CN109702322B

CN109702322B - 一种激光多焦点切割球差矫正方法及装置

Info

Publication number: CN109702322B
Application number: CN201910130112.1A
Authority: CN
Inventors: 季凌飞; 马瑞; 燕天阳
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2039-02-21
Also published as: CN109702322A

Abstract

本发明属于激光加工技术领域，提供了一种激光多焦点切割透明材料球差矫正方法及装置，所用装置由可拆卸光阑(5a)、可移动的环形凸透镜(5b)和可移动的环形凹透镜(5c)组成。其矫正方法包括：根据多焦点激光的焦距与预切割透明材料厚度，得出预矫正球差的大小，确定光阑直径与环形透镜大小；根据折射球面的光线追迹公式与得到的预矫正球差大小，计算环形凸透镜与环形凹透镜的曲面形状；对光线进行追迹计算，确定环形凸透镜与环形凹透镜的间距，使得该透镜组引入的负球差可矫正因材料表面对入射光折射而引入的正球差。该发明能直接应用于多焦点激光切割设备上，提高现有多焦点激光切割设备的加工质量，并且可满足不同材料与厚度的加工需求。

Description

一种激光多焦点切割球差矫正方法及装置

技术领域

本发明涉及一种激光多焦点切割透明材料球差矫正方法及装置，属于激光加工技术领域。

背景技术

作为一种现代精密加工技术，激光切割以其非接触式、加工灵活、能量高度集中等优势成为目前透明硬脆性材料加工的强有力工具，已逐渐成为推动该类切割行业智能化发展的新型解决方案。但受制于激光功率、焦深及材料对激光能量吸收方式等限制，在现行激光切割工艺中，材料可切割厚度还极其有限，相关工艺解决方案也一直在探索开发中。其中，激光多焦点切割方法从技术原理而言，可以有效解决激光单焦点聚焦深度有限的问题，是目前一种颇具可行性的、用以提高透明材料激光可切割厚度的工艺解决方案。该方案在沿激光束的传播方向上形成不同焦距的多个焦点，所形成的多个同轴焦点沿材料厚度方向分布于不同位置，通过熔融、气化或电离态去除等材料分离机制，实现超过激光单焦点焦深控制切割范围的大厚度切割。

通过计算激光多焦点区域长度与焦点处的功率密度大小，可以对所切割材料厚度做出预算。但在实际工程应用中，发现存在这样的问题：实际对固体透明材料的切割厚度与最初切割厚度预算不符，往往存在较大差异，特别是进行蓝宝石、金刚石等高折射率透明材料的大厚度切割时，所切割厚度通常达不到多焦点系统的设计要求。当多焦点激光由空气入射到透明材料内部时，由于材料表面对光线的折射而引入了正球差，造成了焦点光斑的弥散，降低了焦点处的功率密度，这限制了激光多焦点切割工艺的切割能力。因此需要球差矫正装置提前引入负球差来进行矫正。

中国发明专利申请201610850924.X公布了一种多焦点激光切割装置，采用环形透镜组形成三个激光焦点，可完成夹层玻璃的切割，文中并未涉及关于激光多焦点切割的球差问题。中国发明专利申请201810088414.2采用衍射光学元件发明了一种多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，该装置的多焦点覆盖区域可在20～300微米范围内可调，文中未提及到关于激光多焦点切割厚度的问题，并且该装置也不具备球差矫正功能。华中科技大学刘朋等人采用反射镜组在KDP晶体内部形成三个焦点，完成了50mm厚的KDP晶体切割(INT J MACH TOOL MANU，2017,118-119:26-36)，文中对激光多焦点切割过程中的热影响进行分析，未对每个焦点在晶体内部的分布进行研究，没有考虑到球差对切割的影响。已有研究和专利大多专注于激光多焦点切割的系统设计与工艺优化，关于多焦点切割过程中的球差影响与解决方案尚未见报导。因此针对该问题，寻找一种激光多焦点切割球差矫正方法与装置十分必要。该问题的解决将提高激光多焦点切割的切割质量，使得实际切割厚度与预算切割厚度相匹配。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光多焦点切割透明材料球差矫正方法与装置，其装置能通过简单的装配与调节，矫正透明材料切割过程中，材料表面对入射光折射引起的正球差，使得激光多焦点切割的实际切割厚度与预算切割厚度相符。

为达上述目的，本发明提出了一种球差矫正光学装置，该装置依次包括：可更换拆卸光阑(5a)、可移动的环形凸透镜(5b)和可移动的环形凹透镜(5c)，并按照图2顺序安装。

在进行球差矫正系统的设计时，首先需要确定所要矫正的球差大小：

如图4所示，其中Δ为材料表面对入射光折射而引入的轴向球差大小，h为焦点几何聚焦深度，NA为环形光束的有效数值孔径，n为空气折射率，n’为透明材料折射率。据此计算得出每个多焦点在透明材料内部聚焦时，因材料表面折射而引入的正球差大小。根据所得的正球差大小，确定预进行球差矫正的焦点个数，确定光阑直径与透镜大小。

可拆卸光阑用于在调整负球差引入量时遮挡近轴光束，避免近轴光束的影响，结构示意图见图3。可移动的环形凸透镜和可移动的环形凹透镜的内径与光阑直径相同，外径以多焦点激光的总直径为设计依据。

凸透镜与凹透镜的曲率半径相同。凸透镜用于引入负球差，从而矫正材料表面折射而引入的正球差，通过调节凹透镜与凸透镜的间隔，可对引入的正球差大小进行调节，以适应不通过切割材料与不同切割厚度的需求。凸透镜的曲面，以及凸透镜与凹透镜的间隔，可根据光线经过球面的实际光路计算公式进行设计：

U'＝U+I-I'

如图5所示，其中I、I’分别为入射角和出射角；L、L’分别为物方截距与像方截距，U、U’分别为物方孔径角与像方孔径角；r为透镜的曲率半径。

使用上述装置，可以在多焦点激光切割过程中进行球差矫正，配合样品台的运动完成透明材料的切割，其具体过程如下：

1)加装光阑(5a)，遮挡多焦点激光束的近轴光束部分；

2)多焦点激光束的远轴光束进入环形凸透镜(5b)与环形凹透镜(5c)，根据计算所得两透镜的间距调整两透镜的距离。

3)远轴激光束聚焦在透明材料(6)中形成焦点，检测焦点光斑形状。微调环形凹透镜(5c)，改变环形凸透镜(5b)与环形凹透镜(5c)的距离；

4)重复步骤(3)，直到远轴激光束形成的焦点光斑形状为球形，表明焦点的球差得到校正。

5)拆掉光阑，多焦点激光束完全在透明材料内部聚焦，加工平台(7)移动，完成透明材料的切割。

与现有文献及发明相比，本发明的有益效果是：

1、实现了对激光多焦点切割系统在进行透明材料切割过程中的焦点球差矫正，使多焦点切割系统的实际切割厚度极限与预算切割厚度相符；

2、安装拆卸简单，无需对已有的多焦点系统进行更改，适用性强；

3、可以方便的调节引入的负球差大小，根据不同的切割厚度与切割材料进行调整。

附图说明：

图1为方法流程图

图2为装置示意图

图3为光阑、凸透镜与凹透镜结构示意图

图4为因透明材料表面对入射光折射而产生的球差示意图

图5为光线经过球面的光路示意图

图6为误差校正前2mm厚蓝宝石切面

图7为误差校正后2mm厚蓝宝石切面

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图2示出了本发明实施方式涉及的激光多焦点系统的概略构成图。从激光光源(1)出射的光束经反射镜(2)反射后，进入准直光学系统(3)，被调整为平行光，该平行激光束进入多焦点镜头后被整形为环形的能量分布，每一个环形对应一个焦点。多焦点激光束经球差矫正装置(5)后聚焦于透明材料内部。

接下来，对由透明材料表面对激光的折射而产生的球差及补偿方法进行详细说明。透明材料表面对多焦点激光束的折射如图4所示，透明材料表面引入的轴向球差为：

其中Δ为透明材料表面折射引入的轴向球差大小，h为图4中的焦点几何聚焦深度，NA为外部聚焦透镜的有效数值孔径，n为空气折射率，n’为透明材料折射率。由该式可计算预矫正的球差大小，确定光阑与环形透镜的大小。

以2mm厚蓝宝石切割为具体实例，激光源(1)采用1064nm波长的皮秒激光，经准直后入射到多焦点镜头的激光束直径为8mm。激光经多焦点镜头(4)整形后，形成21个焦点的多焦点激光束，焦点间隔25μm，中心焦点焦距为7.5mm。即8mm的激光束被分为21个环形区域，每个环形区域宽度为0.19mm。最远处焦点由最外侧环带形成，即外径为4mm，内径为3.81mm，焦距7.75mm。由该环形光束形成焦距最远的焦点，聚焦在蓝宝石内部，在进行球差计算时，需减掉环形光束内部的球差，则最远处焦点在2mm蓝宝石内部聚焦时的球差大小为：

Δ_F＝Δ_out-Δ_in

其中Δ_F为该焦点的球差大小，Δ_out与Δ_in分别为环形光束的外径光束与内径光束在蓝宝石内部聚焦时的球差。则最终可得，最外侧环形光束形成的最远焦点，当聚焦深度为2mm时，在蓝宝石内部的球差大小约为27μm，此值与入射激光的焦点大小为同一数量级，因此会明显降低多焦点激光的能量密度。同理，可获得其他20个焦点的球差大小。由于近轴光束所形成焦点的球差极小，实际应用中可以忽略，因此只需对远轴光束所形成焦点的球差进行矫正，从而简化透镜曲面的设计，同时避免对近轴光束引入过量的球差。通过对焦点功率密度的计算，决定需要对外侧10个环带形成的焦点进行球差矫正，由此确定了光阑与环形透镜的大小。

根据上述中计算得到的球差大小，设计透镜的曲面。进行光线追迹计算：

U'＝U+I-I'

如图5所示，其中I、I’分别为入射角与出射角；L、L’分别为物方截距与像方截距，U、U’分别为物方孔径角与像方孔径角；r为透镜的曲率半径。由此得出了透镜的曲率与凸透镜和凹透镜的安装间隔。

按图2顺序安装球差矫正装置，对2mm厚蓝宝石多焦点激光切割进行球差矫正，具体步骤如下：

1)加装光阑，遮挡多焦点激光束的内侧11个环带的光束；

2)多焦点激光束的外侧10个环带的光束依次进入环形凸透镜与环形凹透镜，根据计算所得两透镜的间距调整两透镜的距离。

3)远轴激光束聚焦在2mm厚蓝宝石中，检测焦点光斑形状。微调环形凹透镜，改变环形凸透镜与环形凹透镜的距离；

4)重复步骤(3)，直到远轴激光束形成的焦点光斑形状为球形，表明焦点的球差得到矫正。

5)拆掉光阑，保持环形凸透镜与环形凹透镜的位置不变，多焦点激光束的21个焦点完全在蓝宝石内部聚焦，加工平台移动，完成材料的切割。

如图6与图7所示，分别为球差矫正前与球差矫正后的2mm蓝宝石切面。本实例所用多焦点切割系统的预算切割厚度为2mm，球差矫正前无法完成2mm蓝宝石的切割，并且进行裂片时切面出现机械断裂；经球差矫正后切面较平整，切面粗糙度可达3μm，实现了2mm厚蓝宝石的切割。

Claims

1.一种激光多焦点切割球差矫正装置，其特征在于，包括：

可更换拆卸光阑，对多焦点激光的近轴光束部分进行遮挡；

可移动的环形凸透镜，对多焦点激光的远轴光束部分引入负球差，校正由于透明材料表面对入射光折射而产生的正球差；

可移动的环形凹透镜，其曲率半径与环形凸透镜的曲率半径大小相等，对由环形凸透镜引入的负球差进行微调，使得环形凸透镜引入的负球差能校正透明材料表面引入的正球差，并且通过微调环形凸透镜与环形凹透镜的间隔，满足不同透明材料与厚度的激光多焦点切割需求。

2.一种激光多焦点切割球差矫正方法，其特征在于，包括：

采用环形凸透镜与环形凹透镜组合对因透明材料表面对入射光折射而引入的正球差进行矫正；

根据多焦点激光的焦距与预切割透明材料厚度，得出预矫正球差的大小，确定光阑直径与环形凸透镜与环形凹透镜的内径大小；

根据折射球面的光线追迹公式与得到的预矫正球差大小，得出环形凸透镜与环形凹透镜的曲面形状；

对光线进行追迹计算，确定环形凸透镜与环形凹透镜的间距，使得环形凸透镜与环形凹透镜引入的负球差可矫正因透明材料表面对入射光折射而引入的正球差；

搭建球差矫正装置，对多焦点激光进行球差矫正，实现透明材料的切割。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)加装光阑，遮挡多焦点激光的近轴光束部分；

2)多焦点激光的远轴光束进入环形凸透镜与环形凹透镜，根据计算所得两透镜的间距调整环形凸透镜与环形凹透镜的距离；

3)远轴光束聚焦在透明材料(6)中形成焦点，检测焦点光斑形状；微调环形凹透镜，改变环形凸透镜与环形凹透镜的距离；

4)重复步骤(3)，直到远轴光束形成的焦点光斑形状为球形，表明焦点的球差得到校正；

5)拆掉光阑，多焦点激光完全在透明材料内部聚焦；加工平台移动，完成透明材料的切割。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：

经扩束镜准直后的激光束被多焦点镜头整形为环形分布，每个环形对应一个焦点，并在透明材料内部聚焦；多焦点镜头为衍射光学元件或带有不同焦距的环形透镜组。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：

可移动的所述环形凸透镜和环形凹透镜的内径大小，与可更换拆卸光阑的直径相等；采用环形凸透镜和环形凹透镜，只对远轴光束进行球差矫正；当检测远轴光束形成的焦点光斑形状时，光阑用于遮挡近轴光束，防止近轴光束形成的焦点影响检测。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于：

预矫正球差的计算方法为：

其中Δ为因透明材料表面对入射光折射而引入的轴向正球差大小，h为焦点几何聚焦深度，NA为环形光束的有效数值孔径，n为空气折射率，n’为透明材料折射率。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述的激光多焦点切割球差矫正方法，具体如下：

用于对远轴光束引入负球差的环形凸透镜的曲面，以及环形凸透镜与环形凹透镜的间隔，根据折射球面光线追迹公式进行设计：

U'＝U+I-I'

其中I、I’分别为入射角与出射角；L、L’分别为物方截距与像方截距，U、U’分别为物方孔径角与像方孔径角；r为透镜的曲率半径。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于：

环形凹透镜的曲率半径与环形凸透镜的曲率半径大小相等，用于对环形凸透镜引入的负球差大小进行微调，以矫正因透明材料表面对入射光折射而引入的正球差；并且通过微调环形凸透镜与环形凹透镜的间隔，满足不同透明材料与厚度的激光多焦点切割需求。