CN104526160B - 一种激光加工方法及激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加工方法及激光加工系统，其中，激光加工方法包括：入射激光光源经过激光聚焦输出加热激光光束和加工激光光束；加热激光光束在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成激光热透镜/激光热透镜组；激光热透镜/激光热透镜组对加工激光光束进行准直或者近似准直，获得长加工光程光束；或者，激光热透镜/激光热透镜组对加工激光光束进一步聚焦，获得激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑；长加工光程光束或聚焦光斑对待加工材料进行激光加工。通过本发明提供的方法，能够利用热透镜效应获得比传统激光焦深更长的长加工光程光束或激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑，适合于加工较厚的透明或部分透明的脆硬材料。

Description

一种激光加工方法及激光加工系统

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种激光加工方法及激光加工系统。

背景技术

目前，对于脆硬材料的激光加工，主要有以下几种方式：从激光入射面向激光出射面切割，从激光出射面向入射面切割，从待切割材料内部切割。但是，由于每次切割的激光焦深有限，因此每次切割的效率还是不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光加工方法及激光加工系统，能够得到比传统激光焦深更长的激光加工光程或者更细小的激光聚焦光斑，适合于加工较厚或者激光破坏阈值的透明或部分透明的脆硬材料。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

依据本发明的一个方面，提供了一种激光加工方法，包括：

入射激光光源经过激光聚焦输出加热激光光束和加工激光光束；

所述加热激光光束在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成激光热透镜/激光热透镜组；

所述激光热透镜/激光热透镜组对所述加工激光光束进行准直或者近似准直，获得长加工光程光束；或者，所述激光热透镜/激光热透镜组对所述加工激光光束进一步聚焦，获得激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑；

所述长加工光程光束或更细小聚焦光斑对所述待加工材料进行激光加工，待加工材料对加工激光束对应波长的连续激光透明或者部分透明。

进一步地，所述入射激光光源为一个或多个；

当所述入射激光光源为一个时，所述加热激光光束与加工激光光束为同一波长激光光源；

当所述入射激光光源为多个时，至少一个所述入射激光光源为加热激光光束，及至少一个所述入射激光光源为加工激光光源。

进一步地，所述加热激光光束和加工激光光束为二氧化碳激光和/或紫外激光和/或半导体红外激光和/或红外激光和/或可见波段激光和/或脉宽为皮秒或飞秒量级的脉冲激光。

进一步地，所述加热激光光束在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成的激光热透镜/激光热透镜组为激光聚焦热透镜/激光聚焦热透镜组或激光发散热透镜/激光发散热透镜组或任意两者或多种的组合。

进一步地，当所述加热激光光束经过激光聚焦形成的焦点横截面为实心圆形时，该加热激光光束在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成激光聚焦热透镜/激光热透镜组；

当所述加热激光光束经过激光聚焦形成的焦点横截面为圆环形时，该加热激光光束在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成激光发散热透镜/激光发散热透镜组。

进一步地，所述加热激光光束、所述长加工光程光束或更细小聚焦光斑以及与所述加热激光光束对应的激光热透镜相对待加工材料同步运动，完成对待加工材料的激光加工。

进一步地，所述加热激光光束、所述长加工光程光束或更细小聚焦光斑以及与所述加热激光光束对应的激光热透镜相对待加工材料的同步运动由反射镜扫描或透镜扫描或移动平台或任两种或三种组合来完成。

依据本发明的另一个方面，提供了一种激光加工系统，包括：

激光聚焦模块，用于对入射激光光源进行激光聚焦，以从入射激光光源输出加热激光光束和加工激光光束；

热透镜形成模块，用于所述加热激光光束利用其在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成激光热透镜/激光热透镜组；

光束/光斑获得模块，用于利用所述激光热透镜/激光热透镜组对所述加工激光光束进行准直或者近似准直，获得长加工光程光束；或者，利用所述激光热透镜/激光热透镜组对所述加工激光光束进一步聚焦，获得激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑；

激光加工模块，用于采用所述长加工光程光束或更细小的聚焦光斑对所述待加工材料进行激光加工，待加工材料对加工激光束对应波长的连续激光透明或者部分透明。

进一步地，所述热透镜形成模块包括第一热透镜形成模块和/或第二热透镜形成模块；

所述第一热透镜形成模块，用于当所述加热激光光束经过激光聚焦形成的焦点横截面为实心圆形时，采用加热激光光束在待加工材料激光入射表面和/或内部形成激光聚焦热透镜/激光聚焦热透镜组；

所述第二热透镜形成模块，用于当所述加热激光光束经过激光聚焦形成的焦点横截面为圆环形时，采用加热激光光束在待加工材料激光入射表面和/或内部形成激光发散热透镜/激光发散热透镜。

进一步地，所述加热激光光束、所述长加工光程光束或更细小聚焦光斑以及与所述加热激光光束对应的激光热透镜相对待加工材料同步运动，完成对待加工材料的激光加工。

本发明提供的一种激光加工方法及激光加工系统，利用加热激光光束的单光子效应或多光子效应对待加工材料的快速加热特性在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成激光热透镜/激光热透镜组，形成的激光热透镜/激光热透镜组对加工激光光束准直或近似准直，获得比传统激光聚焦焦深更长的有效激光加工光程，或者，形成的激光热透镜/激光热透镜组对加工激光光束进一步聚焦，获得激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑，采用获得的长加工光程光束或更细小聚焦光斑对待加工材料进行加工，适合于加工较厚或者激光破坏阈值的透明或部分透明的脆硬材料。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种激光加工方法流程图；

图2为本发明实施例2的对蓝宝石划片进行激光加工方法示意图；

图3为本发明实施例3的对触摸屏玻璃进行激光加工方法示意图；

图4为图3中加热激光光束聚焦后形成的圆环形光斑示意图；

图5为本发明实施例4的一种激光加工方法流程图；

图6为本发明实施例5的一种激光加工系统示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、加工激光光束，2、激光聚焦模块，3、加工激光光束聚焦光束，4、加工激光光束聚焦焦点，5、加工激光光束聚焦后的发散光束，6、激光聚焦热透镜，7、长加工光程光束，8、待加工材料，9、激光发散热透镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1、一种激光加工方法，下面结合图1对本实施例提供的方法进行详细说明。

图1中，S101、入射激光光源经过激光聚焦输出加热激光光束和加工激光光束。

具体的，可以参见图2和图3，当需要对待加工材料8进行激光加工时，在待加工材料8的一定距离(沿激光光源入射方向)设置一激光聚焦模块2，比如，当激光光源从待加工材料8的上方入射时，则在待加工材料8的上方一定距离设置一激光聚焦模块2；又比如，当激光光源从待加工材料8的下方入射时，则在待加工材料8的的下方一定距离设置一激光聚焦模块2。其中，待加工材料8可以为蓝宝石、玻璃、硅片、石英或者透明塑料等；激光聚焦模块2可以是单透镜聚焦，也可以是多透镜聚焦，也可以是衍射光学元件聚焦；激光聚焦模块2也可以为平场扫描聚焦场镜，也可以是静态近轴光线聚焦镜，也可以是动态聚焦镜，也可以是自聚焦聚焦镜。

当待加工材料8与激光聚焦模块2的位置设定之后，进行激光光源入射，激光光源入射到激光聚焦模块2上，经过激光聚焦模块2的聚焦之后输出加热激光光束(在图中未标示)和加工激光光束1。其中，入射的激光光源可以为一个，当入射的激光光源为一个时，则加热激光光束与加工激光光束1为同一波长的激光光源，均可以分别为二氧化碳激光和/或紫外激光和/或半导体红外激光和/或红外激光和/或可见波段激光和/或脉宽为皮秒或飞秒量级的脉冲激光。入射的激光光源也可以为多个，当入射的激光光源为多个时，加热激光光束与加工激光光束1可以为不同的激光光源，比如，光束的传输参数不同，波长不同，激光脉冲宽度不同等。当加热激光光束与加工激光光束1为不同的激光光源时，至少一个入射激光光源为加热激光光源，及至少一个入射激光光源为加工激光光源。另外，当加热激光光束与加工激光光束1为不同的激光光源时，加热激光光束可以选择为二氧化碳激光和/或紫外激光和/或半导体红外激光和/或红外激光和/或可见波段激光，而加工激光光源1可以选择为脉宽为皮秒或飞秒量级的脉冲激光。入射的激光光源可以为单一的激光光源，也可以为组合的激光光源，可以由具体的需要进行选择，本实施例中不作限定。入射激光光源经过激光聚焦模块2聚焦后，能够输出加热激光光束(在图中未标示)和加工激光光束1。

S102、加热激光光束在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成激光热透镜/激光热透镜组。

具体的，上述步骤S101入射的激光光源经过激光聚焦模块2(经过特殊设计)输出加热激光光束(图中未标示)和加工激光光束1。输出的加热激光光束在待加工材料8激光入射表面和/或内部形成激光热透镜/激光热透镜组，其原理为：当加热激光光束经过聚焦入射到待加工材料8的表面和/或内部时，由于单光子效应或者多光子效应，待加工材料8吸收加热激光束焦点或者焦点附近的激光能量而迅速升温，在待加工材料8与加热激光束焦点空间交集的内外形成剧烈温度梯度，因而形成待加工材料热应力梯度，从而导致待加工材料的光学折射率梯度，从而形成激光热透镜/激光热透镜组。由于激光聚焦模块2经过特殊设计，可以同时在待加工材料8的激光入射表面和/或内部形成系列激光热透镜，在本实施中，形成的激光热透镜可以为激光聚焦热透镜6，也可以为激光发散热透镜9。当然，形成的激光热透镜可以为一个，也可以为多个串联的激光热透镜构成激光热透镜组。由于加工激光光束1与加热激光光束共同调制，加热激光光束可以在待加工材料8的激光入射表面和/或内部形成多个串联的聚焦激光热透镜，进而形成激光热透镜组。其中，加工激光光束1与加热激光光束共同调制形成聚焦热透镜组的机理为：加热激光光束由于光束传输后逐渐发散，一旦其光束峰值功率密度低于待加工材料8的加工阈值，那么加工激光束1也加入对待加工材料8的加热队伍，加热激光束得到加强，因此再度形成激光聚焦热透镜，如此循环，就形成聚焦热透镜组，或者加热激光束由于衍射光学元件聚焦形成多家加热激光焦点，也可以形成激光热透镜组。需要说明的是，在待加工材料8的不同的空间能够同时形成激光聚焦热透镜/激光聚焦热透镜组、激光发散热透镜/激光发散热透镜组或者上述任意组合。

S103、激光热透镜/激光热透镜组对加工激光光束进行准直或者近似准直，获得长加工光程光束；或者，激光热透镜/激光热透镜组对加工激光光束进一步聚焦，获得激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑。

具体的，上述步骤中加热激光光束在待加工材料8的入射表面和/或内部形成激光热透镜或激光热透镜组，所形成的激光热透镜或激光热透镜组对激光加工光束1进行准直或近似准直，形成一束平行或者近似平行光束，即长加工光程光束7，该长加工光程光束比传统的聚焦激光光束的焦深更长。理论上加热激光束与加工激光束1应该同轴，这样可以让加工激光束1从加热激光束在待加工材料8的表面和/或内部形成的激光热透镜的中心通过。需要说明的是，激光热透镜与对加工激光光束1的聚焦镜形成共焦点光学系统，即对加工激光束1的聚焦镜的焦点和所述激光热透镜的焦点重合或者基本重合，这样，由于激光热透镜焦距极小，所述激光热透镜准直或近似准直后的加工激光束光束直径可以维持极小，形成焦深较长的激光加工光程(即长加工光程光束7)。另外，见图2，所述激光热透镜6位于所述加工激光束1的聚焦镜的焦点4以内，即处于所述聚集加工光束3的区域，所述激光热透镜6将对所述聚焦加工光束3进一步聚焦，形成激光峰值功率密度更高的更细小的激光聚焦光斑，也就是说，当加热激光光束在待加工材料8的激光入射表面和/或内部形成激光聚焦热透镜/激光聚焦热透镜组时，激光聚焦热透镜/激光聚焦热透镜组可以对加工激光光束进一步聚焦，获得激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑。

S104、长加工光程光束或更细小的聚焦光斑对待加工材料进行激光加工，待加工材料对加工激光束对应波长的连续激光透明或者部分透明。

具体的，上述经过激光热透镜或激光热透镜组准直或近似准直后形成的长加工光程光束7或形成的更细小的聚焦光斑对待加工材料8进行激光加工。具体实现时，加热激光光束、长加工光程光束7(如上所述由加工激光光束1光束变换而来)或更细小的聚焦光斑以及与加热激光光束对应的激光热透镜相对待加工材料8同步运动，完成对待加工材料8的激光加工。其中加热激光光束、长加工光程光束7或更细小的聚焦光斑以及与加热激光光束对应的激光热透镜相对待加工材料8的同步运动由反射镜扫描或透镜扫描或移动平台或任两种或三种组合来完成。

实施例2、对蓝宝石划片进行激光加工的方法。下面结合图2对本实施例提供的方法进行详细说明。

参见图2，图2中未标注出加热激光光束，加热激光光束与加工激光光束1可以为相同或者不同的激光光源，例如光束的传输参数不同、波长不同或者激光脉冲宽度不同等。加热激光光束也经过激光聚焦模块2进行聚焦，聚焦光斑截面为实心圆，在待加工材料8激光入射表面和/或内部形成激光聚焦热透镜6。本实施例是在待加工材料8的激光入射表面形成激光聚焦热透镜6，由于热应力的原因形成激光聚焦热透镜6凸起的透镜曲面。

激光聚焦模块2可以是单透镜聚焦，也可以是多透镜聚焦，也可以是衍射光学元件聚焦；激光聚焦模块2可以是平场扫描聚焦场镜，可以是静态近轴光线聚焦镜，也可以是动态聚焦镜，总之激光聚焦模块2完成对加热激光光束和加工激光光束1的聚焦，此时理论上加热激光光束和加工激光光束1应该同轴，这样可以让加工激光光束1从加热激光光束在待加工材料表面和/或内部形成的激光聚焦热透镜6的中心通过。

图2中没有标示出加工激光光束1聚焦后的焦点4与待加工材料8之间的相对运动，本实施例的加工激光光束1聚焦后的焦点4与待加工材料8相对运动为移动平台来完成的，待加工材料8固定于移动平台(图中没有标示)上，实际上加工激光光束1聚焦后的焦点4与待加工材料8的相对运动也可以是扫描反射镜或者扫描透镜来完成，扫描透镜指透镜摆动时，经透镜透射的激光束因折射而获得扫描运动，扫描反射镜指反射镜扫描时，经反射镜反射的激光束因反射角度变化而获得扫描运动等。

图2中激光聚焦热透镜6处于待加工材料8的激光入射表面，实际上激光聚焦热透镜6也可以处于待加工材料8的内部，且由于加工激光束1与加热激光束共同调制，可以在待加工材料8内部形成多个串联的激光聚焦热透镜，形成激光热透镜组。加工激光光束1与加热激光光束共同调制形成激光聚焦热透镜组的机理是这样的：加热激光光束由于光束传输后逐渐发散，一旦其光束峰值功率密度低于待加工材料8的加工阈值，那么加工激光光束1也加入对待加工材料8的加热队伍，加热激光光束得到加强，因此再度形成激光聚焦热透镜，如此循环，就形成激光聚焦热透镜组。

本实施例中整个对蓝宝石划片进行激光加工的方法如下：加热激光光束与加工激光光束1为同一激光光源，经激光聚焦模块2聚焦，激光聚焦模块2经过特殊设计，使得同一激光光束部分能量聚焦成光斑相对大的实心圆光斑，形成聚焦加热激光光束(图2中没有标示)，聚焦于待加工材料8表面，形成凸起的激光聚焦热透镜6；另一部分能量聚焦成光斑相对小实心圆光斑，形成聚焦加工激光光束3，所述聚焦加热激光光束在待加工材料8的激光入射表面形成激光热透镜6，所述聚焦加工激光光束3聚焦于焦点4后发散得到加工激光光束发散光束5，加工激光光束发散光束5经激光聚焦热透镜6进行准直或近似准直，获得长加工光程光束7，获得的长加工光程光束7对待加工材料进行激光加工。或者，所述聚焦加工激光光束3聚焦于焦点4前经过激光聚焦热透镜6进一步聚焦，形成激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑，获得的聚焦光斑对待加工材料进行激光加工。

在本实施例中，待加工材料8为厚度为100微米的蓝宝石划片，实际上待加工材料8也可以是玻璃、石英、晶体硅或透明塑料等。

所述入射激光光源为直径优选为10毫米的入射光源,相关参数如下：激光波长1064纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率100瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率从10千赫兹至100兆赫兹，优选为1000千赫兹，脉冲宽优选10皮秒。

实施例3、对触摸屏玻璃片进行激光加工的方法。下面结合图3和图4对本实施例提供的方法进行详细描述。

参见图3，图3中没有标示出加热激光束，加热激光光束可以是与加工激光光束1相同或者不同的激光光源，例如光束传输参数不同，波长不同或激光脉冲宽度不同等。加热激光光束也经过激光聚焦模块2进行聚焦，加热激光光束聚焦成光斑截面为空心圆环，请见图4，29是低激光能量或者无激光能量区域，28为高激光能量区域，高激光能量和低激光能量是相对而言。加热激光光束在待加工材料8的激光入射表面和/或内部形成激光发散热透镜9，本实施例是在待加工材料8的激光入射表面形成激光发散热透镜9，由于热应力的原因形成激光发散热透镜9凹形的透镜曲面。需要指出，对于本实施例而言，所述激光聚焦模块2对加热激光光束的聚焦形成空心圆环的光斑，对于加工激光光束1的聚焦形成实心圆的光斑，且加工激光光束1经过激光聚焦模块1聚焦后的焦点位置(形成的是虚焦点，在图3中未标示)处于激光发散热透镜9的实焦点处或者附近。

所述激光聚焦模块2可以是单透镜聚焦，也可以是多透镜聚焦，也可以是衍射光学元件聚焦；激光聚焦模块2可以是平场扫描聚焦场镜，可以是静态近轴光线聚焦镜，也可以是动态聚焦镜，总之所述激光聚焦模块2完成对加热激光光束和加工激光光束1的聚焦，此时理论上加热激光光束和加工激光光束1应该同轴，这样可以让加工激光光束1从加热激光光束在待加工材料8的表面和/或内部形成的激光发散热透镜9的中心通过。

图3中没有标示出所述加工激光光束1聚焦后的焦点与待加工材料8之间的相对运动，本实施例加工激光光束1聚焦后的焦点与待加工材料的相对运动由移动平台来完成，所述待加工材料8固定于移动平台(图中没有标示)上。实际上加工激光光束1聚焦后的焦点与待加工材料8的相对运动也可以由扫描反射镜或者扫描透镜来完成，所述扫描透镜扫描是指透镜摆动时，经透镜透射的激光束因折射而获得扫描运动，所述扫描反射镜扫描是指反射镜扫描时，经反射镜反射的激光束因反射角度变化而获得扫描运动等。

图3中加工激光光束1的聚焦焦点(聚焦焦点为虚焦点，图3中未标示)处于待加工材料8的内部位置且处于激光发散热透镜9的实焦点处或者附近(假设没有所述激光发散热透镜9，且所述入射激光束自由传输)。

图3中所述激光发散热透镜9处于待加工材料8的表面，实际上激光发散热透镜9也可以处于待加工材料8的内部，且由于加工激光束1与加热激光束共同调制，可以在待加工材料8内部形成多个串联的激光发散热透镜，形成激光发散热透镜组。所述加工激光束1与加热激光束共同调制形成聚焦热透镜组的机理是这样的：加热激光光束由于光束传输后逐渐发散，一旦其光束峰值功率密度低于待加工材料8的加工阈值，那么加工激光光束1也加入对待加工材料8的加热队伍，加热激光光束得到加强，因此再度形成激光发散热透镜9，如此循环，就形成激光发散热透镜组。

本实施例对触摸屏玻璃进行激光加工的方法如下：加热激光光束与加工激光光束1为同一激光光源，经激光聚焦模块2聚焦，所述激光聚焦模块2经过特殊设计，使得所述同一入射激光光源部分能量聚焦成光斑相对大的空心圆环光斑，形成聚焦加热激光光束(图1中没有标示)，另一部分能量聚焦成光斑相对小实心圆光斑，形成聚焦加工激光光束3，所述聚焦加热激光光束的空心圆环焦点在待加工材料8的表面形成激光发散热透镜9，如果没有加热激光光束的作用，即没有所述激光发散热透镜9，那么所述聚焦加工激光光束3聚焦于待加工材料8内部，实心圆焦点位于激光发散热透镜9的实焦点处或者附近；由于所述激光发散热透镜9的存在，所述聚焦加工激光光束3通过所述激光发散热透镜9，形成准直或近似准直的长加工光程光束7。

所述待加工材料8为厚度700微米的触摸屏玻璃片，实际上待加工材料8也可以是玻璃、石英、晶体硅、透明塑料或蓝宝石等。

所述入射激光光源为直径优选为10毫米的入射光源,相关参数如下：激光波长355纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率50瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率从10千赫兹至100兆赫兹，优选为1000千赫兹，脉冲宽优选100皮秒。

实施例4、一种激光加工方法。下面结合图5对本实施例提供的方法进行说明。

具体的，本实施例与上述实施例1相对应，其中，入射激光光源经过激光聚焦模块2之后输出的加热激光光束和加工激光光束1为同一激光光束(为描述方便，以下称为加热/加工激光光束)，该激光光束既完成加热功能，也完成加工功能。加热/加工激光光束在待加工材料8的激光入射表面和/或内部形成激光热透镜/激光热透镜组，所形成的激光热透镜/激光热透镜组对所述加热/加工激光光束准直或近似准直，获得长加工光程光束7，或者，所形成的激光热透镜/激光热透镜组对所述加热/加工激光光束进一步聚焦，获得激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑。所形成的长加工光程光束7或形成的更细小的聚焦光斑对待加工材料进行激光加工，其中，待加工材料8对加工激光光束对应波长的连续激光透明或者部分透明。

实施例5、一种激光加工系统。下面结合图6对本实施例提供的系统进行详细说明。

图4中，本实施例提供的系统包括激光聚焦模块601、热透镜形成模块602、光束/光斑获得模块603和激光加工模块604，热透镜形成模块602还包括第一热透镜形成模块6021和/或第二热透镜形成模块6022。

其中，激光聚焦模块601主要用于对入射激光光源进行激光聚焦，以从入射激光光源输出加热激光光束和加工激光光束。

具体的，当需要对待加工材料8进行激光加工时，在待加工材料8的一定距离(沿激光入射方向)设置一激光聚焦模块2。其中，待加工材料8可以为蓝宝石、玻璃、硅片、石英或者透明塑料等材料；激光聚焦模块2可以是单透镜聚焦，也可以是多透镜聚焦，也可以是衍射光学元件聚焦；激光聚焦模块2可以为平场扫描聚焦场镜，可以是静态近轴光线聚焦镜，也可以是静态聚焦镜。

当待加工材料8与激光聚焦模块2设定之后，进行激光光源入射，激光光源经过激光聚焦模块2的聚焦之后输出加热激光光束和加工激光光束1。其中，入射的激光光源可以为一个，当入射的激光光源为一个时，则加热激光光束与加工激光光束1为同一种激光光源，均可以为二氧化碳激光和/或紫外激光和/或半导体红外激光和/或红外激光和/或可见波段激光和/或脉宽为皮秒或飞秒量级的脉冲激光。入射的激光光源也可以为多个，当入射的激光光源为多个时，加热激光光束与加工激光光束1可以为不同的激光光源。入射的激光光源可以为单一的激光光源，也可以为组合的激光光源，可以由具体的需要进行选择，本实施例中不作限定。入射激光光源经过激光聚焦模块2聚焦后，能够输出加热激光光束和加工激光光束1。

热透镜形成模块602主要用于加热激光光束利用其在待加工材料的入射表面和/或内部形成激光热透镜/激光热透镜组。

具体的，可以参见图2和图3，入射的激光光源经过激光聚焦模块2(经过特殊设计)输出激光光束和加工激光光束1。所输出的加热激光光束采用热透镜形成模块602在待加工材料8入射表面和/或内部形成激光热透镜，其原理为：当加热激光光束经过聚焦入射到待加工材料8表面和/或内部时，由于单光子效应或者多光子效应，待加工材料8吸收加热激光束焦点或者焦点附近的激光能量而迅速升温，在待加工材料8与加热激光束焦点空间交集的内外形成剧烈温度梯度，因而形成待加工材料热应力梯度，从而导致待加工材料的光学折射率梯度，从而形成激光热透镜。由于激光聚焦模块2经过特殊设计，热透镜形成模块602可以同时在待加工材料8的入射表面和/或内部同时形成两种激光热透镜，形成的激光热透镜可以为激光聚焦热透镜6，也可以为激光发散热透镜9。当然，热透镜形成模块602形成的激光热透镜可以为一个，也可以为多个串联的热透镜形成热透镜组。由于加工激光光束1与加热激光光束共同调制，加热激光光束可以采用热透镜形成模块602在待加工材料8的激光入射表面和/或内部形成多个串联的聚焦激光热透镜，进而形成激光热透镜组。其中，加工激光光束1与加热激光光束共同调制形成聚焦热透镜组的机理为：加热激光光束由于光束传输后逐渐发散，一旦其光束峰值功率密度低于待加工材料8的加工阈值，那么加工激光束1也加入对待加工材料8的加热队伍，加热激光束得到加强，因此再度形成激光聚焦热透镜，如此循环，就形成聚焦热透镜组，或者加热激光束由于衍射光学元件聚焦形成多家加热激光焦点，也可以形成激光热透镜组。需要说明的是，热透镜形成模块602还包括第一热透镜形成模块6021和/或第二热透镜形成模块6022，其中，第一热透镜形成模块6021用于当加热激光光束经过激光聚焦形成的焦点横截面为实心圆形，则采用加热激光光束在待加工材料入射表面和/或内部形成激光聚焦热透镜/激光聚焦热透镜；第二热透镜形成模块6022用于当加热激光光束经过激光聚焦形成的焦点横截面为圆环形，则采用加热激光光束在待加工材料入射表面和/或内部形成激光发散热透镜/激光发散热透镜。其中，第一热透镜模块6021和第二热透镜模块6022在待加工材料8的不同的空间能够同时形成激光聚焦热透镜/激光聚焦热透镜组、激光发散热透镜/激光发散热透镜组或者上述任意组合。

光束/光斑获得模块603主要用于利用激光热透镜对加工激光光束进行准直或者近似准直，获得长加工光程光束；或者，光束/光斑获得模块603利用激光热透镜对加工激光光束进一步聚焦，获得激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑。

具体的，加热激光光束采用热透镜形成模块602在待加工材料8的激光入射表面和/或内部形成激光热透镜或激光热透镜组，该形成的激光热透镜或激光热透镜组对激光加工光束1进行准直或近似准直，形成一束平行光束，即长加工光程光束7，该长加工光程光束7比传统的聚焦激光光束的焦深更长。另外，当加热激光光束在待加工材料8的激光入射表面和/或内部形成激光聚焦热透镜/激光聚焦热透镜组时，激光聚焦热透镜/激光聚焦热透镜组可以对加工激光光束进一步聚焦，获得激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑。

需要说明的是，理论上加热激光光束与加工激光光束1应该同轴，这样可以让加工激光光束1从加热激光光束在待加工材料8的表面和/或内部形成的激光热透镜的中心通过。

激光加工模块604主要用于采用光束/光斑获得模块603获得的长加工光程光束或更细小聚焦光斑对待加工材料进行激光加工，待加工材料对加工激光束对应波长的连续激光透明或者部分透明。

具体的，经过激光热透镜/激光热透镜组准直或近似准直后形成的长加工光程光束7或激光热透镜/激光热透镜组对加工激光光束1进一步聚焦形成的更细小聚焦光斑采用激光加工模块604对待加工材料8进行激光加工，其中，待加工材料对加工激光束对应波长的连续激光透明或者部分透明。具体实现时，加热激光光束、长加工光程光束7或更细小聚焦光斑以及与加热激光光束对应的激光热透镜相对待加工材料8同步运动，完成对待加工材料8的激光加工。其中加热激光光束、长加工光程光束7或更细小聚焦光斑以及与加热激光光束对应的激光热透镜相对待加工材料8的同步运动由反射镜扫描或透镜扫描或移动平台或任两种或三种组合来完成。

本发明提供的一种激光加工方法和激光加工系统，对于对加工激光光束透明或部分透明的待加工材料，通过加热激光光束巧妙地在待加工材料的激光入射表面和/或内部制造激光热透镜效应，利用激光热透镜效应对加工激光光束进行光束变换(即准直或近似准直)，获得比传统激光焦深较长的激光加工光程(即长加工光程光束)，且长加工光程光束的全部加工光程都处于待加工材料内部，不存在有效加工光程段激光离开待加工材料待加工部位，适合于加工较厚的透明或部分透明的脆硬材料；或者，利用激光热透镜效应对加工激光光束进一步聚焦，形成激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑，该聚焦光斑适合对较厚或者激光破坏阈值的透明或部分透明的激光破坏阈值更高的脆硬材料进行加工。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光加工方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S101、入射激光光源经过激光聚焦输出加热激光光束和加工激光光束；

步骤S102、所述加热激光光束在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成激光热透镜/激光热透镜组；

步骤S103、所述激光热透镜/激光热透镜组对所述加工激光光束进行准直或者近似准直，获得长加工光程光束；或者，所述激光热透镜/激光热透镜组对所述加工激光光束进一步聚焦，获得激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑；

步骤S104、所述长加工光程光束或更细小的聚焦光斑对所述待加工材料进行激光加工，所述待加工材料对加工激光光束对应波长的连续激光透明或者部分透明。

2.如权利要求1所述的一种激光加工方法，其特征在于，所述步骤S101中的入射激光光源为一个或多个；

当所述入射激光光源为一个时，所述加热激光光束与加工激光光束来自同一波长激光光源；

当所述入射激光光源为多个时，至少一个所述入射激光光源输出加热激光光束，及至少一个所述入射激光光源输出加工激光光束。

3.如权利要求1或2所述的一种激光加工方法，其特征在于，当所述入射激光光源为一个时，所述加热激光光束和加工激光光束为二氧化碳激光或紫外激光或红外激光或可见波段激光或脉冲激光，其中，所述脉冲激光的脉宽为皮秒量级或飞秒量级；

当所述入射激光光源为多个时，所述加热激光光束和加工激光光束为二氧化碳激光、紫外激光、红外激光、可见波段激光、脉冲激光中的任意两种或多种组合。

4.如权利要求1所述的一种激光加工方法，其特征在于，所述步骤S102中的加热激光光束在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成的激光热透镜为激光聚焦热透镜或激光发散热透镜，加热激光光束在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成的激光热透镜组为激光聚焦热透镜组或激光发散热透镜组。

5.如权利要求4所述的一种激光加工方法，其特征在于，当所述加热激光光束经过激光聚焦形成的焦点横截面为实心圆形时，该加热激光光束在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成激光聚焦热透镜/激光聚焦热透镜组；

当所述加热激光光束经过激光聚焦形成的焦点横截面为圆环形时，该加热激光光束在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成激光发散热透镜/激光发散热透镜组。

6.如权利要求1所述的一种激光加工方法，其特征在于，所述步骤S104包括：

所述加热激光光束、所述长加工光程光束以及与所述加热激光光束对应的激光热透镜均相对于待加工材料同步运动，完成对待加工材料的激光加工；或者，

所述加热激光光束、所述更细小的聚焦光斑以及与所述加热激光光束对应的激光热透镜均相对于待加工材料同步运动，完成对待加工材料的激光加工。

7.如权利要求6所述的一种激光加工方法，其特征在于，所述加热激光光束、所述长加工光程光束以及与所述加热激光光束对应的激光热透镜均相对于待加工材料同步运动由反射镜扫描、透镜扫描、移动平台中的任意一种或者两种或者三种组合来完成；或者，

所述加热激光光束、所述更细小的聚焦光斑以及与所述加热激光光束对应的激光热透镜均相对于待加工材料同步运动由反射镜扫描、透镜扫描、移动平台中的任意一种或者两种或者三种组合来完成。

8.一种激光加工系统，其特征在于，所述系统包括：

激光聚焦模块，用于对入射激光光源进行激光聚焦，以从入射激光光源输出加热激光光束和加工激光光束；

热透镜形成模块，用于利用所述加热激光光束在待加工材料的激光入射表面和/或内部形成激光热透镜/激光热透镜组；

光束/光斑获得模块，用于利用所述激光热透镜/激光热透镜组对所述加工激光光束进行准直或者近似准直，获得长加工光程光束；或者，利用所述激光热透镜/激光热透镜组对所述加工激光光束进一步聚焦，获得激光峰值功率密度更高且更细小的聚焦光斑；

激光加工模块，用于采用所述长加工光程光束或更细小的聚焦光斑对所述待加工材料进行激光加工，所述待加工材料对加工激光束对应波长的连续激光透明或者部分透明。

9.如权利要求8所述的一种激光加工系统，其特征在于，所述热透镜形成模块包括第一热透镜形成模块和/或第二热透镜形成模块；

所述第一热透镜形成模块，用于当所述加热激光光束经过激光聚焦形成的焦点横截面为实心圆形时，采用加热激光光束在待加工材料激光入射表面和/或内部形成激光聚焦热透镜/激光聚焦热透镜组；

所述第二热透镜形成模块，用于当所述加热激光光束经过激光聚焦形成的焦点横截面为圆环形时，采用加热激光光束在待加工材料激光入射表面和/或内部形成激光发散热透镜/激光发散热透镜组。

10.如权利要求8所述的一种激光加工系统，其特征在于，所述激光加工模块用于采用所述长加工光程光束或更细小聚焦光斑对所述待加工材料进行激光加工，具体包括：

所述加热激光光束、所述长加工光程光束以及与所述加热激光光束对应的激光热透镜均相对于待加工材料同步运动，完成对待加工材料的激光加工；或者，

所述加热激光光束、所述更细小的聚焦光斑以及与所述加热激光光束对应的激光热透镜均相对于待加工材料同步运动，完成对待加工材料的激光加工。