CN109590618B - 一种激光切割系统及方法 - Google Patents
一种激光切割系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109590618B CN109590618B CN201710900079.7A CN201710900079A CN109590618B CN 109590618 B CN109590618 B CN 109590618B CN 201710900079 A CN201710900079 A CN 201710900079A CN 109590618 B CN109590618 B CN 109590618B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- laser cutting
- axicon
- modified
- bessel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
- B23K26/38—Removing material by boring or cutting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
- B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
- B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
- B23K26/0652—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising prisms
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
本发明公开了一种激光切割系统及方法,该激光切割系统包括沿光路依次排列的:激光器,提供切割所需的脉冲激光;光束整形模块,将脉冲激光转变为改性光束和/或烧蚀光束,改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束;待切割透明材料,以及用于承载带切割透明材料的运动台。通过光束整形模块将脉冲激光转变为改性光束和/或烧蚀光束,可适应化学强化玻璃和淬火玻璃等可以自裂的透明材料以及需要烧蚀划线的普通玻璃的切割加工,提高了能量利用率及工艺适应性;改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束,能量大小不变,避免了中心光束通过非理想轴棱镜顶点后,造成的贝塞尔光束能量分布振荡的情况。
Description
技术领域
本发明涉及透明材料激光加工领域,尤其涉及一种激光切割系统及方法。
背景技术
目前,最为推崇的透明材料激光切割方法是采用光束整形元件或模块(如轴棱镜或衍射元件或非轴对称透镜等)拉伸延长光束的焦深,使得整形后的焦深是激光高斯光束聚焦后瑞利距离的数十倍甚至上百倍,再结合超快激光器短脉宽的特点,实现改性切割。
超快激光器通常是指脉宽小于10ps的脉冲激光器,单个脉冲持续时间极短,相应具有较高的峰值功率,并且在不同的能量密度下,可以根据不同的机理对材料结构带来改变。当处于改性阈值范围内,可以在材料内部通过多光子吸收效应,造成材料折射率及结构的永久性改变,也即改性切割的机理;当处于烧蚀阈值范围内,脉冲激光使得表层材料不断电离,待积聚到一定数量时以库伦爆炸的形式直接带走材料,即烧蚀切割机理。
对于化学强化玻璃或淬火玻璃,可以将整形后的长焦深光束直接聚焦到材料内部,进行改性切割,表面不产生划痕,静置片刻后,化学强化玻璃或淬火玻璃会沿切割轨迹自行裂开。而对于普通玻璃而言,如果只进行内部的改性切割,则其不能自行裂开,后续需要外加裂片流程,或者通过烧蚀切割在玻璃表面划槽方可。
光束整形方法中,通过轴棱镜1’生成的长焦深光束称为贝塞尔光束,贝塞尔光束具有中心光斑能量高,旁瓣能量低的特点,如图1所示。激光切割时,主要利用中心光斑与材料间的相互作用,并且理论上在光束传输方向上,沿径向的中心光斑直径不发生改变。因此,贝塞尔光束的能量分布均匀性优于其他方法生成的长焦深光束,成为激光改性切割的一种优选整形方案。
图2所示为现有技术中激光加工系统原理图,该专利在轴棱镜后加入了L1、L2、L3和L4具有缩放功能的光学镜组,对轴棱镜后产生的贝塞尔光束进行缩放;在光学镜组间加入了不透明的空间滤波模块B,对产生的贝塞尔光束震荡进行滤波平滑。
光路系统中之所以加入空间滤波模块,是因为理想轴棱镜和实际轴棱镜产生的贝塞尔光束存在差异。如图3a、3b所示,理想轴棱镜是指轴棱镜顶端为完全尖顶,该理想情况下,生成的贝塞尔光束在传输方向上为平滑的类高斯分布;而实际情况下,轴棱镜顶端不可能为完全尖顶,而是带一定弧度的圆顶,由此产生的贝塞尔光束不再是平滑分布,而是在光轴的垂向上发生振荡,而图3a、3b中的B模块正是为了消除这种影响被添加入光学系统中。
分析圆顶情况下产生的振荡贝塞尔光束分布,要从贝塞尔光束形成的原理着手,如图4a、4b所示。利用轴棱镜生成贝塞尔光束实际是基于平面波的干涉,透过轴棱镜的光束发生折射,并且与光轴形成的夹角都为相同的σ,假设发生干涉的光场为E1和E2,得到的干涉光强为I。而实际情况下,除了光场E1和E2,发生干涉的还有E3,得到的干涉光强为IroundTip。模型中假设的圆顶出射光束只有光轴位置的透射光,而实际情况要更为复杂,除了沿光轴传输的光束,还有沿各个方向不同位相的折射光,类似于球面波。
图5和图6为现有技术中滤波前后,轴棱镜产生的贝塞尔光束能量分布图。如图5所示,实际轴棱镜的圆顶顶点距理想轴棱镜的顶点距离越大,贝塞尔光束的振荡幅度越大,继而对切割的影响越大。如图6所示,经过滤波模块滤波后的光强分布将得到改善,滤波模块的直径越大,滤波的效果越好,光强分布越平滑,但能量的衰减也越多。在达到几乎完全平滑的效果下,光强最大值下降了近30%。
发明内容
本发明提供了一种激光切割系统及方法,以解决现有技术中存在的贝塞尔光束能量分布振荡以及能量衰减的问题。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案是:一种激光切割系统,包括沿光路依次排列的:
激光器,提供切割所需的脉冲激光;
光束整形模块,将所述脉冲激光转变为改性光束和/或烧蚀光束,所述改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束;
待切割透明材料,以及用于承载所述待切割透明材料的运动台。
进一步的,所述激光器与所述光束整形模块之间还设有光路组件。
进一步的,所述光路组件包括沿光路设置的扩束镜和第一反射镜组。
进一步的,所述光束整形模块依次包括环形光束形成组件和轴棱镜。
进一步的,所述环形光束形成组件包括依次排列的负轴棱镜和正轴棱镜,所述正、负轴棱镜的顶点角度相同,且顶点一侧相对设置。
进一步的,所述轴棱镜为正轴棱镜,且顶点一侧远离所述环形光束形成组件。
进一步的,所述光束整形模块还包括设于所述轴棱镜与待切割透明材料之间的缩放镜组。
进一步的,所述光束整形模块包括中心光线整形镜组和轴棱镜,所述中心光线整形镜组将所述脉冲激光转变为烧蚀光束。
进一步的,所述中心光线整形镜组依次包括光学延迟器件、第二反射镜组和光束聚焦模块。
进一步的,所述轴棱镜为正轴棱镜,且顶点一侧靠近所述待切割透明材料。
进一步的,所述光束整形模块还包括设于所述轴棱镜与待切割透明材料之间的缩放镜组。
进一步的,所述光束整形模块包括聚焦透镜和围设于所述聚焦透镜外周的轴棱镜,所述聚焦透镜和轴棱镜同轴设置且一体成型。
本发明还提供一种激光切割方法,包括以下步骤:
S1:激光器发射脉冲激光,投射至光束整形模块上;
S2:所述光束整形模块将所述脉冲激光转变为改性光束和/或烧蚀光束,所述改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束;
S3:通过所述改性光束和/或烧蚀光束对待切割透明材料进行切割,在切割过程中运动台带动所述待切割透明材料在X、Y、Z轴或Rz四个方向运动。
进一步的,所述步骤S1中,所述脉冲激光的脉宽小于10ps。
进一步的,所述步骤S1中,还包括所述脉冲激光通过光路组件进行准直扩束和/或折转。
进一步的,所述步骤S2中,具体为,所述脉冲激光首先通过环形光束形成组件转换为环形光束,接着通过轴棱镜形成所述贝塞尔光束。
进一步的,所述步骤S2中,具体为,所述脉冲激光中靠近中心的一部分光束通过中心光线整形镜组后形成烧蚀光束,远离中心的另一部分光束通过轴棱镜后形成所述贝塞尔光束。
进一步的,所述脉冲激光中靠近中心的一部分光束首先经过光学延迟器件进行延时,接着经过第二反射镜组折转后,经光束聚焦模块进行聚焦,以形成烧蚀光束。
进一步的,所述步骤S2中,具体为,所述脉冲激光中靠近中心的一部分光束经过光束整形模块中心的聚焦透镜后形成烧蚀光束,远离中心的另一部分光束通过位于聚焦透镜外周的轴棱镜后形成所述贝塞尔光束。
进一步的,所述步骤S2中,还包括通过缩放镜组对所述改性光束的长度进行缩放。
本发明提供的激光切割系统及方法,该激光切割系统包括沿光路依次排列的:激光器,提供切割所需的脉冲激光;光束整形模块,将所述脉冲激光转变为改性光束和/或烧蚀光束,所述改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束;待切割透明材料,以及用于承载所述带切割透明材料的运动台。通过光束整形模块将脉冲激光转变为改性光束和/或烧蚀光束,可适应化学强化玻璃和淬火玻璃等可以自裂的透明材料以及需要烧蚀划线的普通玻璃的切割加工,提高了能量利用率及工艺适应性;所述改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束,能量大小不变,避免了中心光束通过非理想轴棱镜顶点后,造成的贝塞尔光束能量分布振荡的情况,提高了激光切割的可靠性和稳定性。
附图说明
图1是现有技术中轴棱镜产生贝塞尔光束原理示意;
图2是现有技术中激光加工系统的结构示意图;
图3a、3b分别是现有技术中理想情况和实际情况下贝塞尔光束的能量分布示意图;
图4a、4b分别是理想情况下和实际情况下贝塞尔光束形成原理示意图;
图5是现有技术中滤波前轴棱镜不同圆顶情况下产生的贝塞尔光束能量分布图;
图6是现有技术中滤波后轴棱镜不同圆顶情况下产生的贝塞尔光束能量分布图;
图7是本发明实施例1中激光切割系统的结构示意图;
图8是本发明实施例1中光束整形模块结构示意图;
图9a、9b分别是环形光束通过轴棱镜后的径向和轴向光强分布三维图。
图10是本发明实施例2中激光切割系统的结构示意图;
图11a、11b分别是表面烧蚀切割的光传输仿真图和切缝仿真图;
图12是本发明实施例3中激光切割系统的结构示意图。
图1-6中所示:1’、轴棱镜;L1~L4、光学镜组;B、空间滤波模块;
图7-12中所示:100、激光器;101、101a-101b、激光高斯光束;102、环形光束;103、贝塞尔光束;104、干涉区域;105、缩放贝塞尔光束;106、烧蚀光束;107、聚焦点;200、光路组件;21、扩束镜;22、22a-22c、第一反射镜;300、光束整形模块;31、轴棱镜;32、环形光束形成组件;321、负轴棱镜;322、正轴棱镜;34、缩放镜组;35、光学延迟器件;36、36a-36b、第二反射镜;37、光束聚焦模块;38、聚焦透镜;400、待切割透明材料;500、运动台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
实施例1
如图7所示,本发明提供了一种激光切割系统,包括沿光路依次排列的:
激光器100,提供切割所需的脉冲激光,所述脉冲激光为脉宽小于10ps的超快脉冲激光,需要说明的是,该脉冲激光呈高斯分布,文中将其定义为激光高斯光束101。
光路组件200,包括沿光路设置的扩束镜21和第一反射镜组,具体的,扩束镜21用于对脉冲激光进行准直扩束,所述第一反射镜组用于折转改变激光高斯光束101的方向,包括沿光路设置的至少一个反射镜,本实施例中第一反射镜组包括三个第一反射镜22,沿光路依次为第一反射镜22a、第一反射镜22b和第一反射镜22c,当然第一反射镜组中第一反射镜22的数量可以根据系统的布局增加或减少,本文不做限定。此外,扩束镜21和第一反射镜组的位置可以互换,当激光器100与第一反射镜组之间的距离够长时,可以将扩束镜21直接置于激光器100之后,第一反射镜组之前,本实施例中,扩束镜21位于激光器100和第一反射镜22a之间;反之,可以将扩束镜21置于第一反射镜组之后。
光束整形模块300,将所述脉冲激光转变为改性光束和/或烧蚀光束,所述改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束;本实施例中,所述光束整形模块300依次包括环形光束形成组件32和轴棱镜31,如图8所示,所述环形光束形成组件32包括依次排列的负轴棱镜321和正轴棱镜322,所述正、负轴棱镜322的顶点角度相同,且顶点一侧相对设置,两者组合一起可以输出环形光束102,正、负轴棱镜的间距322、321大小决定了环形光束102的内径,正、负轴棱镜322、321的顶点角度决定了环形光束102的环厚,这种结构形成的环形光束102,能量不发生衰减。所述轴棱镜31也为正轴棱镜322,且顶点一侧远离所述环形光束形成组件32,即一个负轴棱镜321和两个正轴棱镜322构成的新的整形模块,并在轴棱镜31后方产生轴向能量不发生振荡的贝塞尔光束103,该贝塞尔光束103还形成干涉区域104,如图7所示。优选的,所述光束整形模块300还包括设于所述轴棱镜31与待切割透明材料之间的缩放镜组34,主要起到对贝塞尔光束103长度进行缩放的作用。通常轴棱镜31直接得到的光束长度达数十甚至上百毫米,而实际需要精加工的透明材料厚度往往小于1毫米,因此,需要对贝塞尔光束103的长度进行缩放。本实施例中,脉冲激光通过光束整形模块300后仅转变为改性光束,即贝塞尔光束102,用于对强化玻璃和淬火玻璃进行切割。
待切割透明材料400,可以为玻璃和蓝宝石等透明材料。
以及用于承载所述待切割透明材料400的运动台500,所述运动台500具有X/Y/Z/Rz四个自由度,即可以带动带切割透明材料400沿X、Y、Z轴或Rz四个方向运动,当然也可以根据实际需要对维度的大小适当增加或减少。
如背景技术中所述,利用轴棱镜31形成的贝塞尔光束之所以在径向有振荡,是因为从顶点输出的光发生各个方向的折射,随后再与贝塞尔光束发生干涉造成。为避免这种不期望的效应,从空间分离的角度出发,将原本会从顶点附近输出的光分离出去,仅仅使得中心轴两侧的光在折射之后发生干涉,仍然能形成贝塞尔光束。不同之处在于,形成干涉的区域由原来的轴棱镜31顶点再向前推移,推移距离取决于环形光束102的内径;而形成干涉区域的长度则取决于环形光束102的环厚。经缩放镜组34缩放后的缩放贝塞尔光束105作用于待切割透明材料400内部,通过改性切割,强化玻璃和淬火玻璃等透明材料会自行裂开,切割完成。如图9a、9b所示,分别为环形光束102通过轴棱镜31后的轴向和径向光强分布三维图。
本实施例中还提供一种如上所述激光切割系统的激光切割方法,包括以下步骤:
S1:激光器100发射脉冲激光,投射至光束整形模块300上;具体的,所述脉冲激光为脉宽小于10ps的超快脉冲激光,该脉冲激光呈高斯分布,文中定义为激光高斯光束101,该激光高斯光束101在投射至光束整形模块300之前还需通过光路组件200进行准直扩束和/或折转,该光路组件200包括沿光路设置的扩束镜21和第一反射镜组,其中,扩束镜21用于对脉冲激光进行准直扩束,第一反射镜组用于折转改变激光高斯光束101的方向,包括沿光路设置的至少一个反射镜,本实施例中第一反射镜组包括三个第一反射镜22,沿光路依次为第一反射镜22a、第一反射镜22b和第一反射镜22c,当然第一反射镜组中第一反射镜22的数量可以根据系统的布局增加或减少。此外,扩束镜21和第一反射镜组的位置可以互换,当激光器100与第一反射镜组之间的距离够长时,可以将扩束镜21直接置于激光器100之后,第一反射镜组之前;反之,可以将扩束镜21置于第一反射镜组之后。
S2:所述光束整形模块300将所述脉冲激光转变为改性光束和/或烧蚀光束,所述改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束102;具体的,本实施例中,光束整形模块300依次包括环形光束形成组件32、轴棱镜31和缩放镜组34,所述环形光束形成组件32包括依次排列的负轴棱镜321和正轴棱镜322,所述正、负轴棱镜322、321的顶点角度相同,且顶点一侧相对设置,两者组合一起可以输出环形光束102,其中,正、负轴棱镜322、321的间距大小决定了环形光束102的内径,正、负轴棱镜322、321的顶点角度决定了环形光束102的环厚,这种结构形成的环形光束,能量不发生衰减。所述轴棱镜31也为正轴棱镜322,且顶点一侧远离所述环形光束形成组件32,即一个负轴棱镜321和两个正轴棱镜322构成的新的整形模块,并在轴棱镜31后方产生轴向能量不发生振荡的贝塞尔光束103,并形成干涉区域104,最后贝塞尔光束103投射到缩放镜组34上进行长度缩放,由于通常情况下轴棱镜31直接得到的光束长度达数十甚至上百毫米,而实际需要精加工的透明材料厚度往往小于1毫米,因此,需要对贝塞尔光束103的长度进行缩放。本实施例中,脉冲激光通过光束整形模块300后仅转变为改性光束,即贝塞尔光束102,主要用于对强化玻璃和淬火玻璃进行切割。
S3:通过所述改性光束和/或烧蚀光束对待切割透明材料400进行切割,同时通过运动台500带动所述待切割透明材料400在X、Y、Z轴或Rz四个方向运动。
实施例2
如图10所示,与实施例1不同的是,本实施例中,光路组件200中的扩束镜21位于第一反射镜组之后,所述光束整形模块300包括中心光线整形镜组和轴棱镜31,所述中心光线整形镜组将所述脉冲激光转变为烧蚀光束,所述轴棱镜31为正轴棱镜,且顶点一侧靠近所述待切割透明材料400。所述脉冲激光(即激光高斯光束101)中靠近中心的一部分光束101a通过中心光线整形镜组后形成烧蚀光束,远离中心的另一部分光束101b通过轴棱镜31后形成所述贝塞尔光束103,优选的,所述中心光线整形镜组依次包括光学延迟器件35、第二反射镜组和光束聚焦模块37,所述第二反射镜组包括至少一个第二反射镜36,本实施例中,第二反射镜36包括两个,沿光路依次包括第二反射镜36a和第二反射镜36b。脉冲激光中靠近中心的一部分光束101a首先经过光学延迟器件35进行延时,接着依次经过第二反射镜36a和第二反射镜36b折转后,经光束聚焦模块37进行聚焦,以形成烧蚀光束106,且聚焦点为107。远离中心的另一部分光束101b通过轴棱镜31后形成贝塞尔光束103,也可根据实际需要在轴棱镜31后加入缩放镜组34,用于对产生的贝塞尔光束103的长度进行缩放。
其中,光束聚焦模块37和轴棱镜31非共轴设置,可以根据实际加工的需求变化,调节烧蚀光束106的垂向焦点和贝塞尔光束103的位置,以适应不同厚度待切割透明材料400的内部改性和表面烧蚀。另外,为避免表面烧蚀造成的结构变化,给传输到待切割透明材料400内部进行改性作用的光束造成不必要的折射和散射等负面效应,在加工流程上,改性光束在前,烧蚀光束106在后,以保证较佳的加工质量。这种系统结构要求激光器具备同时完成烧蚀和改性的功率。
如前所述,当待切割透明材料400为普通玻璃时,除了需要内部改性切割之外,还需在表面进行烧蚀划线或划槽,才能达到完整切割的效果。从空间分离的角度出发,将原本会从顶点附近输出的光反射分离出去,聚焦于材料表面之后,用于烧蚀切割。另外,为避免脉冲激光中的两部分光束102a、102b发生干涉,从时间分离的角度出发,通过光学延迟器件35,使两者不具备时间相干性,从而不发生干涉。这样,既避免了贝塞尔光束103的能量振荡,又完成了普通玻璃表面烧蚀切割。通过增加激光器100的总能量输出,并适当调配改性和烧蚀所需能量,则可高效完成普通玻璃的切割,如图11a、11b所示分别为表面烧蚀切割的光传输仿真图和切缝仿真图。
实施例3
如图12所示,与实施例2不同的是,本实施例中,所述光束整形模块300包括聚焦透镜38和围设于所述聚焦透镜38外周的轴棱镜31,所述聚焦透镜38和轴棱镜31同轴设置且一体成型,形状与正轴棱镜的形状近似,且顶点一侧靠近待切割透明材料400。所述脉冲激光(即激光高斯光束101)中靠近中心的一部分光束101a经过光束整形模块中心的聚焦透镜38后形成烧蚀光束106,远离中心的另一部分光束101b通过位于聚焦透镜38外周的轴棱镜31后形成所述贝塞尔光束103。具体的。脉冲激光靠近中心的一部分光102a经过聚焦透镜38后形成烧蚀光束106,并在靠近聚焦透镜38下方的顶点处形成焦点,焦点位置取决于聚焦透镜38的焦距。脉冲激光中远离中心的一部分光102b经过轴棱镜31后仍然在远离顶点处形成贝塞尔光束103,并形成干涉区域104。设计上述中部为聚焦透镜38周围为轴棱镜31结构的光束整形模块300,简化了加工系统,且使得烧蚀光束106和改性光束共轴,确保加工同步。这种系统适用于材料厚度、改性深度和烧蚀位置都确定的透明材料加工。其中聚焦透镜38的直径和焦距决定了贝塞尔光束103的作用距离和烧蚀作用的焦点位置。
综上所述,本发明提供的激光切割系统及方法,该激光切割系统包括沿光路依次排列的:激光器100,提供切割所需的脉冲激光;光束整形模块300,将所述脉冲激光转变为改性光束和/或烧蚀光束106,所述改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束103;待切割透明材料400,以及用于承载所述带切割透明材料400的运动台。通过光束整形模块300将脉冲激光转变为改性光束和/或烧蚀光束106,可适应化学强化玻璃和淬火玻璃等可以自裂的透明材料以及需要烧蚀划线的普通玻璃的切割加工,提高了能量利用率及工艺适应性;所述改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束103,能量大小不变,避免了中心光束通过非理想轴棱镜31顶点后,造成的贝塞尔光束103能量分布振荡的情况,提高了激光切割的可靠性和稳定性。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明,但这些实施方式只是作为提示,不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (20)
1.一种激光切割系统,其特征在于,包括沿光路依次排列的:
激光器,提供切割所需的脉冲激光;
光束整形模块,将所述脉冲激光转变为改性光束,或将所述脉冲激光转变为改性光束和烧蚀光束,所述改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束;
待切割透明材料,以及用于承载所述待切割透明材料的运动台。
2.根据权利要求1所述的激光切割系统,其特征在于,所述激光器与所述光束整形模块之间还设有光路组件。
3.根据权利要求2所述的激光切割系统,其特征在于,所述光路组件包括沿光路设置的扩束镜和第一反射镜组。
4.根据权利要求1所述的激光切割系统,其特征在于,所述光束整形模块依次包括环形光束形成组件和轴棱镜。
5.根据权利要求4所述的激光切割系统,其特征在于,所述环形光束形成组件包括依次排列的负轴棱镜和正轴棱镜,所述正、负轴棱镜的顶点角度相同,且顶点一侧相对设置。
6.根据权利要求4所述的激光切割系统,其特征在于,所述轴棱镜为正轴棱镜,且顶点一侧远离所述环形光束形成组件。
7.根据权利要求4所述的激光切割系统,其特征在于,所述光束整形模块还包括设于所述轴棱镜与待切割透明材料之间的缩放镜组。
8.根据权利要求1所述的激光切割系统,其特征在于,所述光束整形模块包括中心光线整形镜组和轴棱镜,所述中心光线整形镜组将所述脉冲激光转变为烧蚀光束。
9.根据权利要求8所述的激光切割系统,其特征在于,所述中心光线整形镜组依次包括光学延迟器件、第二反射镜组和光束聚焦模块。
10.根据权利要求8所述的激光切割系统,其特征在于,所述轴棱镜为正轴棱镜,且顶点一侧靠近所述待切割透明材料。
11.根据权利要求8所述的激光切割系统,其特征在于,所述光束整形模块还包括设于所述轴棱镜与待切割透明材料之间的缩放镜组。
12.根据权利要求1所述的激光切割系统,其特征在于,所述光束整形模块包括聚焦透镜和围设于所述聚焦透镜外周的轴棱镜,所述聚焦透镜和轴棱镜同轴设置且一体成型。
13.一种激光切割方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:激光器发射脉冲激光,投射至光束整形模块上;
S2:所述光束整形模块将所述脉冲激光转变为改性光束,或所述光束整形模块将所述脉冲激光转变为改性光束和烧蚀光束,所述改性光束为能量在轴向上分布平滑的贝塞尔光束;
S3:通过所述改性光束和/或烧蚀光束对待切割透明材料进行切割,在切割过程中运动台带动所述待切割透明材料在X、Y、Z轴或Rz四个方向运动。
14.根据权利要求13所述的激光切割方法,其特征在于,所述步骤S1中,所述脉冲激光的脉宽小于10ps。
15.根据权利要求13所述的激光切割方法,其特征在于,所述步骤S1中,还包括所述脉冲激光通过光路组件进行准直扩束和/或折转。
16.根据权利要求13所述的激光切割方法,其特征在于,所述步骤S2中,具体为,所述脉冲激光首先通过环形光束形成组件转换为环形光束,接着通过轴棱镜形成所述贝塞尔光束。
17.根据权利要求13所述的激光切割方法,其特征在于,所述步骤S2中,具体为,所述脉冲激光中靠近中心的一部分光束通过中心光线整形镜组后形成烧蚀光束,远离中心的另一部分光束通过轴棱镜后形成所述贝塞尔光束。
18.根据权利要求17所述的激光切割方法,其特征在于,所述脉冲激光中靠近中心的一部分光束首先经过光学延迟器件进行延时,接着经过第二反射镜组折转后,经光束聚焦模块进行聚焦,以形成烧蚀光束。
19.根据权利要求13所述的激光切割方法,其特征在于,所述步骤S2中,具体为,所述脉冲激光中靠近中心的一部分光束经过光束整形模块中心的聚焦透镜后形成烧蚀光束,远离中心的另一部分光束通过位于聚焦透镜外周的轴棱镜后形成所述贝塞尔光束。
20.根据权利要求13所述的激光切割方法,其特征在于,所述步骤S2中,还包括通过缩放镜组对所述改性光束的长度进行缩放。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201710900079.7A CN109590618B (zh) | 2017-09-28 | 2017-09-28 | 一种激光切割系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201710900079.7A CN109590618B (zh) | 2017-09-28 | 2017-09-28 | 一种激光切割系统及方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN109590618A CN109590618A (zh) | 2019-04-09 |
CN109590618B true CN109590618B (zh) | 2021-02-12 |
Family
ID=65955334
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201710900079.7A Active CN109590618B (zh) | 2017-09-28 | 2017-09-28 | 一种激光切割系统及方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN109590618B (zh) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11686889B2 (en) * | 2019-02-28 | 2023-06-27 | General Electric Company | Systems and methods for direct laser melting of metals using non-diffracting laser beams |
CN110076449A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-08-02 | 桂林电子科技大学 | 实现大深径比加工的激光头装置 |
WO2021035565A1 (en) * | 2019-08-28 | 2021-03-04 | Lumentum Operations Llc | Bessel beam with axicon for glass cutting |
DE102019123239B4 (de) * | 2019-08-29 | 2023-05-04 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum Trennen eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls |
CN111018334A (zh) * | 2019-12-28 | 2020-04-17 | 深圳中科光子科技有限公司 | 一种荧光玻璃陶瓷的激光加工方法及激光加工装置 |
CN111499172B (zh) * | 2020-04-15 | 2022-07-22 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | 一种双层玻璃的加工方法及装置 |
CN115041814A (zh) * | 2021-02-26 | 2022-09-13 | 深圳市大族半导体装备科技有限公司 | 一种脆性材料的激光加工装置及加工方法 |
CN113800759A (zh) * | 2021-10-11 | 2021-12-17 | 江苏微纳激光应用技术研究院有限公司 | 一种提高强化玻璃切割质量的切割方法及切割系统 |
CN115319275B (zh) * | 2022-10-17 | 2023-01-13 | 武汉引领光学技术有限公司 | 一种激光合束切割涂层玻璃的方法 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4885448A (en) * | 1988-10-06 | 1989-12-05 | Westinghouse Electric Corp. | Process for defining an array of pixels in a thin film electroluminescent edge emitter structure |
CN100383656C (zh) * | 2006-05-31 | 2008-04-23 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 激光脉宽控制装置 |
CN203385665U (zh) * | 2013-06-21 | 2014-01-08 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种基于双脉冲散焦预烧蚀的激光诱导击穿光谱探测系统 |
CN204185383U (zh) * | 2014-11-20 | 2015-03-04 | 苏州德龙激光股份有限公司 | 红外激光切割蓝宝石玻璃的加工装置 |
CN104816087B (zh) * | 2015-04-17 | 2016-11-30 | 温州大学 | 一种基于单光束时空特性调节的激光加工头 |
CN204975690U (zh) * | 2015-07-15 | 2016-01-20 | 武汉华工激光工程有限责任公司 | 一种产生贝塞尔激光束的装置 |
CN106994564B (zh) * | 2017-04-27 | 2019-11-26 | 东莞市盛雄激光先进装备股份有限公司 | 一种激光切割装置及其切割方法 |
-
2017
- 2017-09-28 CN CN201710900079.7A patent/CN109590618B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN109590618A (zh) | 2019-04-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109590618B (zh) | 一种激光切割系统及方法 | |
JP5520819B2 (ja) | レーザー照射を用いた材料の加工方法およびそれを行なう装置 | |
CN104570363B (zh) | 一种高斯激光束整形方法和装置及精密激光微孔加工装置 | |
US11253955B2 (en) | Multi-segment focusing lens and the laser processing for wafer dicing or cutting | |
US8035901B2 (en) | Laser scoring with curved trajectory | |
CN109963683A (zh) | 利用非球面聚焦设备和扩束器切割脆性材料的激光设备 | |
CN109641319B (zh) | 一种控制激光束在工作平面中的横向功率分布来激光加工金属材料的方法,以及用于实施所述方法的机器和计算机程序 | |
US20080067158A1 (en) | Laser-based ablation method and optical system | |
US8294062B2 (en) | Laser beam positioning systems for material processing and methods for using such systems | |
TW201434562A (zh) | 錐度控制之射束角協調及工件運動 | |
CN105081586A (zh) | 一种激光加工方法和装置 | |
KR20050032528A (ko) | 두 개의 엑시콘 렌즈를 포함하는 빔 형성 유닛 및 낮은흡광 물질로 구성된 소재 내로 방사 에너지를 유도하기위한 하나의 상기 빔 형성 유닛을 포함하는 장치 | |
EP2716397A1 (en) | Laser working head, laser working device, optical system for laser working device, laser working method, and laser focusing method | |
CN103197420B (zh) | 一种激光聚焦装置 | |
CN105891916B (zh) | 一种基于轴锥透镜与聚焦镜特性的非球面镜 | |
JP2018530437A (ja) | 機械加工装置 | |
CN104690432A (zh) | 一种精密激光切割及微孔加工装置 | |
CN110753596B (zh) | 用于对透明易碎的工件进行基于激光的分离的装置和方法 | |
US20160147075A1 (en) | Device and Method for Laser Material Processing | |
JP2019515356A (ja) | レーザ切断用ビーム形成レンズ系およびそれを備える装置 | |
CN109530913B (zh) | 一种贝塞尔光束的激光加工优化方法及系统 | |
CN108508595A (zh) | 一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统 | |
CN109693032A (zh) | 激光切割方法和装置 | |
CN113634769A (zh) | 基于高斯光束、光束整形复合光束的金属slm打印系统 | |
JP2000005892A (ja) | レーザ加工方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |