CN102653032B - 一种激光多点聚焦加工系统 - Google Patents

Abstract

一种激光多点聚焦加工系统，结构为：激光器、扩束镜、导光镜、聚焦透镜和第一、第二全反射镜依次位于同一光路上，第一全反射镜为中间开有小孔的球面或非球面镜，其曲率半径小于二个全反射镜之间最小距离的一半；工作时，第一全反射镜凹面向xy两维工作台，其光轴与激光光轴重合；小孔的中心与激光光轴重合；聚焦透镜的位置上、下可调，二个全反射镜之间的距离可调。该系统可以将激光入射到透明材料的单聚焦点转换成同光轴多聚焦点，提高被切割分离的透明脆性材料沿厚度方向上激光能吸收的均匀性，从而使透明材料沿厚度方向上受热均匀增强，沿厚度方向产生的应力差别将急剧减小，实现激光对透明脆性材料高质量、高效率、高成功率地切割分离。

Description

一种激光多点聚焦加工系统

技术领域

本发明属于激光加工应用技术领域，具体涉及一种激光多点聚焦加工系统。

背景技术

目前激光切割分离透明脆性材料(如玻璃、石英玻璃和光学玻璃等)基本上采用裂纹控制法。该方法是采用聚焦透镜将激光束聚焦在透明材料的表面或内部某处，利用透明材料对某激光束较高的吸收率(如10.6μm波段的激光束)形成表面吸收激光光能，使透明脆性材料表面加热；或利用透明脆性材料对某激光束吸收率较低的特性(如1.064μm波段的激光束)，让激光束贯穿整个透明脆性材料，形成体吸收激光光能，使透明脆性材料整体加热，产生较大的压应力。随着激光的移动，被加热处在空气的对流下冷却，产生较大的拉应力。如果该拉应力超过了材料的断裂强度，透明脆性材料将会沿着激光扫描方向产生裂纹而自动分离或在机械外力作用下分离，实现激光切割分离目的。与机械切割方法相比，激光裂纹控制法具有切缝平直、无碎屑、无显微裂纹等优点。但这种激光裂纹控制法最大缺陷是只有一个激光聚焦点。无论是面吸收还体吸收形式都会使透明脆性材料沿分离垂直的厚度上对激光能量的吸收极不均匀，从而导致沿厚度方向产生的应力差别较大。随着材料厚度的增加，激光能量吸收的不均匀性越严重。其结果很难控制热应力产生裂纹的走向，透明脆性材料沿厚度方向极易产生任意方向的裂纹而导致材料的整体炸裂。即使对较薄的透明脆性材料而言，厚度上对激光能量的不均匀吸收也会导致沿所需分离走向失控，尤其是在切割分离曲率较小的曲线轨迹的情况下。

发明内容

针对以上激光单焦点加工系统分离透明材料所存在的问题，本发明提出了一种激光多点聚焦加工系统。该系统可以将激光入射到待加工透明材料的单聚焦点转换成同光轴多聚焦点，提高透明脆性材料沿厚度方向上对激光能量吸收的均匀性，从而增强透明材料沿厚度方向上受热的均匀性，急剧减小沿厚度方向产生的应力差别，实现激光对透明脆性材料高质量、高效率、高成功率地切割分离。

本发明提供的一种激光多点聚焦加工系统，其特征在于，该系统包括激光器、扩束镜、导光镜、聚焦透镜、第一全反射镜、第二全反射镜和xy两维工作台；

激光器、扩束镜、导光镜和聚焦透镜依次位于同一光路上，组成单焦点激光加工系统；第一全反射镜、第二全反射镜依次位于聚焦透镜与xy两维工作台之间，组成多焦点衍生系统；第一全反射镜为中间开有小孔的球面或非球面全反射镜，第一全反射镜曲率半径小于第一全反射镜和第二全反射镜之间最小距离的一半；工作时，第一全反射镜凹面向xy两维工作台，第一全反射镜的光轴与激光光轴重合；小孔的中心与激光光轴重合；聚焦透镜的位置上、下可调，第一全反射镜与第二全反射镜之间的距离可调，待加工透明材料安装在第一全反射镜和第二全反射镜之间。

为了提高激光能量的利用率，可以选择小孔的直径大于入射至第一全反射镜上的光斑直径的1.1倍；也可以在第二全反射镜上镀高反膜。

本发明可以通过各种方式调节聚焦透镜的位置，以及第一全反射镜与第二全反射镜之间的距离；其中一种优选的方式是：聚焦透镜固定在第一z轴移动机构上，第一全反射镜固定在第二z轴移动机构上，第二全反射镜直接固定在xy两维工作台上；另一种优选的方式是：聚焦透镜和第一全反射镜均固定在第一z轴移动机构上，第二全反射镜放置在支撑夹具和xy两维工作台之间并固定在第三z轴移动机构上，上下移动第三z轴移动机构可调节第一全反射镜和第二全反射镜之间距离，支撑夹具的中间开有一个透光口并固定在xy两维工作台上，组成一个二维移动平台，支撑夹具用于安放待加工透明材料。

本发明中，多焦点衍生系统的组合有两种：第一种为第二全反射镜为平面或球面或非球面镜，其曲率半径大于第一焦点到第二全反射镜距离一半，第一全反射镜的曲率半径小于第一全反射镜和第二放射镜之间最小距离的一半；第二种为第二全反射镜为球面镜或非球面镜，其曲率半径小于第一焦点到第二全反射镜距离一半，第一全反射镜的曲率半径小于第一全反射镜和第二放射镜之间最小距离的一半。

本发明提供的激光多点聚焦系统的工作原理是将单焦点激光加工系统发射的单聚焦激光束通过多焦点衍生系统的第一球面或非球面反射镜的小孔聚焦在待加工透明材料某一位置。小孔直径大小根据聚焦透镜的焦距而定，原则上是要让从单焦点激光加工系统发出的激光束全部进入多焦点衍生系统，因此，小孔直径应大于入射光斑直径的1.1倍。由于透明材料对该波长激光束的吸收率较低，仅在激光焦点区域吸收较少的激光能量，而在激光发散区域几乎不吸收激光能量，因而未被吸收的大部分激光能量通过焦点后将以发散形式传播并透过该材料到达第二全反射镜(为平面或球面或非球面镜)。经第二全反射镜以发散或收敛的形式反射回透明材料，取决于第二全反射镜的曲率半径大小。

当第二全反射镜为平面或球面或非球面，其曲率半径大于第一焦点到第二全反射镜距离一半的情况时，反射激光束将以发散的形式反射回透明材料并透过待加工透明材料后到达第一全反射镜的凹面。由于此时的第一全反射镜几何形状必须为曲率半径小于第一全反射镜和第二放射镜之间最小距离的一半的球面反射镜或非球面反射镜，故使到达球面或非球面的激光束将以收敛形式被反射回透明材料，并在同一光轴上形成聚焦点。显然反射回第一全反射镜上激光光斑直径要大于第一全反射镜的小孔直径(是小孔直径2倍以上)，因此，只有极少部分激光束穿过小孔，而绝大部分激光束会被反射到透明材料中并聚焦在光轴上，而且该焦点位于入射激光聚焦点之下。同理，第二次聚焦点区域的激光束被材料吸收少量能量后会继续向前传播，依次经过第二全反射镜和待加工透明材料，再次回到第一全反射镜，然后，被再次反射到透明材料，在光轴上形成第三次聚焦。如此往复，使激光束在第一全反射镜、待加工透明材料和第二全反射镜之间往返折转，从而在透明材料沿光轴方向形成多个焦点，直至反射到第一全反射镜的激光光斑直径大于第一全反射镜直径而被逸出多焦点衍生系统。

当第二全反射镜为球面或非球面镜，其曲率半径小于第一焦点(第一焦点是指入射到多焦点衍生系统的第一个激光聚焦点)到第二全反射镜距离一半的情况时，反射激光束将以收敛的形式反射回透明材料并聚焦在透明材料光轴的某一处。激光被透明材料吸收少量能量后再次透过待加工透明材料，回到第一全反射镜收敛形式被反射到待加工透明材料。如此往复，使激光束在第一全反射镜、待加工透明材料和第二全反射镜之间往返折转，从而可在透明材料沿光轴方向可形成多个焦点。调节单焦点激光加工系统的焦距、在待加工透明材料内的焦点位置和第一全反射镜以及第二全反射镜到透明材料上下表面的距离均可以调节透明材料中衍生焦点的个数及其在透明材料中多焦点的分布。

本发明具有以下优点：

1、由于衍生焦点的位置取决于球面或非球面反射镜的焦距，从而降低了本系统对聚焦透镜具有较小的聚焦光斑和长焦深的光学系统要求。在单焦点激光加工系统采用短焦距聚焦透镜来获得较小的入射聚焦光斑直径效果，通过多焦点衍生系统衍生出各个焦点来获得长焦深的激光加工系统效果，所以该系统既有短焦距激光加工系统能量集中的优势，又有长焦距激光加工系统加工范围广的优点；

2、本发明系统是一种多焦点衍生系统，它利用多次反射原理使入射激光束在待加工透明材料多次往返并在加工材料的光轴上形成多个焦点，使待加工透明材料对激光能量的吸收效率大幅提高，从而提高激光光源的利用率和加工效率；

3、利用本系统多焦点和焦点位置分布可调特性，可以大幅度改善激光加工透明材料深度方向对激光能量的吸收的均匀性，从而大幅减小沿厚度方向产生的热应力差别，改善激光切割分离质量，使得材料切口平整、陡峭、无崩边，提高材料切割轨迹的方向的可控性，使曲率很大的圆弧也能安全高质量地切割分离。本发明尤其适合于处理脆性透明材料。

附图说明

图1为本发明提供的激光多点聚焦加工系统的结构示意图；

图2为多焦点衍生系统具体实施方式之一的工作原理示意图；

图3为多焦点衍生系统具体实施方式之二的工作原理示意图；

图4为多焦点衍生系统具体实施方式之三的工作原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的激光多点聚焦加工系统包括激光器1、扩束镜2、导光镜3、聚焦透镜4、第一全反射镜6、第二全反射镜10和xy两维工作台12。

激光器1、扩束镜2、导光镜3和聚焦透镜4依次位于同一光路上，组成单焦点激光加工系统。第一全反射镜6、第二全反射镜10依次位于聚焦透镜4与xy两维工作台12之间，第一全反射镜6为中间开有小孔5的球面或非球面全反射镜，第一全反射镜6曲率半径小于第一全反射镜和第二全反射镜之间距离的一半。小孔5的直径大小根据聚焦透镜4的焦距而定，原则上是要让从单焦点激光加工系统发出的激光束全部进入多焦点衍生系统，因此，小孔5的直径应大于入射至第一全反射镜6上的光斑直径的1.1倍。第二全反射镜10为平面镜。

待加工透明材料安装在第一全反射镜6和第二全反射镜10之间。聚焦透镜4固定在第一z轴移动机构7上，上下移动第一z轴移动机构7可调节入射的激光单焦点在透明材料中的z轴位置。第一全反射镜6固定在第二z轴移动机构11上，上下移动第二z轴移动机构11可调节第一全反射镜6和第二全反射镜10之间距离。第一全反射镜6中间小孔5中心与激光光轴重合，第一全反射镜6凹面向待加工透明材料，其光轴与激光光轴重合。待加工透明材料13固定在第二全反射镜10上。第二全反射镜10直接固定在xy两维工作台12上，由xy两维工作台12同时带动待加工透明材料13和第二全反射镜10在xy两维平面移动。

如图2所示，本发明具体实施方式之二的结构与图1所示结构基本相同，所不同的是聚焦透镜4和第一全反射镜6均固定在第一z轴移动机构7上，上下移动第一z轴移动机构7可调节入射的激光单焦点在透明材料中的z轴位置。支撑夹具8的中间开有一个透光口9并固定在xy两维工作台12上，组成一个二维移动平台。支撑夹具8用于安放待加工透明材料13。第二全反射镜10放置在支撑夹具8和xy两维工作台12之间并固定在第三z轴移动机构14上，上下移动第三z轴移动机构14可调节第一全反射镜6和第二全反射镜10之间距离。

其工作原理如图3所示，激光器1输出激光经扩束镜2扩束准直后，由导光镜3导入聚焦透镜4聚焦。聚焦后的激光束20通过第一全反射镜6的小孔射入待加工透明材料13中，形成聚焦点21。由于透明材料13对该波长激光束的吸收率较低，仅在激光焦点区域吸收较少的激光能量，而在激光发散区域几乎不吸收激光能量，因而未被吸收的大部分激光能量通过焦点后将以发散形式22传播并透过该材料到达镀有高反膜的第二全反射镜10。被全反射镜10反射激光束23将以发散的形式反射回并透过透明加工材料13后到达第一全反射镜6的凹面。由于此时的第一全反射镜几何形状为曲率半径小的球面或非球面反射镜，故使到达球面或非球面的激光束23将以收敛形式的激光束24被反射回透过透明材料，在同一光轴上形成聚焦点25。显然入射到第一全反射镜6上的绝大部分激光23束的光斑直径要大于第一全反射镜小孔5处的直径，因此，只有极少部分激光束穿过小孔，而绝大部分激光束24会被第二次反射聚焦到透明材料13中。该聚焦点25在光轴的位置要低于入射激光聚焦点21的位置。同理，第二次聚焦点25区域的激光束被材料吸收少量能量后会继续向前传播，形成激光束26，依次经过第二全反射镜10，被反射为激光束27。通过透明材料13后再次回到第一全反射镜6，然后再次被反射到透明材料，在光轴上形成第三次聚焦28。如此往复，使激光束在第一全反射镜6、待加工透明材料13和第二全反射镜10之间往返折转，从而可在透明材料13沿光轴方向形成多个焦点29、30、31...，直至反射到第一全反射镜6的激光光斑直径大于第一全反射镜6直径而被逸出多焦点衍生系统或激光能量全部被待加工透明材料13吸收。

上下移动第一z轴移动机构7或上下移动z1轴移动机构14可分别调节入射激光单焦点在透明材料中的z轴位置和第一全反射镜6与第二全反射镜10之间距离。

本发明具体实施方式之三只是将图2中的第二全反射镜10换成镀有高反膜的第二球面或非球面全反射镜15，其曲率半径小于第一焦点到第二全反射镜距离一半，并且凹面向待加工透明材料13，该结构的工作原理如图4所示。激光器1输出激光经扩束镜2扩束准直后，由导光镜3导入聚焦透镜4聚焦。聚焦后的激光束通过第一全反射镜6的小孔射入待加工透明材料13中，形成聚焦点40。由于透明材料13对该波长激光束的吸收率较低，仅在激光焦点区域吸收较少的激光能量，而在激光发散区域几乎不吸收激光能量。因而未被吸收的大部分激光能量通过焦点40后将以发散形式传播并透过该材料到达镀有高反膜的第二球面或非球面全反射镜15。由于此时的第二全反射镜几何形状为曲率半径小的球面或非球面反射镜，故使到达球面或非球面的激光束将以收敛形式被反射回透明材料13并在透明加工材料13的光轴上产生第二个聚焦点41。第二次聚焦点区域的激光束被材料吸收少量能量后会继续向前传播后到达第一镀有高反膜全反射镜6的凹面。由于第一全反射镜几何形状也是曲率半径小的球面或非球面反射镜，故使到达球面或非球面的激光束将以收敛形式反射回透过加工材料，并在同一光轴上形成第三个聚焦点42。同理，第三个聚焦点区域的激光束被材料吸收少量能量后会继续向前传播，经过第二全反射镜15后被反射并以收敛形式进入待加工透明材料13，在同一光轴上形成第四个聚焦点43。第四个聚焦点区域的激光束被透明材料吸收少量能量后会继续向前传播再次回到第一全反射镜6，然后再次被反射到透明材料，在光轴上形成第五次聚焦44。如此往复，使激光束在第一全反射镜6、待加工透明材料13和第二全反射镜15之间往返折转，从而可在透明材料沿光轴方向可形成多个焦点45、46...，直至反射到第一全反射镜6或第二全反射镜15的激光光斑直径大于第一全反射镜6或第二全反射镜15直径而被逸出多焦点衍生系统或激光能量全部被待加工透明材料13吸收。

上下移动第一z轴移动机构7或上下移动z1轴移动机构14可分别调节可调节入射的激光单焦点在透明材料中的z轴位置和第一全反射镜6与第二全反射镜15之间距离。

通过光学几何原理计算：只要在第二反射镜反射激光束是以发散的形式反射以及第一焦点到第二全反射镜的距离不小于第二全反射镜曲率半径的一半的情况下就能使反射回第一全反射镜上激光光斑直径是第一全反射镜的小孔直径的2倍以上。

实例1：

采用本发明具体实施方式之一。单焦点激光加工系统中的激光源为脉冲宽度25ns，波长为355nm，输出功率为10W，输出光斑直径为0.8mm的激光器，聚焦透镜焦距为50mm。多焦点衍生系统中的第一全反射镜为直径为60mm，镜焦距为35mm，小孔直径为1mm的球面反射镜；第二为50×100mm²的平面反射镜。待加工透明材料为石英玻璃，厚度为10mm，对355nm波长的吸收率为15％。第一全反射镜到待加工透明材料上表面距离为40mm，第二全反射镜离材料下表面8mm。工作台移动速度为1mm每秒。实验结果：该系统在距离材料表面1.7mm处产生第一个激光焦点，在距离材料表面3.2mm处产生第二个激光焦点，在距离材料表面4.6mm处产生第三个焦点，以及在距离材料表面6mm至9.5mm等处产生多个焦点。激光焦点在材料内部分布均匀，切割深度贯穿整个材料，切口平整陡峭，无崩边现象，并能切割一定曲率的弧线。

实例2：

采用本发明具体实施方式之二。单焦点激光加工系统中的激光源为脉冲宽度为100ns，波长为1064nm，输出功率为50W，输出光斑直径为2.5mm的激光器，聚焦透镜焦距为60mm。多焦点衍生系统中的第一全反射镜为直径为60mm，镜焦距为48.5mm的非球面反射镜。第二全反射镜为宽为50mm、长为400mm的平面反射镜。聚焦透镜到第一全反射镜的距离为23mm，第一全反射镜小孔直径为2mm。待加工透明材料的厚度为100mm的光学透明材料，对1064nm波长的吸收率为5％。第一全反射镜到待加工透明材料上表面距离为30mm，材料下表到第二全反射镜距离为10mm。工作台移动速度为1mm每秒。实验结果：该系统在距离材料表面10mm处产生第一个激光焦点，在距离材料表面60mm处产生第二个激光焦点，在距离材料表面77mm处产生第三个焦点，以及在距离材料表面86mm、93mm处产生多个焦点。激光焦点在材料内部分布均匀，切割深度贯穿整个材料，切口平整陡峭，无崩边现象，并能切割一定曲率的弧线。

实例3：

采用本发明具体实施方式之三。单焦点激光加工系统中的激光源为脉冲宽度为50ns，波长为532nm，输出功率为25W，输出光斑直径为1.5mm的激光器，聚焦透镜焦距为70mm。多焦点衍生系统中的第一全反射镜为直径为60mm，镜焦距为48.5mm的球面反射镜，小孔直径为2mm；第二为非球面反射镜，焦距为200mm。待加工透明材料为水晶玻璃，厚度为100mm，对1064nm波长的吸收率为7％。第一全反射镜到待加工透明材料上表面距离为30mm，第二全反射镜离材料下表面10mm。工作台移动速度为1mm每秒。实验结果：该系统在距离材料表面20mm处产生第一个激光焦点，在距离材料表面95mm处产生第二个激光焦点，在距离材料表面53mm处产生第三个焦点，以及在距离材料表面60mm至80mm等处产生多个焦点。激光焦点在材料内部分布均匀，切割深度贯穿整个材料，切口平整陡峭，无崩边现象，并能切割一定曲率的弧线。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种激光多点聚焦加工系统，其特征在于，该系统包括激光器(1)、扩束镜(2)、导光镜(3)、聚焦透镜(4)、第一全反射镜(6)、第二全反射镜(10)和xy两维工作台(12)；

激光器(1)、扩束镜(2)、导光镜(3)和聚焦透镜(4)依次位于同一光路上，第一全反射镜(6)、第二全反射镜(10)依次位于聚焦透镜(4)与xy两维工作台(12)之间，第一全反射镜(6)为中间开有小孔(5)的球面或非球面全反射镜，第一全反射镜(6)曲率半径小于第一全反射镜和第二全反射镜之间最小距离的一半；工作时，第一全反射镜(6)凹面向xy两维工作台(12)，第一全反射镜的光轴与激光光轴重合；小孔(5)的中心与激光光轴重合；聚焦透镜(4)的位置上、下可调，第一全反射镜(6)与第二全反射镜(10)之间的距离可调，待加工透明材料(13)安装在第一全反射镜(6)和第二全反射镜(10)之间；

第二全反射镜(10)为平面或球面或非球面镜，其曲率半径大于第一焦点到第二全反射镜(10)距离一半，第一全反射镜(6)的曲率半径小于第一全反射镜(6)和第二反射镜(10)之间最小距离的一半。

2.根据权利要求1所述的激光多点聚焦加工系统，其特征在于，小孔(5)的直径大于入射至第一全反射镜(6)上的光斑直径的1.1倍。

3.根据权利要求1所述的激光多点聚焦加工系统，其特征在于，第二全反射镜(10)镀有高反膜。

4.根据权利要求1至3中任一所述的激光多点聚焦加工系统，其特征在于，聚焦透镜(4)固定在第一z轴移动机构(7)上，第一全反射镜(6)固定在第二z轴移动机构(11)上，第二全反射镜(10)直接固定在xy两维工作台(12)上。

5.根据权利要求1至3中任一所述的激光多点聚焦加工系统，其特征在于，聚焦透镜(4)和第一全反射镜(6)均固定在第一z轴移动机构(7)上，第二全反射镜(10)放置在支撑夹具(8)和xy两维工作台(12)之间并固定在第三z轴移动机构(14)上，上下移动第三z轴移动机构(14)可调节第一全反射镜(6)和第二全反射镜(10)之间距离，支撑夹具(8)的中间开有一个透光口(9)并固定在xy两维工作台(12)上，组成一个二维移动平台，支撑夹具(8)用于安放待加工透明材料(13)。