CN107052592A - 双光束激光加工系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及双光束激光加工系统及方法，激光器，输出光束；扩束单元，对激光器发出光束进行扩束并根据需要改变扩束光斑的大小；第一反射单元，将扩束后光束射入衰减模组；衰减模组，改变扩束后激光的偏振态以及将入射光分成平行方向和垂直方向的两束光；第二反射单元，将分光后的垂直方向光入射至偏光装置；偏光装置，重新汇聚两束光并使两束光分别偏移一角度；扫描单元，将光束进行聚焦。衰减模组设有三个偏振玻片，通过旋转三个偏振玻片改变分出的两方向的光的强弱，两方向光强可分别控制；偏光装置的圆楔形棱镜改变光束进入振镜的入射角度，两束光聚焦后分开一距离，同一振镜控制运行相同轨迹，同时切割两粒产品或者一个产品同时双线加工。

Description

双光束激光加工系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种双光束激光加工系统及其方法，属于激光加工技术领域。
背景技术
随着激光加工技术的发展和不断进步，客户对于激光设备的使用提出了越来越高的要求，满足客户需求的情况下，减少设备的投入；意味着资金投入的减少，同时可以节省人力、物力等资源。
目前，市场上使用的设备为一个振镜对应一套光学系统，为了提升切割效率，通常做成双振镜两套光学系统切割方式保证产量，但是设备资金投入及人力投入给企业带来了较大资金负担，同时，设备也显得较为笨重，提高设备的利用率及切割效率显得尤为关键。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种双光束激光加工系统及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
双光束激光加工系统，特点是：依光路方向设置有：
激光器，输出光束；
扩束单元，对激光器发出的光束进行扩束并根据需要改变扩束光斑的大小；
第一反射单元，将扩束后光束射入衰减模组；
衰减模组，改变扩束后激光的偏振态以及将入射光分成平行方向和垂直方向的两束光；
第二反射单元，将分光后的垂直方向光入射至偏光装置；
偏光装置，重新汇聚两束光并使两束光分别偏移一角度；
扫描单元，将光束进行聚焦。
进一步地，上述的双光束激光加工系统，其中，所述激光扩束单元为布置于激光器出射端光路上的扩束镜。
更进一步地，上述的双光束激光加工系统，其中，所述第一反射单元包含依光路方向依次布置的第一反射镜和第二反射镜。
更进一步地，上述的双光束激光加工系统，其中，所述衰减模组包含三只偏振玻片以及一只偏光立方体分光器，第一偏振玻片位于偏光立方体分光器入射光口，第二偏振玻片、第三偏振玻片分别位于偏光立方体分光器的两个出光口。
更进一步地，上述的双光束激光加工系统，其中，所述第一偏振玻片改变入射光束的偏振态，调节光束中P偏光与S偏光的比例使得两方向的光强相当，偏光立方体分光器根据光的偏振态将光分成两个互相垂直的方向出射，P偏光从平行方向出射并由第三偏振玻片再次偏振，S偏光从垂直方向出射并由第二偏振玻片再次偏振，可分别旋转第二偏振玻片、第三偏振玻片使得两个方向的光强分别至最大直至相当。
更进一步地，上述的双光束激光加工系统，其中，所述第二反射单元包含依光路方向依次布置的第三反射镜和第四反射镜。
更进一步地，上述的双光束激光加工系统，其中，所述偏光装置包含两只圆楔形棱镜和一只偏光立方体分光器，第一圆楔形棱镜和第二圆楔形棱镜分别位于偏光立方体分光器的两个入射光口，通过旋转圆楔形棱镜可改变光的角偏移方向。
更进一步地，上述的双光束激光加工系统，其中，衰减模组出来的垂直方向的光束经反射单元反射后进入第二圆楔形棱镜使光束偏移一角度，进入偏光立方体分光器；衰减模组出来的水平方向光束进入第一圆楔形棱镜并偏移同样的角度进入偏光立方体分光器，光束沿原来方向从偏光立方体分光器出射。
更进一步地，上述的双光束激光加工系统，其中，所述扫描单元包含依光路方向依次布置的振镜和场镜，偏光装置出射的两束光同时射到振镜的镜片上，由场镜聚焦至加工对象上，聚焦到加工对象的两束光斑的间距由偏光装置的圆楔形棱镜的旋转角度决定。
更进一步地，上述的双光束激光加工系统，其中，所述振镜为入光口孔径20mm以上的振镜。
更进一步地，上述的双光束激光加工系统，其中，所述激光器为窄脉宽皮秒激光器。
更进一步地，上述的双光束激光加工系统，其中，所述激光器出射端光路上设有控制开关光的光闸。
本发明双光束激光加工方法，激光器输出的光经过扩束单元将光斑进行放大，经第一反射单元反射后进入衰减模组；
衰减模组的第一偏振玻片改变入射到衰减模组的光束的偏振态，第一偏振玻片可调节光束中P偏光与S偏光的比例使得两个方向的光强相当，偏振之后的光束进入衰减模组的偏光立方体分光器，P偏光从平行方向出射并由衰减模组的第三偏振玻片再次偏振，S偏光从垂直方向出射并由衰减模组的第二偏振玻片再次偏振，分别旋转第二偏振玻片、第三偏振玻片使得两个方向的光强分别至最大直至相当；
从衰减模组出来的垂直方向的光束经第二反射单元反射后进入偏光装置的第二圆楔形棱镜并使光束偏移一角度，然后进入偏光装置的偏光立方体分光器后进入扫描单元；
从衰减模组出来的水平方向光束进入偏光装置的第一圆楔形棱镜并偏移同样的角度进入偏光装置的偏光立方体分光器，此时光束沿原来方向从偏光立方体分光器出射并进入扫描单元；
两束光同时进入扫描单元将光束进行聚焦，实现对材料的加工。
再进一步地，上述的双光束激光加工方法，其中，所述第一反射单元包含依光路方向依次布置的第一反射镜和第二反射镜，将光束反射后进入衰减模组。
再进一步地，上述的双光束激光加工方法，其中，所述第二反射单元包含依光路方向依次布置的第三反射镜和第四反射镜，将从衰减模组出来的垂直方向的光束反射后进入偏光装置的第二圆楔形棱镜。
再进一步地，上述的双光束激光加工方法，其中，所述扫描单元包含依光路方向依次布置的振镜和场镜，两束光同时进入扫描单元的振镜并打在镜片上的不同位置处，经由场镜聚焦后分别打在加工材料上，随着振镜的作用做相同的运动，实现对材料的加工。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
①激光器输出的光进入扩束镜，对光束进行扩束，放大后的光斑不会对反射镜及后续其他光学器件带来损伤；
②衰减模组设有三个偏振玻片，通过旋转三个偏振玻片来改变后面分出的两个方向的光的强弱，使得两个方向的光强可以分别控制，有利于适当调整；
③偏光装置的圆楔形棱镜改变了光束进入振镜的入射角度，使得两束光聚焦后分开一定的距离，由同一个振镜控制运行相同的轨迹，同时切割两粒产品，加工效率是传统切割方法的两倍，显著提高生产率；
④偏光装置的圆楔形棱镜的旋转角度可以分别调节，这样可以根据产品的大小来调节两束光聚焦后的距离及位置，使得两个聚焦光斑的位置可以以相同的圆周运动灵活改变；
⑤针对性强，主要满足切割小尺寸的产品要求，如指纹识别的IC、油墨玻璃盖板等，也可以用于双线加工大尺寸产品，如太阳能划片等，通过旋转第一圆楔形棱镜F1和第二圆楔形棱镜F2的角度来改变两个聚焦光斑的位置，最大间距即圆楔形棱镜旋转一周的光斑轨迹圆直径，小尺寸双片加工时最大尺寸不超过此轨迹圆直径，大尺寸加工时双线线型相同且间距不超过此轨迹圆直径。
附图说明
图1：本发明系统的结构示意图。
图中各附图标记的含义见下表：
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明具体实施方案。
如图1所示，双光束激光加工系统，依光路方向设置有：
激光器A，为窄脉宽皮秒激光器，输出光束，具有较高的重复频率；激光器A出射端光路上设有控制开关光的光闸；
扩束单元，为布置于激光器出射端光路上的扩束镜B，对激光器发出的光束进行扩束并根据需要改变扩束光斑的大小；
第一反射单元，包含依光路方向依次布置的第一反射镜C1和第二反射镜C2，将扩束后光束射入衰减模组；
衰减模组，改变扩束后激光的偏振态以及将入射光分成平行方向和垂直方向的两束光；衰减模组包含三只偏振玻片以及一只偏光立方体分光器，第一偏振玻片D1位于偏光立方体分光器E1入射光口，第二偏振玻片D2、第三偏振玻片D3分别位于偏光立方体分光器E1的两个出光口。第一偏振玻片D1改变入射光束的偏振态，调节光束中P偏光与S偏光的比例使得两方向的光强相当，即功率误差在5％以内，偏光立方体分光器E1根据光的偏振态将光分成两个互相垂直的方向出射，P偏光从平行方向出射并由第三偏振玻片D3再次偏振，S偏光从垂直方向出射并由第二偏振玻片D2再次偏振，可分别旋转第二偏振玻片D2、第三偏振玻片D3使得两个方向的光强分别至最大直至相当，即功率误差在5％以内；
第二反射单元，包含依光路方向依次布置的第三反射镜C3和第四反射镜C4，将分光后的垂直方向光入射至偏光装置；
偏光装置，重新汇聚两束光并使两束光分别偏移一角度；偏光装置包含两只圆楔形棱镜和一只偏光立方体分光器，第一圆楔形棱镜F1和第二圆楔形棱镜F2分别位于偏光立方体分光器E2的两个入射光口，通过旋转圆楔形棱镜可改变光的角偏移方向；衰减模组出来的垂直方向的光束经反射单元反射后进入第二圆楔形棱镜F2使光束偏移一角度，进入偏光立方体分光器E2；衰减模组出来的水平方向光束进入第一圆楔形棱镜F1并偏移同样的角度进入偏光立方体分光器E2，光束沿原来方向从偏光立方体分光器E2出射；
扫描单元，将光束进行聚焦；包含依光路方向依次布置的振镜G和场镜H，偏光装置出射的两束光同时射到振镜G的镜片上，无挡光或缺光现象，由场镜H聚焦至加工对象上，聚焦到加工对象的两束光斑的间距由偏光装置的圆楔形棱镜的旋转角度决定；振镜G为入光口孔径20mm以上的振镜。
上述装置用于加工时，激光器A输出的光经过扩束单元(扩束镜B)将光斑进行放大，经第一反射单元(第一反射镜C1和第二反射镜C2)反射后进入衰减模组；
衰减模组的第一偏振玻片D1改变入射到衰减模组的光束的偏振态，第一偏振玻片D1可调节光束中P偏光与S偏光的比例使得两个方向的光强相当，即功率误差在5％以内，偏振之后的光束进入衰减模组的偏光立方体分光器E1，P偏光从平行方向出射并由衰减模组的第三偏振玻片D3再次偏振，S偏光从垂直方向出射并由衰减模组的第二偏振玻片D2再次偏振，分别旋转第二偏振玻片D2、第三偏振玻片D3使得两个方向的光强分别至最大直至相当，即功率误差在5％以内；
从衰减模组出来的垂直方向的光束经第二反射单元(第三反射镜C3和第四反射镜C4)反射后进入偏光装置的第二圆楔形棱镜F2并使光束偏移一角度，然后进入偏光装置的偏光立方体分光器E2后进入扫描单元；
从衰减模组出来的水平方向光束进入偏光装置的第一圆楔形棱镜F1并偏移同样的角度进入偏光装置的偏光立方体分光器E2，此时光束沿原来方向从偏光立方体分光器E2出射并进入扫描单元；
两束光同时进入扫描单元的振镜G并打在镜片上的不同位置处，经由场镜H聚焦后分别打在加工材料上，随着振镜G的作用做相同的运动，实现对材料的加工。
可以看出，激光器输出的光进入扩束镜，对光束进行扩束，放大后的光斑不会对反射镜及后续其他光学器件带来损伤。
衰减模组设有三个偏振玻片，通过旋转三个偏振玻片来改变后面分出的两个方向的光的强弱，使得两个方向的光强可以分别控制，有利于适当调整。
偏光装置的圆楔形棱镜改变了光束进入振镜的入射角度，使得两束光聚焦后分开一定的距离，由同一个振镜控制运行相同的轨迹，同时切割两粒产品或者一个产品同时双线加工，效率是传统切割方法的两倍。
偏光装置的圆楔形棱镜的旋转角度可以分别调节，这样可以根据产品的大小来调节两束光聚焦后的距离及位置，使得两个聚焦光斑的位置可以以相同的圆周运动灵活改变。
本发明针对性较强，主要满足切割小尺寸的产品要求，如指纹识别的IC、油墨玻璃盖板等，也可以用于双线加工大尺寸产品，如太阳能划片等，通过旋转第一圆楔形棱镜F1和第二圆楔形棱镜F2的角度来改变两个聚焦光斑的位置，最大间距即圆楔形棱镜旋转一周的光斑轨迹圆直径，小尺寸双片加工时最大尺寸不超过此轨迹圆直径，大尺寸加工时双线线型相同且间距不超过此轨迹圆直径。
由于针对性较强，本发明加工效率是传统方式的两倍，显著提高了生产率。
还可用于加工玻璃、陶瓷及其他材料。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。

Claims (16)

1.双光束激光加工系统，其特征在于：依光路方向设置有：
激光器，输出光束；
扩束单元，对激光器发出的光束进行扩束并根据需要改变扩束光斑的大小；
第一反射单元，将扩束后光束射入衰减模组；
衰减模组，改变扩束后激光的偏振态以及将入射光分成平行方向和垂直方向的两束光；
第二反射单元，将分光后的垂直方向光入射至偏光装置；
偏光装置，重新汇聚两束光并使两束光分别偏移一角度；
扫描单元，将光束进行聚焦。
2.根据权利要求1所述的双光束激光加工系统，其特征在于：所述激光扩束单元为布置于激光器出射端光路上的扩束镜(B)。
3.根据权利要求1所述的双光束激光加工系统，其特征在于：所述第一反射单元包含依光路方向依次布置的第一反射镜(C1)和第二反射镜(C2)。
4.根据权利要求1所述的双光束激光加工系统，其特征在于：所述衰减模组包含三只偏振玻片以及一只偏光立方体分光器，第一偏振玻片(D1)位于偏光立方体分光器(E1)入射光口，第二偏振玻片(D2)、第三偏振玻片(D3)分别位于偏光立方体分光器(E1)的两个出光口。
5.根据权利要求4所述的双光束激光加工系统，其特征在于：所述第一偏振玻片(D1)改变入射光束的偏振态，调节光束中P偏光与S偏光的比例使得两方向的光强相当，偏光立方体分光器(E1)根据光的偏振态将光分成两个互相垂直的方向出射，P偏光从平行方向出射并由第三偏振玻片(D3)再次偏振，S偏光从垂直方向出射并由第二偏振玻片(D2)再次偏振，可分别旋转第二偏振玻片(D2)、第三偏振玻片(D3)使得两个方向的光强分别至最大直至相当。
6.根据权利要求1所述的双光束激光加工系统，其特征在于：所述第二反射单元包含依光路方向依次布置的第三反射镜(C3)和第四反射镜(C4)。
7.根据权利要求1所述的双光束激光加工系统，其特征在于：所述偏光装置包含两只圆楔形棱镜和一只偏光立方体分光器，第一圆楔形棱镜(F1)和第二圆楔形棱镜(F2)分别位于偏光立方体分光器(E2)的两个入射光口，通过旋转圆楔形棱镜可改变光的角偏移方向。
8.根据权利要求7所述的双光束激光加工系统，其特征在于：衰减模组出来的垂直方向的光束经反射单元反射后进入第二圆楔形棱镜(F2)使光束偏移一角度，进入偏光立方体分光器(E2)；衰减模组出来的水平方向光束进入第一圆楔形棱镜(F1)并偏移同样的角度进入偏光立方体分光器(E2)，光束沿原来方向从偏光立方体分光器(E2)出射。
9.根据权利要求1所述的双光束激光加工系统，其特征在于：所述扫描单元包含依光路方向依次布置的振镜(G)和场镜(H)，偏光装置出射的两束光同时射到振镜(G)的镜片上，由场镜(H)聚焦至加工对象上。
10.根据权利要求9所述的双光束激光加工系统，其特征在于：所述振镜(G)为入光口孔径20mm以上的振镜。
11.根据权利要求1所述的双光束激光加工系统，其特征在于：所述激光器为窄脉宽皮秒激光器。
12.根据权利要求1或11所述的双光束激光加工系统，其特征在于：所述激光器出射端光路上设有控制开关光的光闸。
13.权利要求1所述系统实现双光束激光加工方法，其特征在于：激光器(A)输出的光经过扩束单元将光斑进行放大，经第一反射单元反射后进入衰减模组；
衰减模组的第一偏振玻片(D1)改变入射到衰减模组的光束的偏振态，第一偏振玻片(D1)可调节光束中P偏光与S偏光的比例使得两个方向的光强相当，偏振之后的光束进入衰减模组的偏光立方体分光器(E1)，P偏光从平行方向出射并由衰减模组的第三偏振玻片(D3)再次偏振，S偏光从垂直方向出射并由衰减模组的第二偏振玻片(D2)再次偏振，分别旋转第二偏振玻片(D2)、第三偏振玻片(D3)使得两个方向的光强分别至最大直至相当；
从衰减模组出来的垂直方向的光束经第二反射单元反射后进入偏光装置的第二圆楔形棱镜(F2)并使光束偏移一角度，然后进入偏光装置的偏光立方体分光器(E2)后进入扫描单元；
从衰减模组出来的水平方向光束进入偏光装置的第一圆楔形棱镜(F1)并偏移同样的角度进入偏光装置的偏光立方体分光器(E2)，此时光束沿原来方向从偏光立方体分光器(E2)出射并进入扫描单元；
两束光同时进入扫描单元将光束进行聚焦，实现对材料的加工。
14.根据权利要求13所述的双光束激光加工方法，其特征在于：所述第一反射单元包含依光路方向依次布置的第一反射镜(C1)和第二反射镜(C2)，将光束反射后进入衰减模组。
15.根据权利要求13所述的双光束激光加工方法，其特征在于：所述第二反射单元包含依光路方向依次布置的第三反射镜(C3)和第四反射镜(C4)，将从衰减模组出来的垂直方向的光束反射后进入偏光装置的第二圆楔形棱镜(F2)。
16.根据权利要求13所述的双光束激光加工方法，其特征在于：所述扫描单元包含依光路方向依次布置的振镜(G)和场镜(H)，两束光同时进入扫描单元的振镜(G)并打在镜片上的不同位置处，经由场镜(H)聚焦后分别打在加工材料上，随着振镜(G)的作用做相同的运动，实现对材料的加工。
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