[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

本發明屬于激光精密制造領域，涉及一種焦斑焦深可變貝塞爾光束激光加工系統及方法，解決現有的貝塞爾光束激光加工系統不能適用于不同孔型和材料厚度的加工問題，包括激光器及依次設置在激光器出射光路中的擴束鏡、光闌、波片、變焦透鏡、正軸棱錐和透鏡；從激光器出射的光束經過擴束鏡擴展勻化后，進入光闌濾去雜散光，到達波片，之后進入變焦透鏡，通過調節變焦透鏡焦距和變焦透鏡與正軸棱錐之間的距離改變所產生貝塞爾光束的焦斑焦深，以獲得所需加工光束，經透鏡聚焦后作用于工件表面。通過該系統能夠實現加工貝塞爾光束焦斑焦深變化，實現大深徑比微孔、透明材料等多用途加工，為高精度微孔孔型制造和高質量透明材料切割等提供了保障。

技術領域

本發明屬于激光精密制造領域，涉及一種加工光束為貝塞爾光束，且光束焦斑焦深可變的加工系統及方法。

背景技術

目前，通過貝塞爾光束實現大深徑比微孔、透明材料等加工是激光微加工領域中最常用的加工方式。貝塞爾加工光束的產生作為加工系統中的關鍵技術，其產生方式有軸棱錐、環縫透鏡、空間光調制器、變形鏡等。軸棱錐方式具有損耗小、成本低等優勢受到廣泛關注。

在大深徑比微孔和透明材料加工中，根據孔型和材料厚度不同，對加工光束的需求不同。對于深孔和厚的材料需要焦深大、焦斑大的貝塞爾光束，從而保證加工微孔和透明材料的垂直度。對于淺孔和薄的材料需要焦深小、焦斑小的貝塞爾光束，獲得比較窄的加工線寬以實現高垂直度加工，保證加工質量。

目前，利用軸棱錐產生貝塞爾光束的激光加工系統具有固定的焦斑及焦深，在加工不同孔型和材料厚度時，需要更換不同的加工系統，功能單一，且加工成本高。

發明內容

為了解決現有的貝塞爾光束激光加工系統不能適用于不同孔型和材料厚度的加工問題，本發明提出了一種焦斑焦深可變貝塞爾光束加工系統及方法，對現有貝塞爾光束加工系統進行調整，得到焦斑焦深可變貝塞爾光束激光加工系統，通過該系統能夠實現加工貝塞爾光束焦斑焦深變化，實現大深徑比微孔、透明材料等多用途加工，為高精度微孔孔型制造和高質量透明材料切割等提供了保障。

本發明的技術解決方案是提供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：包括激光器及依次設置在激光器出射光路中的擴束鏡、光闌、波片、變焦透鏡、正軸棱錐和透鏡；

上述擴束鏡用于將激光器出射的光束擴展勻化；上述光闌用于濾去擴展勻化后光束的雜散光；上述波片用于調制激光偏振態；上述變焦透鏡與正軸棱錐用于產生具有目標焦斑焦深的貝塞爾光束，通過調節變焦透鏡的焦距及其與正軸棱錐之間的距離實現；上述透鏡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。

進一步地，變焦透鏡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。

進一步地，變焦透鏡與正軸棱錐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。

進一步地，該激光加工系統還包括高精密位移臺，上述變焦透鏡置于高精密位移臺上；通過高精密位移臺調節變焦透鏡與正軸棱錐之間的距離。

進一步地，該激光加工系統還包括第一反射鏡與第二反射鏡，上述第一反射鏡位于激光器與擴束鏡之間，上述第二反射鏡位于擴束鏡與光闌之間，第一反射鏡與入射光束呈45°角放置，第二反射鏡與入射光束呈45°角放置。

進一步地，上述變焦透鏡包括沿光路依次設置的負透鏡組和正透鏡組。