CN110181169A - 可独立控制的激光分时分光光路、激光加工系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可独立控制的激光分时分光系统，包括激光光源、至少2条分光光路和数字脉冲延时发生器；每条分光光路均包括电光调制器和偏振分束器，各分光光路依次排列；激光光源发出一定频率的激光脉冲顺次经过第一至最后一条分光光路的电光调制器和偏振分束器，由电光调制器分出部分激光脉冲从偏振分束器输出；数字脉冲延时发生器用于触发激光脉冲，设定激光脉冲的频率，以及各分光光路的电光调制器的频率和延时。本发明利用电光调制器和偏振分束器实现激光的分束的同时，各分光光路相互独立，解决了传统分光光路不能加工不同图形的问题，及分光后光路之间互相影响，加工效率低的问题。
Description
技术领域
本发明属于激光分光技术领域，具体涉及一种可独立控制的激光分时分光系统、激光加工系统及方法。
背景技术
激光的分光包括功率分光和分时分光，采用电光调制器可以对激光的频率在时间上进行分光，属于一种分时分光技术。中国发明专利CN103042305A公开了一种使用电光器件进行分时分光的方法，该方法可以将激光在频率上进行分光，但是分光后无法对两路激光的开关进行独立控制。使用这种分光光路无法加工不同的图形，使用这种分光光路加工相同的图形时，也会存在两路激光延时不同步的问题，从而会影响加工质量和加工效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种可独立控制的激光分时分光系统、激光加工系统及方法，互不影响。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种可独立控制的激光分时分光系统，其特征在于：它包括激光光源、至少2条分光光路和数字脉冲延时发生器；其中，每条分光光路均包括电光调制器和偏振分束器，各分光光路依次排列；激光光源发出一定频率的激光脉冲顺次经过第一至最后一条分光光路的电光调制器和偏振分束器，由电光调制器分出部分激光脉冲从偏振分束器输出；数字脉冲延时发生器用于触发激光脉冲，设定激光脉冲的频率，以及各分光光路的电光调制器的频率和延时。
按上述方案，所述的数字脉冲延时发生器以频率f触发激光脉冲，设定各分光光路的电光调制器的频率之和小于或等于f，且各分光光路相互之间的信号之间设有延时、使得激光脉冲没有被重复地分到分光光路中。
按上述方案，它还包括触发控制器，用于为所述的每个电光调制器提供触发信号，触发电光调制器的开关，电光调制器在触发信号和数字脉冲延时发生器的频率控制共同作用下进行分光。
按上述方案，所述的激光光源与第一条分光光路之间还设有相位延迟器。
按上述方案，本分时分光系统还包括光束截止器，设置在最后一条分光光路的后端，用于吸收没有被分出的激光脉冲。
一种激光加工系统，其特征在于：本系统包括所述的可独立控制的激光分时分光系统；每条分光光路输出的激光脉冲分别作为一条加工光路，用于激光加工，每条加工光路配有对应的用于控制加工路径和电光调制器开关的控制器；根据每条加工光路对应的激光加工时序，数字脉冲延时发生器为激光光源和各分光光路的电光调制器设定频率，同时控制器给对应加工光路的电光调制器发出触发信号。
按上述系统，数字脉冲延时发生器设定激光光源的频率为f，设定各分光光路的电光调制器的频率为f/n，n为分光光路的总条数，且在后一条分光光路相对在前一条分光光路的信号起始时间相差1个激光脉冲周期1/f。
按上述系统，所述的每条加工光路对应的加工图形相同；每个控制器给对应加工光路的电光调制器发出触发信号的周期也相同；当对应的加工光路正在加工时，控制器发出的触发信号为高电平；当对应的加工光路未在加工时，控制器发出的触发信号为低电平。
按上述系统，所述的数字脉冲延时发生器设定激光光源和各分光光路的电光调制器的频率均为f；每条加工光路对应一个加工工位，且每次只对一个加工工位进行加工；当对应的加工光路正在加工时，控制器发出的触发信号为高电平；当对应的加工光路未在加工时，控制器发出的触发信号为低电平。
按上述系统，所述的加工工位还包括电动加工平台，用以实现二维或者三维移动，带动其上的加工件按照预设的加工图形进行移动，从而完成加工。
按上述系统，每条加工光路的末端还设置有振镜扫描系统，用以将光路按照加工件预设的加工图形进行扫描加工。具体的，振镜扫描系统包括振镜和场镜。
利用所述的激光加工系统实现的激光加工方法，其特征在于：从同一个激光光源出来的激光被分配到若干分光光路中，通过数字脉冲延时发生器对激光光源和各分光光路的电光调制器设定频率，同时打标控制卡给对应加工光路的电光调制器发出触发信号，实现各分光光路的独立控制；数字脉冲延时发生器和打标控制卡的具体设定根据每条加工光路对应的激光加工时序决定。
本发明的有益效果为：利用电光调制器和偏振分束器实现激光的分束的同时，分光后各分光光路各自受到数字脉冲延时发生器对各自电光调制器的控制，相互独立，互不干扰；以此解决了传统分光方案中，分光光路不能加工不同的图形的问题，以及分光后各条光路之间互相影响而降低加工效率的问题，在充分利用激光脉冲的同时，实现各分支光路的独立控制，提高了加工效率。
附图说明
图1为本发明实施例一的分光系统结构示意图。
图2为本发明实施例一的激光加工系统结构示意图。
图3为本发明实施例一的时序逻辑图。
图4为本发明实施例一的一种激光加工系统结构示意图。
图5为本发明实施例一的另一种激光加工系统结构示意图。
图6为本发明实施例二的激光加工系统结构示意图。
图7为本发明实施例二的时序逻辑图。
图8为本发明实施例三的时序逻辑图。
图9为本发明实施例四的时序逻辑图。图中：1-激光光源，2-半波片，3-1-第一电光调制器，3-2-第二电光调制器，3-3-第三电光调制器，4-1-第一偏振分束器，4-2-第二偏振分束器，4-3-第三偏振分束器，5-光束截止器，6-1-第一分光光路激光，6-2-第二分光光路激光，6-3-第三分光光路激光，7-数字脉冲延时发生器，8-1-第一打标控制卡，8-2-第二打标控制卡，8-3-第三打标控制卡，9-1-第一电动平台，9-2-第二电动平台，10-1-第一振镜扫描系统，10-2，第二振镜扫描系统。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
实施例一：
本实施例提供一种可独立控制的激光分时分光系统，如图1所示，它包括激光光源1、半波片2、两条分光光路、光束截止器5和数字脉冲延时发生器7；其中，第一分光光路包括第一电光调制器3-1和第一偏振分束器4-1，第二分光光路包括第二电光调制器3-2和第二偏振分束器4-2，两条分光光路依次排列；激光光源发出一定频率的激光脉冲顺次经过第一电光调制器3-1、第一偏振分束器4-1、第二电光调制器3-2和第二偏振分束器4-2，由第一偏振分束器4-1输出第一分光光路激光6-1，由第二偏振分束器4-2输出第二分光光路激光6-2，最后没有被分出的激光脉冲由光束截止器5吸收；数字脉冲延时发生器7用于设定激光光源1的频率，以及第一电光调制器3-1和第二电光调制器3-2的频率和延时。本实施例中，所述的光束截止器5为挡光筒。所述的半波片2作用为调整激光的偏振方向，也可采取其它相同或类似作用的相位延迟器。
本实施例还提供一种激光加工系统及加工方法，如图2所示，本系统包括上述可独立控制的激光分时分光系统；第一分光光路激光6-1和第二分光光路激光6-2分别作为一条加工光路，用于激光加工，每条加工光路配有对应的打标控制卡，即第一打标控制卡8-1和第二打标控制卡8-2。根据每条加工光路对应的激光加工时序，数字脉冲延时发生器7触发激光光源1的激光脉冲，并设定第一电光调制器3-1和第二电光调制器3-2的频率，同时第一打标控制卡8-1给第一电光调制器3-1的开关发出触发信号，第二打标控制卡8-2给第二电光调制器3-2的开关发出触发信号。所述的打标控制卡也可由其它用于控制加工路径和电光调制器开关的控制器代替。
本实施例中，数字脉冲延时发生器7为斯坦福SRS DG535，可以输出多路脉冲延时信号，具有皮秒量级时间分辨率；打标控制卡采用RTC5。
将数字脉冲延时发生器7的T0端接到激光光源1，给激光光源1提供触发信号。将数字脉冲延时发生器7的T1、T2端分别接到在所述的第一电光调制器3-1和第二电光调制器3-2，给第一电光调制器3-1和第二电光调制器3-2输入脉冲调制信号。将第一打标控制卡8-1和第二打标控制卡8-2的信号分别接到第一电光调制器3-1和第二电光调制器3-2。
数字脉冲延时发生器以频率f触发激光脉冲，各分光光路的电光调制器的频率的设定原则为：各分光光路的电光调制器的频率之和小于或等于f，且各分光光路相互之间的信号之间设有延时、使得激光脉冲没有被重复地分到分光光路中。
本实施例中，激光脉冲的反射与透射逻辑时序如图3所示。设置激光光源1的频率为f，第一电光调制器3-1和第二电光调制器3-2的频率为f/2，同时使第一电光调制器3-1和第二电光调制器3-2的频率之间存在1/f时间差。
当第一打标控制卡8-1输出高电平，第一电光调制器3-1使激光偏振态发生变化，激光束在第一偏振分束器4-1上发生反射，第一分光光路激光6-1输出；当第一打标控制卡8-1输出低电平，激光束在第一偏振分束器4-1上发生透射，这部分透射光不受第二电光调制器3-2的影响，直接被光束截止器5所收集。当第二打标控制卡8-2输出高电平，第二电光调制器3-2使激光偏振态发生变化，激光束在第二偏振分束器4-2上发生反射，第二分光光路激光6-2输出；当第二打标控制卡8-2输出低电平，激光束在第二偏振分束器4-2上发生透射，直接被光束截止器5所收集。
参见图4，进一步的，所述的加工工位还包括电动加工平台，第一电动加工平台9-1和第二电动平台9-2分别对应相应的加工工位，用以实现二维或者三维移动，带动其上的加工件按照预设的加工图形进行移动，从而完成加工。
或者，参见图5，每条加工光路的末端还设置有振镜扫描系统，第一振镜扫描系统10-1和第二振镜扫描系统10-2分别对应相应的激光光路，用以将光路按照加工件预设的加工图形进行扫描加工。具体的，振镜扫描系统包括振镜和场镜。
第一电光调制器3-1和第二电光调制器3-2的脉冲信号相差一个脉冲周期1/f，可以分别对激光光源的脉冲序列分别进行独立的调制。分光后的两条光路可以加工相同的图形，也可以加工不同的图形。加工相同的图形时，当所加工的图形比较复杂，例如存在跳转或者漏空时，两条光路需要设置不同的延时，分光后的两路激光受到各自独立的出光信号的控制，在图形加工中不存在相互干扰。加工不同的图形时，分光后的两路激光独立地被各自的电光调制器控制，在加工过程中不存在互相干扰。
作为一种具体的应用，可以用在太阳能电池激光加工技术领域，对电池片进行背面开槽、划片、选择性激光掺杂等加工。两个电池片分别放置于相应的加工工位上，采用振镜扫描系统按照背面开槽、划片或者选择性激光掺杂的图案进行扫描，分别加工。由于光路可以分别控制，可以加工不同的图形，因此，也可以对两个电池片进行不同工序的激光加工。
实施例二：
本实施例的原理与实施例一相同，其不同之处在于：如图6所示，分光光路为3条，即：还包括由第三电光调制器3-3、第三偏振分束器4-3构成的第三分光光路，设置在第二分光光路之后，光束截止器5之前，输出第三分光光路激光6-3；数字脉冲延时发生器7也为第三电光调制器3-3设置频率，第三打标控制卡8-3为第三电光调制器3-3提供触发信号。
激光脉冲的反射与透射逻辑时序如图7所示。设置激光光源1的频率为f，第一电光调制器3-1、第二电光调制器3-2和第三电光调制器3-3的频率为f/3，同时使第一电光调制器3-1和第二电光调制器3-2的频率之间、第二电光调制器3-2和第三电光调制器3-3的频率之间，均存在1/f的时间差。
当第一打标控制卡8-1输出高电平，第一电光调制器3-1使激光偏振态发生变化，激光束在第一偏振分束器4-1上发生反射，第一分光光路激光6-1输出；当第一打标控制卡8-1输出低电平，激光束在第一偏振分束器4-1上发生透射，这部分透射光不受第二电光调制器3-2和第三电光调制器3-3的影响，直接被光束截止器5所收集。
当第二打标控制卡8-2输出高电平，第二电光调制器3-2使激光偏振态发生变化，激光束在第二偏振分束器4-2上发生反射，第二分光光路激光6-2输出；当第二打标控制卡8-2输出低电平，激光束在第二偏振分束器4-2上发生透射，这部分透射光不受第三电光调制器3-3的影响，直接被光束截止器5所收集。
当第三打标控制卡8-3输出高电平，第三电光调制器3-3使激光偏振态发生变化，激光束在第三偏振分束器4-3上发生反射，第三分光光路激光6-3输出；当第三打标控制卡8-3输出低电平，激光束在第三偏振分束器4-3上发生透射，直接被光束截止器5所收集。
相邻的两个个电光调制器的脉冲信号相差一个脉冲周期1/f，可以分别对激光器脉冲序列分别进行独立的调制。当所加工的图形比较复杂，例如存在跳转或者漏空时，三路激光受到各自独立的出光信号的控制，在图形加工中不存在相互干扰。
对于更多的n路分光，可以依照实施例一和实施例二，设置n个电光调制器和n个偏振分束器，各个脉冲信号的频率均为激光器脉冲频率的1/n，信号起始时间相对初始分别相差1、2、...、（n-1）个激光器脉冲周期，即可实现n路分时分光的独立控制。
实施例三：
本实施例的结构与实施例一相同，原理与实施例一相似，特点在于：如图8所示，第一打标控制卡8-1输出高电平，第二打标控制卡8-2输出低电平时，第一电光调制器3-1使激光偏振态发生变化，从而在第一偏振分束器4-1上发生反射，此时第一分光光路激光6-1输出，而第二分光光路激光6-2不输出。第一打标控制卡8-1输出低电平，第二打标控制卡8-2输出高电平时，第一电光调制器3-1不改变激光偏振态，激光透过第一偏振分束器4-1后，被第二电光调制器3-2调制改变偏振态，从而在第二偏振分束器4-2上发生反射，此时第二分光光路激光6-2输出，而第一分光光路激光6-1不输出。
采用本实施例时序设计，可以使光路在第一分光光路激光6-1和第二分光光路激光6-2之间快速切换，实现分时分光控制。当第一分光光路激光6-1处于工作状态时，可将第二分光光路激光6-2对应的加工工件传输到位；当第二分光光路激光6-2处于工作状态时，可将第一分光光路激光6-1对应的加工工件传输到位，由此可以节省工件传输的时间提高设备加工效率。
实施例四：
本实施例的结构与实施例三相同，原理与实施例三相似，区别在于：如图9所示，数字脉冲延时发生器7设置激光光源1、第一电光调制器3-1和第二电光调制器3-2的频率均为f。第一打标控制卡8-1输出高电平，第二打标控制卡8-2输出低电平时，第一电光调制器3-1使激光偏振态发生变化，从而在第一偏振分束器4-1上发生反射，此时第一分光光路激光6-1输出，而第二分光光路激光6-2不输出。第一打标控制卡8-1输出低电平，第二打标控制卡8-2输出高电平时，第一电光调制器3-1不改变激光偏振态，激光透过第一偏振分束器4-1后，被第二电光调制器3-2调制改变偏振态，从而在第二偏振分束器4-2上发生反射，此时第二分光光路激光6-2输出，而第一分光光路激光6-1不输出。
采用本实施例时序设计，可以在不改变激光脉冲频率的情况下，使光路在第一分光光路激光6-1和第二分光光路激光6-2之间快速切换，实现分时分光控制。当第一分光光路激光6-1处于工作状态时，可将第二分光光路激光6-2对应的加工工件传输到位；当第二分光光路激光6-2处于工作状态时，可将第一分光光路激光6-1对应的加工工件传输到位，由此可以节省工件传输的时间提高设备加工效率。
由上述4个实施例可见，通过数字脉冲延时发生器7和打标控制卡的组合控制，能够实现各种时序逻辑控制，且分光后各分光光路之间相互独立，互不干扰。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种可独立控制的激光分时分光系统，其特征在于：它包括激光光源、至少2条分光光路和数字脉冲延时发生器；其中，每条分光光路均包括电光调制器和偏振分束器，各分光光路依次排列；激光光源发出一定频率的激光脉冲顺次经过第一至最后一条分光光路的电光调制器和偏振分束器，由电光调制器分出部分激光脉冲从偏振分束器输出；数字脉冲延时发生器用于触发激光脉冲，设定激光脉冲的频率，以及各分光光路的电光调制器的频率和延时。
2.根据权利要求1所述的可独立控制的激光分时分光系统，其特征在于：所述的数字脉冲延时发生器以频率f触发激光脉冲，设定各分光光路的电光调制器的频率之和小于或等于f，且各分光光路相互之间的信号之间设有延时、使得激光脉冲没有被重复地分到分光光路中。
3.根据权利要求1或2所述的可独立控制的激光分时分光系统，其特征在于：它还包括触发控制器，用于为所述的每个电光调制器提供触发信号，电光调制器在触发信号和数字脉冲延时发生器的频率控制共同作用下进行分光。
4.根据权利要求1所述的可独立控制的激光分时分光系统，其特征在于：所述的激光光源与第一条分光光路之间还设有相位延迟器。
5.根据权利要求1所述的可独立控制的激光分时分光系统，其特征在于：本分时分光系统还包括光束截止器，设置在最后一条分光光路的后端，用于吸收没有被分出的激光脉冲。
6.一种激光加工系统，其特征在于：本系统包括权利要求1所述的可独立控制的激光分时分光光路；每条分光光路输出的激光脉冲分别作为一条加工光路，用于激光加工，每条加工光路配有对应的用于控制加工路径和电光调制器开关的控制器；根据每条加工光路对应的激光加工时序，数字脉冲延时发生器为激光光源和各分光光路的电光调制器设定频率，同时控制器给对应加工光路的电光调制器发出触发信号。
7.根据权利要求6所述的激光加工系统，其特征在于：数字脉冲延时发生器设定激光光源的频率为f，设定各分光光路的电光调制器的频率为f/n，n为分光光路的总条数，且在后一条分光光路相对在前一条分光光路的信号起始时间相差1个激光脉冲周期1/f。
8.根据权利要求7所述的激光加工系统，其特征在于：所述的每条加工光路对应的加工图形相同；每个控制器给对应加工光路的电光调制器发出触发信号的周期也相同；当对应的加工光路正在加工时，控制器发出的触发信号为高电平；当对应的加工光路未在加工时，控制器发出的触发信号为低电平。
9.根据权利要求6所述的激光加工系统，其特征在于：所述的数字脉冲延时发生器设定激光光源和各分光光路的电光调制器的频率均为f；每条加工光路对应一个加工工位，且每次只对一个加工工位进行加工；当对应的加工光路正在加工时，控制器发出的触发信号为高电平；当对应的加工光路未在加工时，控制器发出的触发信号为低电平。
10.根据权利要求6所述的激光加工系统，其特征在于：每条加工光路对应一个加工工位，每个加工工位包括电动加工平台，用以实现二维或者三维移动，带动其上的加工件按照预设的加工图形进行移动，从而完成加工。
11.根据权利要求6所述的激光加工系统，其特征在于：每条加工光路的末端还设置有振镜扫描系统，用以将光路按照加工件预设的加工图形进行扫描加工。
12.利用权利要求6所述的激光加工系统实现的激光加工方法，其特征在于：从同一个激光光源出来的激光被分配到若干分光光路中，通过数字脉冲延时发生器对激光光源和各分光光路的电光调制器设定频率，同时打标控制卡给对应加工光路的电光调制器发出触发信号，实现各分光光路的独立控制；数字脉冲延时发生器和打标控制卡的具体设定根据每条加工光路对应的激光加工时序决定。
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