CN112276344B - 一种超快激光切割透明材料的焦点定位方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种超快激光切割透明材料的焦点定位方法，包括：移动待加工产品使待加工产品与聚焦物镜的距离等于焦点探测初始距离；移动待加工产品按照预设步长靠近聚焦物镜，一次移动完成后在视觉检测装置上形成激光能量分布图像，记录每次移动后所形成的图像；当获得的图像达到预设个数后，比较所有图像，根据图像中的光斑的形状变化趋势确定从聚焦物镜所射出的激光束的焦点是否位于待加工产品的表面；当确定激光束的焦点位于待加工产品的表面后，移动待加工产品使激光束的焦点到达待加工产品的预设加工位置；进行激光加工。利用该方法加工低粗糙度透明材料时能够在视觉检测装置抓到图像，根据图像变化趋势实现快速完成焦点定位，且定位精度高。

Description

一种超快激光切割透明材料的焦点定位方法

技术领域

本申请实施例属于激光加工技术领域，尤其涉及一种超快激光切割透明材料的焦点定位方法。

背景技术

超快激光(脉宽小于10^-12S)技术经过近几年的高速发展被认为是透明材料加工的优选手段之一，它凭借极高的峰值功率及与对其透明的材料作用过程中的非线性吸收效应可对材料进行内部改质，该改质过程不直接去除材料，为实现高效、高质量切割加工提供可能。

对于所有形式的激光加工过程，加工位置有部分偏差，便会导致切割崩边、扩展纹大、上下表面受损等一系列问题，因此要求所采用的加工激光束能够准确的聚焦于材料的特定位置进行加工。

由于受到透明硬脆材料特性及产品规格的影响，所需加工的材料表面一般情况下均高度平整且透明，激光加工的待加工产品以用作光学元件的滤光片为例，其表面十分光滑(可达纳米量级粗糙度)且对特定的波长过滤，假如采用传统方式通过CCD激光加工时先定位出待加工产品表面再准确的移动聚焦光斑，在CCD观察到的待加工产品表面不能观测到任何标记特征，这便对如何准确的将加工光束聚焦于透明材料内部进行加工提出了很大的挑战。

发明内容

为了解决上述问题，本申请实施例提供一种超快激光切割透明材料的焦点定位方法，解决现有技术中采用传统方式通过CCD激光加工低粗糙度透明材料时，普通的激光加工系统在CCD上难以观察到可以用来表明激光焦点定位情况的图像，当观察待加工产品表面时，整个待加工产品表面不能观测到任何标记特征的技术问题，本发明能够在视觉检测装置例如CCD上观察到可以用来表明激光焦点定位情况的图像，以实现快速完成焦点定位，且定位精度高。

本申请实施例提供一种超快激光切割透明材料的焦点定位方法，包括：

步骤S1、根据待加工产品的厚度参数与激光加工系统所采用的光学元件参数获得焦点探测初始距离，移动待加工产品或者聚焦物镜使聚焦物镜与待加工产品的距离等于焦点探测初始距离；

步骤S2、移动待加工产品或者聚焦物镜按照预设步长使两者相互靠近，一次移动完成后从光束整形模组射出的激光束经过聚焦物镜射向待加工产品然后反射向视觉检测装置，在视觉检测装置上形成激光能量分布图像，记录每次移动后所形成的激光能量分布图像；

步骤S3、当移动预设次数后，获得的激光能量分布图像达到预设个数后，比较步骤S2得到的每一个激光能量分布图像，根据激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势确定从聚焦物镜所射出的激光束的焦点是否位于待加工产品的表面；

步骤S4、当确定从聚焦物镜所射出的激光束的焦点位于待加工产品的表面后，按照预设距离移动待加工产品或者聚焦物镜使从聚焦物镜射出的激光束的焦点到达待加工产品的预设加工位置；

步骤S5、进行激光加工。

可选的，所述步骤S2中的从光束整形模组射出的激光束经过以下处理：

将从激光器射出来的激光束形成初始无衍射光束；

通过能量均匀整形元件将初始无衍射光束沿其传播方向上的能量分布整形成能量均匀分布的线状无衍射光束；

将能量均匀分布的线状无衍射光束经过会聚透镜进行聚焦汇聚然后射入聚焦物镜。

可选的，所述步骤S3具体包括：

步骤S31、将本次形成激光能量分布图像与前面得到的所有的激光能量分布图像进行比对，判断激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势是否与预设变化趋势相匹配；

步骤S32、当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势相匹配，则确定从聚焦物镜所射出的激光束的焦点刚好位于待加工产品的表面；

步骤S33、当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势不相匹配，则返回步骤S2，重复步骤S2，进入步骤S31直到到达步骤S32。

进一步的，所述激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势为光斑形状由环形向十字形、再向圆形过渡，最后仍然向环形过渡；

所述激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势相匹配是指光斑的形状首次变化为圆形。

可选的，在所述步骤S32中的当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势相匹配的步骤后面还包括：

以当前位置为基准点，移动待加工产品或者聚焦物镜使两者相互远离和相互靠近，得到两次形成的激光能量分布图像；

判断激光能量分布图像变化是否仍然符合相应特征；

如果判断结果为是，则进入步骤S4；

如果判断结果为否，则移动待加工产品或者聚焦物镜使两者的距离等于焦点探测初始距离；

再次移动待加工产品或者聚焦物镜使两者的距离大于焦点探测初始距离，进入步骤S2。

可选的，在所述步骤S33中的当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势不相匹配之后还包括，

计算移动的累积距离；

当移动的累积距离达到焦点探测初始距离时，则移动待加工产品或者聚焦物镜使两者的距离等于焦点探测初始距离；

再次移动待加工产品或者聚焦物镜使两者的距离大于焦点探测初始距离，进入步骤S2。

可选的，所述根据待加工产品的厚度参数与激光加工系统所采用的光学元件参数获得焦点探测初始距离的步骤具体包括：

根据待加工产品的厚度参数与激光加工系统所采用的光学元件参数计算出理论焦点探测距离；

将所述理论焦点探测距离加上预设偏差值得到焦点探测初始距离。

进一步的，当所述激光加工系统中选择聚焦物镜或者透镜作为最后一个光学元件时，焦点探测初始距离直接根据待加工产品的厚度和最后一个所述光学元件的工作距离确定。

可选的，焦点定位过程所采用的激光束的光束能量分布形式与激光加工过程中所采用的激光束的光束能量分布形式相同。

可选的，焦点定位过程和激光加工过程所采用的激光束的能量密度均小于待加工产品的材料的损伤阈值。

相比于现有技术，本申请实施例提供的超快激光切割透明材料的焦点定位方法具有以下进步：

本实施例中通过光束整形模组将激光束进行处理，在视觉检测装置上形成激光能量分布图像，并且图像中的光斑的形状按照预设趋势进行变化，先将聚焦物镜与待加工产品的距离等于焦点探测初始距离，再按照预设步长移动待加工产品或者聚焦物镜按照预设步长使两者相互靠近，每次移动后就形成一个激光能量分布图像，当获得的激光能量分布图像达到预设个数例如三个后，比较获得的所有的图像，根据激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势确定从聚焦物镜所射出的激光束的焦点是否位于待加工产品的表面，当确定激光束的焦点位于待加工产品的表面后，按照预设距离移动待加工产品或者聚焦物镜使从聚焦物镜射出的激光束的焦点到达待加工产品的预设加工位置，进行激光加工。该焦点定位方法解决现有采用传统方式通过CCD激光加工低粗糙度透明材料例如滤光片、蓝宝石等时，难以在CCD中观察到可以用来表明激光焦点定位情况的图像，当观察待加工产品表面时，整个待加工产品表面不能观测到任何标记特征的技术问题，本发明能够实现在CCD观察到可以用来表明激光焦点定位情况的图像，以快速完成焦点定位，且定位精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例的超快激光切割透明材料的焦点定位方法的流程图；

图2是本申请的激光加工系统的结构示意图；

图3是本申请另一实施例的超快激光切割透明材料的焦点定位方法的流程图；

图4是本申请一种实施方式的光束整形模组的结构示意图；

图5是本申请另一种实施方式的光束整形模组的结构示意图；

图6是视觉检测装置在预设偏差值为50微米与100微米时获得的激光束的初始图像；

图7是本申请实施例的激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势示意图；

图8为激光束的焦点位于滤光片内不同深度位置的滤光片断面及切割效果。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参阅图1和图2，图1为本申请一实施例的超快激光切割透明材料的焦点定位方法的流程图。图2是本申请的激光加工系统的结构示意图。本申请提供了一种超快激光切割透明材料的焦点定位方法，所述方法包括：

步骤S1、根据待加工产品300的厚度参数与激光加工系统100所采用的光学元件参数获得焦点探测初始距离，移动待加工产品300或者聚焦物镜130使聚焦物镜130与待加工产品300的距离等于焦点探测初始距离。

在本步骤中，所述根据待加工产品300的厚度参数与激光加工系统100所采用的光学元件参数获得焦点探测初始距离的步骤具体包括：

根据待加工产品300的厚度参数与激光加工系统100所采用的光学元件参数计算出理论焦点探测距离；

将所述理论焦点探测距离加上预设偏差值得到焦点探测初始距离。

参阅图2，所述激光加工系统100包括：激光器110、光束整形模组120、反射镜140、聚焦物镜130、视觉检测装置200、运动平台210、以及用于对激光器110、光束整形模组120、视觉检测装置200、以及运动平台210进行控制的控制系统400(控制器)，控制系统400可实现焦点定位以及切割过程的自动控制，将整形后的无衍射光束聚焦进行待加工产品300例如滤光片的切割加工。

具体的，运动平台210位于聚焦物镜130下部用于承载待加工产品300；激光器110、光束整形模组120、反射镜140、聚焦物镜130、视觉检测装置200、运动平台210以及控制系统400构成加工过程焦点定位系统，可实现不同类型待加工产品300加工过程的精准焦点定位及切割定位。

具体的，在本实施例中，采用的视觉检测装置200为长焦深镜头加上CCD元件，可选的，视觉检测装置200置于聚焦物镜130的上方，视觉检测装置200与聚焦物镜130同轴设置，以进行同轴观察。由于高能量密度超快激光与透明材料作用过程中有强散射光或等离子体从作用点向四周传播，该方法采用能量密度均匀分布无衍射光束的特性，在进行焦点定位时所使用的视觉检测装置200也可以是相应的光谱分析装置或光强类检测装置，光谱分析装置或光强类检测装置可以位于激光作用点附近的各个区域或方向，例如在本实施例中，视觉检测装置200位于待加工产品300的斜上方，这样设置是为了使视觉检测装置200避开待加工产品300上待加工的区域。

可选的，当所述激光加工系统100中选择聚焦物镜130或者透镜作为最后一个光学元件时，理论焦点探测距离直接根据待加工产品300的厚度和最后一个光学元件的工作距离确定。

具体的，在本实施例中，最后一个光学元件采用的是聚焦物镜130，理论焦点探测距离等于聚焦物镜130的工作距离加上待加工产品300的厚度。

更具体的，所选的聚焦物镜130的数值孔径值为0.5，倍率为50倍，CCD相机像素为40万。当聚焦物镜130的型号一旦规格确定，则聚焦物镜130的工作距离为已知确定。一个待加工产品300的厚度也是已知数据，因此可以计算出理论焦点探测距离。

在步骤S1中，为了保证在一个焦点定位流程中就能够实现焦点刚好位于待加工产品300表面，将焦点探测初始距离设定在大于计算出来的理论焦点探测距离的某一位置，具体的，将理论焦点探测距离增加一个预设偏差值，可选的，所述预设偏差值为50微米至100微米中的任意一个数值。例如，在本实施例中，预设偏差值可以为50微米或者100微米。

步骤S2、移动待加工产品300或者聚焦物镜130按照预设步长使两者相互靠近，一次移动完成后从光束整形模组120出来的激光束经过聚焦物镜130射向待加工产品300然后反射向视觉检测装置200，在视觉检测装置200上形成激光能量分布图像，记录每次移动后所形成的激光能量分布图像。

本步骤中的“移动待加工产品300或者聚焦物镜130”具体指移动待加工产品300和聚焦物镜130两者中的任何一个，通过移动待加工产品300和聚焦物镜130两者中的任何一个即可以改变待加工产品300和聚焦物镜130之间的距离，一种是移动待加工产品300另一种是移动聚焦物镜130；在本实施例中，通过移动承载待加工产品300的运动平台210进而实现移动待加工产品300。后面出现的“移动待加工产品300或者聚焦物镜130”同理，后续不再赘述。

在本步骤中，每次移动后激光束器110发出激光束。视觉检测装置200一直处于工作状态，工作状态中的动作包括接收射向自身的激光束，形成激光能量分布图像，记录每次移动后所形成的激光能量分布图像。

在本步骤中，预设步长根据焦点探测初始距离和实际需求进行设计。

步骤S3、当移动预设次数后，获得的激光能量分布图像达到预设个数后，比较步骤S2得到的每一个激光能量分布图像，根据激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势确定从聚焦物镜所射出的激光束的焦点是否位于待加工产品的表面。

其中，所述预设次数为三次或者大于三次的某一个次数值，所述预设个数的值等于所述预设次数的值。

参阅图3，图3是本申请另一实施例的超快激光切割透明材料的焦点定位方法的流程图。

本实施例在图1所述的实施例的基础上，所述步骤S3具体包括：

步骤S31、当移动预设次数后，获得的激光能量分布图像达到预设次数后，将本次形成的激光能量分布图像与前面得到的所有的激光能量分布图像进行比对，判断激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势是否与预设变化趋势相匹配；

步骤S32、当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势相匹配，则确定从聚焦物镜130所射出的激光束的焦点刚好位于待加工产品300的表面；

步骤S33、当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势不相匹配，则返回步骤S2，重复步骤S2，进入步骤S31直到到达步骤S32。

由于可能出现焦点探测初始距离设置不合理，导致按照预设步长移动的累积距离等于焦点探测初始距离，激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势仍然不相匹配，因此，在所述步骤S33中的当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势不相匹配之后还包括，

计算移动的累积距离；

当移动的累积距离达到焦点探测初始距离时，则移动待加工产品300或者聚焦物镜130使两者的距离等于焦点探测初始距离；

再次移动待加工产品300或者聚焦物镜130使两者的距离大于焦点探测初始距离，进入步骤S2。

采用再次移动待加工产品300或者聚焦物镜130使两者的距离大于焦点探测初始距离，得到新的焦点探测初始距离，利用这个新的焦点探测初始距离重新进行焦点定位。

进一步的，所述步骤S32中的当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势相匹配的步骤后面还包括：

以当前位置为基准点，移动待加工产品300或者聚焦物镜130使两者相互远离和相互靠近，得到两次形成的激光能量分布图像；

判断激光能量分布图像变化是否仍然符合相应特征；

如果判断结果为是，则进入步骤S4；

如果判断结果为否，则移动待加工产品300或者聚焦物镜130使两者的距离等于焦点探测初始距离；

再次移动待加工产品300或者聚焦物镜130使两者的距离大于焦点探测初始距离，进入步骤S2。

其中，所述判断激光能量分布图像变化是否仍然符合相应特征是指将当前位置对应的激光能量分布图像与经过两次移动获得的两个激光能量分布图像进行比对，判断激光能量分布图像变化是否仍然符合相应特征。

这样设置的好处是进一步验证所找到的当前位置是不是准确的要找的位置，在这个要找的位置处，激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势相匹配，从聚焦物镜130所射出的激光束的焦点刚好位于待加工产品300的表面。

由于可能出现预设步长设置不合理，导致按照预设步长移动的累积距离等于焦点探测初始距离时，激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势仍然不相匹配，因此，在所述步骤S33中的当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势不相匹配之后还进一步包括，

根据获得的所述激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势的实际情况更改所述预设步长参数值；进入步骤S2；

所述步骤S2进一步为，移动待加工产品300或者聚焦物镜130按照新更改的预设步长使两者相互靠近。

同时参阅图4、图5、图6和图7，图4是本申请一种实施方式的光束整形模组的结构示意图；图5是本申请另一种实施方式的光束整形模组的结构示意图；图6是视觉检测装置在预设偏差值为50微米与100微米时获得的激光束的初始图像；图7为本申请实施例的激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势示意图。

当聚焦物镜130与待加工产品300的距离等于焦点探测初始距离时，如图7所示，例如焦点探测初始距离分别为50微米加上理论焦点探测距离与100微米加上理论焦点探测距离，视觉检测装置200上获得的激光束的初始图像，实际上如图7所示的激光束的初始图像，在初始图像中基本不能观察到相应的光斑。

随着移动待加工产品300或者聚焦物镜130按照预设步长使两者相互靠近的进行，可以逐步在视觉检测装置200上观察到有激光能量分布图像出现。

具体的，在本实施中，所述激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势为光斑形状由环形向十字形、再向圆形过渡，最后仍然向环形过渡；

所述激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势相匹配是指光斑的形状首次变化为圆形。

在待加工产品300或者聚焦物镜130移动的过程中，首先探测到激光能量分布图像中的光斑为环形(如图7中第一行左起第一个)，然后慢慢变化到十字形(如图7中第二行左起第一个)，再到圆形(如图7中第三行第一个)最后再向环形过渡(图未示)。

如图4所示，在一种可行的实施方式中，采用的光束整形模组120包括顺序设置且轴心共线的轴棱锥121、光阑122、会聚透镜123，轴棱锥121将入射的超短脉冲激光束生成初始无衍射光束输出；光阑122将从轴棱锥121出来的初始无衍射光束进行整形，形成能量分布相对均匀的整形无衍射光束会聚透镜123将从光阑122出来的激光束进行聚焦汇聚然后射入聚焦物镜130中，激光束从聚焦物镜130射向待加工产品300，反射向视觉检测装置200，在视觉检测装置200上形成激光能量分布图像。图中实线122表示本实施方式中光阑122的放置位置，而虚线的122表示光阑122可以放置的其他位置。

因此，所述步骤S2中的从光束整形模组120射出的激光束经过以下处理：

将从激光器110射出来的激光束经过轴棱锥121形成初始无衍射光束；

通过光阑122将初始无衍射光束进行整形，形成能量分布相对均匀的整形无衍射光束；

整形无衍射光束经过会聚透镜123进行聚焦汇聚然后射入聚焦物镜130。

如图5所示，在另一种可行的实施方式中，采用的光束整形模组120包括顺序设置且轴心共线的轴棱锥121、能量均匀整形元件124、会聚透镜123，轴棱锥121将入射的超短脉冲激光束生成初始无衍射光束输出，得到的无衍射光束的能量延其传播方向分布不均匀，其传播距离的中间区域光强远大于前后两端，且靠近轴棱锥121一端的能量又要大于另外一端，所获得的能量分布虽然在无衍射距离区域外迅速扩散，但较弱能量的外端光束并不能保证利用其作用于材料表面产生的相应效果进行切割定位；于是采用能量均匀整形元件124将从轴棱锥121输出的初始无衍射光束沿其传播方向上的不均匀能量分布整形成能量均匀分布的线状无衍射光束，例如可以为衰减片，衰减片能够将所产生的无衍射光束所在的光束面的某个区域内的能量进行衰减，衰减片对激光束的能量衰减可以为：一种情况，衰减片对激光束的中间区域的衰减大于周围区域的衰减，第二种情况，衰减片能够将激光束的其他位置的区域内的能量进行衰减，第三种情况，将衰减片旋转使获得的激光束的能量分布均匀。图中实线124表示本实施方式中能量均匀整形元件124的放置位置，而虚线的124表示能量均匀整形元件124可以放置的其他位置。

从能量均匀整形元件124出来的激光束经过会聚透镜123进行聚焦汇聚然后射入聚焦物镜130中，射向待加工产品300再反射出来，并反射向视觉检测装置200，在视觉检测装置200上形成激光能量分布图像。

因此，所述步骤S2中的从光束整形模组120射出的激光束经过以下处理：

将从激光器110射出来的激光束经过轴棱锥121形成初始无衍射光束；

通过能量均匀整形元件124将初始无衍射光束沿其传播方向上的能量分布整形成能量均匀分布的线状无衍射光束；

将线状无衍射光束经过会聚透镜123进行聚焦汇聚然后射入聚焦物镜130。

经过轴棱锥121形成的初始无衍射光束的能量基本集中于聚焦后的线状光斑内，且经光束整形模组120整形处理后的线状无衍射光束能量分布更为均匀且集中，相应的能量分布形式保证了可通过视觉检测装置200通过形成激光能量分布图像中的光斑的变化趋势监控整形处理后的线状无衍射光束与待加工产品300作用过程及切割点定位。

在前述两个实施方式中，形成初始无衍射光束的结构除了轴棱锥之外还可以采用空间光调制器、衍射光学元件等能产生同等作用的其他光学元件。

步骤S4、当确定从聚焦物镜130所射出的激光束的焦点位于待加工产品300的表面后，按照预设距离移动待加工产品300或者聚焦物镜130使从聚焦物镜130射出的激光束的焦点到达待加工产品300的预设加工位置。

实际在激光加工时，激光束的焦点位于待加工产品300内部预设加工位置处，预设距离为激光束的焦点所在的预设加工位置到待加工产品300的表面的距离。

步骤5、进行激光加工。

该方法适用于蓝宝石、普通玻璃等为主的透明硬脆材料切割时的焦点定位。在本实施例中，待加工产品300为约0.15毫米厚纳米量级粗糙度的滤光片。本实施例中，采用的超快激光脉宽小于1000皮秒，以便清楚的观察到所形成的无衍射激光束，该激光束可对待加工产品300进行焦点定位并进行加工，激光波长、最大单脉冲能量根据待加工产品300的具体材料进行匹配选择。本申请中的方法在焦点定位过程所采用的激光束的光束能量分布形式与激光加工过程中所采用的激光束的光束能量分布形式相同，可保证良好的加工效果。本申请中的方法在焦点定位过程和激光加工过程所采用的激光束的能量密度均小于待加工产品300的材料的损伤阈值，即采用的激光束不会对所加工的待加工产品300的材料产生破坏，具体的，采用的激光束的能量密度小于待加工产品300的材料的损伤阈值的10％。

参阅图8，图8为激光束的焦点位于滤光片内不同深度位置的滤光片断面及切割效果；其中，(a)、(b)分别为确定激光束的焦点在待加工产品的表面后，改变激光束与待加工产品300的预设距离后获得的不同切深的断面效果，如图所示，所有断面均有均匀的切割改质层，且除改质层外的其他区域无任何裂纹。可以看出采用本申请中的方法的加工效果能够符合要求，因此本申请中的焦点定位方法可以满足实际的加工需求，进而表明所述方法可以实现激光切割前所需要的精确的焦点定位。

本实施例中通过光束整形模组120将激光束进行处理，在视觉检测装置200上形成激光能量分布图像，并且图像中的光斑的形状按照预设趋势进行变化，先将聚焦物镜130与待加工产品300的距离等于焦点探测初始距离，再按照预设步长移动待加工产品300或者聚焦物镜130按照预设步长使两者相互靠近，每次移动后就形成一个激光能量分布图像，当获得的激光能量分布图像达到预设个数例如三个后，比较获得的所有的图像，根据激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势确定从聚焦物镜130所射出的激光束的焦点是否位于待加工产品300的表面，当确定激光束的焦点位于待加工产品300的表面后，按照预设距离移动待加工产品300或者聚焦物镜130使从聚焦物镜130射出的激光束的焦点到达待加工产品300的预设加工位置，进行激光加工，该焦点定位方法解决现有采用传统方式通过CCD激光加工低粗糙度透明材料例如滤光片、蓝宝石等时，难以在CCD中观察到可以用来表明激光焦点定位情况的图像，当观察待加工产品300表面时，整个待加工产品300表面不能观测到任何标记特征的技术问题，本发明能够实现在视觉检测装置200例如CCD中观察到可以用来表明激光焦点定位情况的图像，以快速完成焦点定位，且定位精度高。

本申请中的方法对采用的无衍射激光束经聚焦物镜130聚焦后的长度无特殊要求，可大于或小于待加工产品300的厚度。

本申请中的方法可用于表面粗糙度10微米以下粗糙度的待加工产品300切割时的焦点定位。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超快激光切割透明材料的焦点定位方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1、根据待加工产品的厚度参数与激光加工系统所采用的光学元件参数获得焦点探测初始距离，移动待加工产品或者聚焦物镜使聚焦物镜与待加工产品的距离等于焦点探测初始距离；

步骤S2、移动待加工产品或者聚焦物镜按照预设步长使两者相互靠近，一次移动完成后从光束整形模组射出的激光束经过聚焦物镜射向待加工产品然后反射向视觉检测装置，在视觉检测装置上形成激光能量分布图像，记录每次移动后所形成的激光能量分布图像；

步骤S3、当移动预设次数后，获得的激光能量分布图像达到预设个数后，比较步骤S2得到的每一个激光能量分布图像，根据激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势确定从聚焦物镜所射出的激光束的焦点是否位于待加工产品的表面；

步骤S4、当确定从聚焦物镜所射出的激光束的焦点位于待加工产品的表面后，按照预设距离移动待加工产品或者聚焦物镜使从聚焦物镜射出的激光束的焦点到达待加工产品的预设加工位置；

步骤S5、进行激光加工。

2.根据权利要求1所述的超快激光切割透明材料的焦点定位方法，其特征在于，所述步骤S2中的从光束整形模组射出的激光束经过以下处理：

将从激光器射出来的激光束形成初始无衍射光束；

通过能量均匀整形元件将初始无衍射光束沿其传播方向上的能量分布整形成能量均匀分布的线状无衍射光束；

将能量分布均匀的线状无衍射光束经过会聚透镜进行聚焦汇聚然后射入聚焦物镜。

3.根据权利要求1所述的超快激光切割透明材料的焦点定位方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

步骤S31、当移动预设次数后，获得的激光能量分布图像达到预设个数后，将本次形成激光能量分布图像与前面得到的所有的激光能量分布图像进行比对，判断激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势是否与预设变化趋势相匹配；

步骤S32、当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势相匹配，则确定从聚焦物镜所射出的激光束的焦点刚好位于待加工产品的表面；

步骤S33、当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势不相匹配，则返回步骤S2，重复步骤S2，进入步骤S31直到到达步骤S32。

4.根据权利要求3所述的超快激光切割透明材料的焦点定位方法，其特征在于，所述激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势为光斑形状由环形向十字形、再向圆形过渡，最后仍然向环形过渡；

所述激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势相匹配是指光斑的形状首次变化为圆形。

5.根据权利要求3所述的超快激光切割透明材料的焦点定位方法，其特征在于，在所述步骤S32中的当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势相匹配的步骤后面还包括：

以当前位置为基准点，移动待加工产品或者聚焦物镜使两者相互远离和相互靠近，得到两次形成的激光能量分布图像；

判断激光能量分布图像变化是否仍然符合相应特征；

如果判断结果为是，则进入步骤S4；

如果判断结果为否，则移动待加工产品或者聚焦物镜使两者的距离等于焦点探测初始距离；

再次移动待加工产品或者聚焦物镜使两者的距离大于焦点探测初始距离，进入步骤S2。

6.根据权利要求3所述的超快激光切割透明材料的焦点定位方法，其特征在于，在所述步骤S33中的当激光能量分布图像中的光斑的形状变化趋势与预设变化趋势不相匹配之后还包括，

计算移动的累积距离；

当移动的累积距离达到焦点探测初始距离时，则移动待加工产品或者聚焦物镜使两者的距离等于焦点探测初始距离；

再次移动待加工产品或者聚焦物镜使两者的距离大于焦点探测初始距离，进入步骤S2。

7.根据权利要求1所述的超快激光切割透明材料的焦点定位方法，其特征在于，所述根据待加工产品的厚度参数与激光加工系统所采用的光学元件参数获得焦点探测初始距离的步骤具体包括：

根据待加工产品的厚度参数与激光加工系统所采用的光学元件参数计算出理论焦点探测距离；

将所述理论焦点探测距离加上预设偏差值得到焦点探测初始距离。

8.根据权利要求7所述的超快激光切割透明材料的焦点定位方法，其特征在于，当所述激光加工系统中选择聚焦物镜或者透镜作为最后一个光学元件时，焦点探测初始距离直接根据待加工产品的厚度和最后一个所述光学元件的工作距离确定。

9.根据权利要求1所述的超快激光切割透明材料的焦点定位方法，其特征在于，焦点定位过程所采用的激光束的光束能量分布形式与激光加工过程中所采用的激光束的光束能量分布形式相同。

10.根据权利要求1所述的超快激光切割透明材料的焦点定位方法，其特征在于，焦点定位过程和激光加工过程所采用的激光束的能量密度均小于待加工产品的材料的损伤阈值。

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