入射光束呈45°角放置，第二反射鏡(4)與入射光束呈45°角放置。

4.根據權利要求3所述的焦斑焦深可變的貝塞爾光束激光加工系統，其特征在于：所述變焦透鏡(7)包括沿光路依次設置的負透鏡組和正透鏡組。

5.根據權利要求4所述的焦斑焦深可變的貝塞爾光束激光加工系統，其特征在于：所述擴束鏡(3)包括沿光路依次設置的凹透鏡和凸透鏡。

6.利用權利要求1所述的焦斑焦深可變的貝塞爾光束激光加工系統實現的加工方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、從激光器(1)發出的激光依次到達擴束鏡(3)及光闌(5)；

步驟2、將光闌(5)的孔徑調至光斑直徑大小，激光通過光闌(5)后進入波片(6)，之后進入變焦透鏡(7)及正軸棱錐(9)；

步驟3、調節變焦透鏡(7)的焦距及變焦透鏡(7)與正軸棱錐(9)之間的距離，獲得具有目標焦斑焦深的貝塞爾光束；

步驟4、正軸棱錐(9)產生的具有目標焦斑焦深的貝塞爾光束經過透鏡(10)聚焦后作用于加工工件進行激光微細加工；步驟3中按照下述公式調節變焦透鏡(7)的焦距及變焦透鏡(7)與正軸棱錐(9)之間的距離以獲得具有目標焦斑焦深的貝塞爾光束；

變焦透鏡(7)的焦距與貝塞爾光束的焦斑R關系如下：

R＝(n-1)γf (1)

其中n為正軸棱錐的折射率，γ為正軸棱錐的錐角，f為變焦透鏡的焦距；

變焦透鏡(7)與正軸棱錐(9)之間的距離與貝塞爾光束的焦深Z關系如下：

其中，M²代表激光器的光束質量，λ為激光器的輸出波長，d為變焦透鏡到正軸棱錐之間的距離，D為進入變焦透鏡之前光斑直徑，n為正軸棱錐的折射率，γ為正軸棱錐的錐角。

7.根據權利要求6所述的加工方法，其特征在于：步驟1中，激光器(1)發出的激光首先到達與光傳播方向成45°角放置的第一反射鏡(2)，被反射后到達擴束鏡(3)，隨后進入與光傳播方向成45°角放置的第二反射鏡(4)，反射光進入光闌(5)；

步驟2中通過如下調節使得激光通過光闌(5)：將光闌(5)的孔徑調至光斑直徑大小，首先將其放在第二反射鏡(4)后a點處，調節第一反射鏡(2)使激光通過光闌(5)的中心，隨后將光闌(5)放在第二反射鏡(4)后b點處，調節第二反射鏡(4)，使激光通過光闌(5)的中心；然后將光闌(5)固定在第二反射鏡(4)后a點處位置，其中a點距第二反射鏡(4)的距離小于b點距第二反射鏡(4)的距離。