CN112045302B - 一种激光多焦点和焦线组合加工系统及加工方法 - Google Patents

一种激光多焦点和焦线组合加工系统及加工方法 Download PDF

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本发明公开了一种激光多焦点和焦线组合加工系统及加工方法，包括用于产生激光的激光器，激光器产生的激光依次通过光束形态调控组件、第一反射镜后入射到可编程衍射光学器件上；经过可编程衍射光学器件的出射光依次经过第一透镜、第二反射镜、空间滤波器、第三反射镜、第二透镜后入射到翻转镜；翻转镜可自由转动，使得激光束经由第一聚焦组件入射至光斑能量反馈组件，或经由第二聚焦组件入射至被加工样品上，还包括分别与可编程衍射光学器件、光斑能量反馈组件、翻转镜和三维运动工作台电连接的控制终端。本发明的激光多焦点和焦线组合加工系统和加工方式，加工效率高、适应性广、满足复杂三维加工的需求，同时能实现焦线长度和焦线位置的可调性。

Description

一种激光多焦点和焦线组合加工系统及加工方法
技术领域
本发明属于激光加工的技术领域，更具体涉及一种激光多焦点和焦线组合加工系统及加工方法。
背景技术
由于激光加工是一种非接触式的加工方式，具有功率大、加工精度高、加工速度快、无机械损伤等特点，适用于多种材料的加工。激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小，因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。然而，但对于一些特殊材料的加工(例如玻璃切割、晶圆切割、OLED、柔性电路板等)，尤其以3C产业为代表的加工领域，目前，商用的超快激光在加工时的能量利用率非常低，从而加工效率低下，加工时间过长，成本过高。为了提高能量利用率，现在商用大部分使用DOE分光的方式进行加工，但这种分光方式灵活性差，在加工过程中多光束的位置、能量分布等参数不能改变，满足不了现在的大部分应用。为了提高灵活性，研究者们尝试用可编程衍射光学器件空间光调制器进行分束实现多焦点并行加工，但由于空间光调制器空间频率的限制，多焦点的最小间距存在极限，且多焦点之间的串扰，导致各焦点的能量很难准确控制，因此，在进行激光精密切割或裂片中，当需要焦点数量多且间距小时，这种方法存在局限性。
利用贝塞尔光束的线焦特性进行激光加工，与高斯光束相比，贝塞尔光束具有极长的焦深，近年来在激光加工等领域引起了人们的广泛关注，且目前主要用轴锥镜产生贝塞尔光束，但这种方法只适用于轴向线加工的场合，对于有不同方向和位置加工需求时，则难以满足。
目前还没有同时具备多焦点和焦线特性的加工系统和加工方法。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供了一种激光多焦点和焦线组合加工系统及加工方法，加工效率高、适应性广、满足复杂三维加工的需求，同时能实现焦线长度和焦线位置的可调性。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
本发明的激光多焦点和焦线组合加工系统，包括用于产生激光的激光器，所述激光器产生的激光依次通过光束形态调控组件、第一反射镜后入射到可编程衍射光学器件上；经过所述可编程衍射光学器件的出射光依次经过第一透镜、第二反射镜、空间滤波器、第三反射镜、第二透镜后入射到翻转镜；所述翻转镜可自由转动，使得激光束经由第一聚焦组件入射至光斑能量反馈组件，或经由第二聚焦组件入射至三维运动工作台上的被加工样品上，还包括：控制终端，分别与所述可编程衍射光学器件、光斑能量反馈组件、翻转镜和三维运动工作台电连接；所述可编程衍射光学器件用于模拟可变焦线透镜，所述控制终端生成由轴锥镜和菲涅尔透镜对应相位模型叠加而成的相位全息图，且将所述全息图加载至所述可编程衍射光学器件上，通过改变轴锥镜和菲涅尔透镜参数，可以实现焦线长度和位置的调控。
进一步的，所述控制终端根据所述可编程衍射光学器件的特性生成输出多焦点的全息图；所述可编程衍射光学器件接收激光器输出的激光束，根据所述全息图生成多束激光束。
优选的，所述光斑能量反馈组件接收激光束，依次采集焦点在不同空间位置的所有激光束的激光参数信息；所述控制终端还用于多焦点能量精准控制，在已有产生多光束的全息图的基础上，叠加具有焦点偏移功能的菲涅尔透镜相位全息图，组合成焦点可变的复合透镜全息图，将所述焦点可变的复合透镜全息图加载至所述可编程衍射光学器件中，根据每个焦点目标位置，调节菲涅尔透镜的参数，将对应激光束的焦点调节至所述光斑能量反馈组件所在平面上，将对应焦点的能量采集反馈到控制终端，形成闭环控制。
优选的，所述光束形态调控组件由扩束镜、半玻片和偏振分光棱镜组成，用于对入射光束的直径、偏振方向和能量进行调控，使得光束与所述可编程衍射光学器件进行匹配。
进一步的，所述翻转镜为电动翻转镜，所述控制终端控制所述电动翻转镜转动，以使得多束激光束在入射至所述光斑能量反馈组件与入射至所述被加工样品之间进行光路切换。
进一步的，所述空间滤波器用于改善多焦点和焦线加工质量和效率。
相应的，本发明的激光多焦点和焦线组合加工方法，其步骤是：
A、根据被加工样品的加工要求，确定工艺方案，划分多焦点和焦线分别加工的位置；
B、根据多焦点的目标位置和能量分布，将翻转镜调整为光束经过第一聚焦透组件后入射到光斑能量反馈组件，利用控制终端、可编程衍射光学器件和光斑能量反馈组件，逐次反馈迭代计算多焦点能量分布，直到各焦点的能量分布均达到预期的误差范围内，将此时的相位全息图固定并保存至控制终端；如果目标多焦点过多时，可以将多焦点进行分组，根据上述流程，分别保存这些多焦点全息图；
C、根据焦线的加工需求，利用控制终端模拟焦线可变透镜，焦线可变透镜由轴锥镜和菲涅尔透镜组合而成，轴锥镜用于产生焦线，菲涅尔透镜用于移动焦线位置，两种透镜均由相位全息图模拟而成，将两种全息图进行叠加就可实现位置可变的焦线，改变轴锥镜和菲涅尔透镜的相位图参数，使得焦线的深度和位置满足加工要求，保存此时的焦线全息图至控制终端；
D、将步骤B中保存在控制终端的多焦点全息图加载至可编程衍射光学器件中，利用三维运动工作台将被加工样品调至初始位置，然后控制翻转镜翻转，以使得激光束经由第二聚焦组件入射至所述被加工样品内，开启激光器进行加工；根据设计的多焦点数量，控制终端依次加载对应的相位全息图至可编程衍射光学器件中，依次实现多组多焦点的准确加工；
E、将步骤C中保存在控制终端内的焦线全息图依次加载至所述可编程衍射光学器件中，将在被加工样品内设定位置处进行焦线加工。
步骤D和步骤E根据实际加工需求，顺序可以互换。
本发明的加工系统，具有使用同一套系统，实现多焦点和焦线激光加工的特性，与现有技术相比，至少具有以下优点和有益效果：
(1)同一光路系统实现多焦点和焦线组合加工，这种加工系统和加工方法兼顾了多焦点和焦线的优点，能够应用于现有激光加工难以满足的场合，加工适应性更广。
(2)利用可编程衍射光学器件，通过在多光束相位全息图上叠加不同参数的菲涅尔透镜，将不同焦面的焦点移到动光斑能量反馈组件中，不但克服了利用机械运动方式进行反馈的运动误差和耗时长的缺点，还提高了反馈的可靠性。
(3)利用可编程衍射光学器件模拟焦线可变的透镜，综合了轴锥镜和菲涅尔透镜的优点，即实现了焦线长度的可调性，还实现了焦线位置的可移动性。
附图说明
图1为本发明优选实施例的激光多焦点和焦线组合加工系统的结构示意图。
图2为本发明的多焦点和焦线组合加工示意图。
图3为本发明的焦线位置移动的示意图。
其中：1、激光器，2、光束形态调控组件，3、第一反射镜，4、可编程衍射光学器件，5、第一透镜，6、第二反射镜，7、空间滤波器，8、第三反射镜，9、第二透镜，10、翻转镜，11、第一聚焦组件，12、光斑能量反馈组件，13、第四反射镜，14、第二聚焦组件，15、被加工样品，16、三维运动工作台，17、控制终端。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明的激光多焦点和焦线组合加工系统也为激光多焦点和焦线混合加工系统，包括激光器1、光束形态调控组件2、第一反射镜3、可编程衍射光学器件4、第一透镜5、第二反射镜6、空间滤波器7、第三反射镜8、第二透镜9、翻转镜10、第一聚焦组件11、光斑能量反馈组件12、第四反射镜13、第二聚焦组件14、被加工样品15、三维运动工作台16和控制终端17，其中，所述第一透镜5和所述第二透镜9组成光学4f系统，所述空间滤波器7用于改善多焦点和焦线加工质量和效率。所述激光器1产生的激光依次通过所述光束形态调控组件2、第一反射镜3后入射到所述可编程衍射光学器件4上，出射光经过所述第一透镜5、第二反射镜6、空间滤波器7、第三反射镜8、第二透镜9后入射到所述翻转镜10内，所述翻转镜10可自由转动，以使得激光束经由所述第一聚焦组件11入射至所述光斑能量反馈组件12，或经由所述第二聚焦组件14入射至三维运动工作台16上的工件上，且所述第一聚焦组件11出射的激光束的焦点与所述光斑能量反馈组件12之间的距离可通过所述可编程衍射光学器件4加载相应相位全息图进行调节，所述控制终端17分别与所述可编程衍射光学器件4、光斑能量反馈组件12、翻转镜10和三维运动工作台16电连接。
本发明的控制终端17将根据所述可编程衍射光学器件4的特性生成输出多焦点的全息图，且将所述全息图加载至所述可编程衍射光学器件4上，所述可编程衍射光学器件4接收激光器输出的激光束，根据所述全息图生成多束激光束，且所述多束激光束通过光路到达所述翻转镜10反射后经由第一聚焦组件11入射至所述光斑能量反馈组件12上，或经由所述第二聚焦组件14入射至所述被加工样品15上。
本发明的光斑能量反馈组件12接收所述激光束，依次采集焦点在不同空间位置的所有激光束的激光参数信息，所述控制终端17还用于多焦点能量精准控制，在已有产生多光束的全息图的基础上，叠加具有焦点偏移功能的菲涅尔透镜相位全息图，组合成焦点可变的复合透镜全息图，将所述焦点可变的复合透镜全息图加载至所述可编程衍射光学器件4中，根据每个焦点目标位置，调节菲涅尔透镜的参数，将对应激光束的焦点调节至所述光斑能量反馈组件12所在平面上，将对应焦点的能量采集反馈到控制终端17，形成闭环控制。
另外，本发明的可编程衍射光学器件4除了产生多光束外，还用于模拟可变焦线透镜，所述控制终端17生成由轴锥镜和菲涅尔透镜对应相位模型叠加而成的相位全息图，且将所述全息图加载至所述可编程衍射光学器件4上，通过改变轴锥镜和菲涅尔透镜参数，可以实现焦线长度和位置的调控。选择合适的参数，可以实现与多焦点混合加工，在样品内多焦点与焦线组合，可以灵活地加工出多种形状。
较佳的，本发明的光束形态调控组件2由扩束镜、半玻片和偏振分光棱镜组成，能够对入射光束的直径、偏振方向和能量进行调控，使得光束与所述可编程衍射光学器件4进行匹配。
本发明的翻转镜10为电动翻转镜，且控制终端17与所述电动翻转镜电连接，并控制所述电动翻转镜转动，以使得多束激光束在入射至所述光斑能量反馈组件12与入射至所述被加工样品15(工件)之间进行光路切换。
相应的，本发明的激光多焦点和焦线组合加工方法，包括以下步骤：
步骤1：根据被加工样品15的加工要求，确定工艺方案，划分多焦点和焦线分别加工的位置；
步骤2：根据多焦点的目标位置和能量分布，将所述翻转镜10调整为光束经过第一聚焦透组件11后入射到光斑能量反馈组件12，利用控制终端17、可编程衍射光学器件4和光斑能量反馈组件12，逐次反馈迭代计算多焦点能量分布，直到各焦点的能量分布均达到预期的误差范围内，将此时的相位全息图固定并保存至控制终端17。如果目标多焦点过多时，可以将多焦点进行分组，根据上述流程，分别保存这些多焦点全息图。
步骤3：根据焦线的加工需求，利用所述控制终端17模拟焦线可变透镜，焦线可变透镜由轴锥镜和菲涅尔透镜组合而成，轴锥镜用于产生焦线(贝塞尔光束)，菲涅尔透镜用于移动焦线位置，两种透镜均由相位全息图模拟而成，将两种全息图进行叠加就可实现位置可变的焦线，改变轴锥镜和菲涅尔透镜的相位图参数，使得焦线的深度和位置满足加工要求，保存此时的焦线全息图至控制终端17。
步骤4：将步骤2中保存在控制终端17的多焦点全息图加载至所述可编程衍射光学器件4中，利用所述三维运动工作台16将被加工样品15调至初始位置，然后控制所述翻转镜10翻转，以使得激光束经由所述第二聚焦组件14入射至所述被加工样品15内，开启激光器1进行加工。根据设计的多焦点数量，控制终端17依次加载对应的相位全息图至可编程衍射光学器件4中，依次实现多组多焦点的准确加工。
步骤5：将步骤3中保存在控制终端17内的焦线全息图依次加载至所述可编程衍射光学器件4中，将在工件内设定位置处进行焦线加工。
上述步骤4和5可以根据需要进行顺序变换。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (6)

1.一种激光多焦点和焦线组合加工系统，包括用于产生激光的激光器(1)，其特征在于：所述激光器(1)产生的激光依次通过光束形态调控组件(2)、第一反射镜(3)后入射到可编程衍射光学器件(4)上；
经过所述可编程衍射光学器件(4)的出射光依次经过第一透镜(5)、第二反射镜(6)、空间滤波器(7)、第三反射镜(8)、第二透镜(9)后入射到翻转镜(10)；
所述翻转镜(10)可自由转动，使得激光束经由第一聚焦组件(11)入射至光斑能量反馈组件(12)，或经由第二聚焦组件(14)入射至三维运动工作台(16)上的被加工样品(15)上，还包括：
控制终端(17)，分别与所述可编程衍射光学器件(4)、光斑能量反馈组件(12)、翻转镜(10)和三维运动工作台(16)电连接；
所述可编程衍射光学器件(4)用于模拟可变焦线透镜，所述控制终端(17)生成由轴锥镜和菲涅尔透镜对应相位模型叠加而成的相位全息图，且将所述全息图加载至所述可编程衍射光学器件(4)上，通过改变轴锥镜和菲涅尔透镜参数，可以实现焦线长度和位置的调控；
该激光多焦点和焦线组合加工系统的加工方法，其步骤是：
A、根据被加工样品(15)的加工要求，确定工艺方案，划分多焦点和焦线分别加工的位置；
B、根据多焦点的目标位置和能量分布，将翻转镜(10)调整为光束经过第一聚焦透组件(11)后入射到光斑能量反馈组件(12)，利用控制终端(17)、可编程衍射光学器件(4)和光斑能量反馈组件(12)，逐次反馈迭代计算多焦点能量分布，直到各焦点的能量分布均达到预期的误差范围内，将此时的相位全息图固定并保存至控制终端(17)；如果目标多焦点过多时，可以将多焦点进行分组，根据上述流程，分别保存这些多焦点全息图；
C、根据焦线的加工需求，利用控制终端(17)模拟焦线可变透镜，焦线可变透镜由轴锥镜和菲涅尔透镜组合而成，轴锥镜用于产生焦线，菲涅尔透镜用于移动焦线位置，两种透镜均由相位全息图模拟而成，将两种全息图进行叠加就可实现位置可变的焦线，改变轴锥镜和菲涅尔透镜的相位图参数，使得焦线的深度和位置满足加工要求，保存此时的焦线全息图至控制终端(17)；
D、将步骤B中保存在控制终端(17)的多焦点全息图加载至可编程衍射光学器件(4)中，利用三维运动工作台(16)将被加工样品(15)调至初始位置，然后控制翻转镜(10)翻转，以使得激光束经由第二聚焦组件(14)入射至所述被加工样品(15)内，开启激光器(1)进行加工；根据设计的多焦点数量，控制终端(17)依次加载对应的相位全息图至可编程衍射光学器件(4)中，依次实现多组多焦点的准确加工；
E、将步骤C中保存在控制终端(17)内的焦线全息图依次加载至所述可编程衍射光学器件(4)中，将在被加工样品(15)内设定位置处进行焦线加工；
步骤D和步骤E根据实际加工需求，顺序可以互换。
2.根据权利要求1所述的一种激光多焦点和焦线组合加工系统，其特征在于：所述控制终端(17)根据所述可编程衍射光学器件(4)的特性生成输出多焦点的全息图；
所述可编程衍射光学器件(4)接收激光器(1)输出的激光束，根据所述全息图生成多束激光束。
3.根据权利要求2所述的一种激光多焦点和焦线组合加工系统，其特征在于：所述光斑能量反馈组件(12)接收激光束，依次采集焦点在不同空间位置的所有激光束的激光参数信息；
所述控制终端(17)还用于多焦点能量精准控制，在已有产生多光束的全息图的基础上，叠加具有焦点偏移功能的菲涅尔透镜相位全息图，组合成焦点可变的复合透镜全息图，将所述焦点可变的复合透镜全息图加载至所述可编程衍射光学器件(4)中，根据每个焦点目标位置，调节菲涅尔透镜的参数，将对应激光束的焦点调节至所述光斑能量反馈组件(12)所在平面上，将对应焦点的能量采集反馈到控制终端(17)，形成闭环控制。
4.根据权利要求1所述的一种激光多焦点和焦线组合加工系统，其特征在于：所述光束形态调控组件(2)由扩束镜、半玻片和偏振分光棱镜组成，用于对入射光束的直径、偏振方向和能量进行调控，使得光束与所述可编程衍射光学器件(4)进行匹配。
5.根据权利要求1所述的一种激光多焦点和焦线组合加工系统，其特征在于：所述翻转镜(10)为电动翻转镜，所述控制终端(17)控制所述电动翻转镜转动，以使得多束激光束在入射至所述光斑能量反馈组件(12)与入射至所述被加工样品(15)之间进行光路切换。
6.根据权利要求1所述的一种激光多焦点和焦线组合加工系统，其特征在于：所述空间滤波器(7)用于改善多焦点和焦线加工质量和效率。
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