CN112496529A - 激光切割系统 - Google Patents

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张德安
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Abstract

本发明实施例公开了一种激光切割系统，所述激光切割系统沿光路方向依次包括：激光单元，用于提供激光束；扩束单元，用于将所述激光束扩展成扩束激光束；匀光单元，用于将所述扩束激光束调制成光强平顶均匀分布的均匀激光束；遮挡单元，用于遮挡所述均匀激光束的边缘部分和所述均匀激光束之外的杂光；光束转换单元，用于将所述均匀激光束调制成中空的环形激光束，并沿光轴方向形成贝塞尔激光束；以及准直聚焦组件，用于将所述贝塞尔激光束进行准直聚焦。本发明解决了现有激光加工系统由于光强分布为高斯分布造成的被切割材料断面的大锥度、断面均匀性差等问题。

Description

激光切割系统
技术领域
本发明涉及激光加工的技术领域，尤其涉及一种激光切割系统。
背景技术
与传统机械切割工具相比，激光束以一种非接触方式并使用其峰值能量对材料进行切割，这种切割方式的加工速度快和加工效率高，逐步成为材料切割的主流加工设备。
目前，激光切割系统主要有两种方式，一种是通过改变激光切割头的聚焦面且多次重复切割，另一种是利用贝塞尔激光束实现长焦深的一次性切割。当前一次性切割主要使用了贝塞尔激光束方式增大切割头的焦深，其加工效率高，但存在的问题是：激光器出射的激光束，其光强分布为高斯分布，即激光束光斑中心区域的能量高，边缘区域的能量少，因此激光切割头生成的焦线区域内各焦点上能量不均匀，在切割材料时，尤其是脆硬性材料时，会造成断面的锥度较大，断面的均匀性不理想等情况。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种激光切割系统，用于解决现有激光加工系统由于光强分布为高斯分布造成的被切割材料断面的大锥度、断面的均匀性差等问题。为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明提出一种激光切割系统，所述激光切割系统沿光路方向依次包括：
激光单元，用于提供激光束；
扩束单元，用于将所述激光束扩展成扩束激光束；
匀光单元，用于将所述扩束激光束调制成光强平顶均匀分布的均匀激光束；
遮挡单元，用于遮挡所述均匀激光束的边缘部分和所述均匀激光束之外的杂光；
光束转换单元，用于将所述均匀激光束调制成中空的环形激光束，并沿光轴方向形成贝塞尔激光束；以及
准直聚焦组件，用于将所述贝塞尔激光束进行准直聚焦。
优选地，所述光束转换单元为凹锥形透镜或凸锥形透镜；所述光束转换单元为所述凹锥形透镜时，其凹锥面开口朝向所述遮挡单元一侧；所述光束转换单元为所述凸锥形透镜时，其平面朝向所述遮挡单元一侧。
优选地，所述准直聚焦组件为倒置的开普勒望远系统，用于将所述贝塞尔激光束进行压缩，以将所述贝塞尔激光束进行准直聚焦。
优选地，所述倒置的开普勒望远系统沿光路方向依次包括准直单元和聚焦单元，所述准直单元为中继镜，所述聚焦单元为物镜。
优选地，所述激光切割系统的焦深计算公式为：
Figure BDA0002757889080000021
式中：f1为所述中继镜的焦距，f2为所述物镜的焦距，l为所述贝塞尔激光束区域的长度。
优选地，所述物镜与所述中继镜的焦距比值为M，所述焦距比值M＜1。
优选地，所述中继镜为正光焦度的透镜。
优选地，所述匀光单元为匀光元件、匀光组件和衍射光学元件中的一种。
优选地，所述遮挡单元为孔径光阑。
优选地，所述激光单元为皮秒激光器、飞秒激光器等高功率激光器中的一种。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
上述激光切割系统，采用沿光路方向依次设置的激光单元、扩束单元、匀光单元、遮挡单元、光束转换单元和准直聚焦组件。通过匀光单元，能够将激光单元发出的激光束调制成光强平顶均匀分布的均匀激光束，再由遮挡单元遮挡激光束光斑之外的杂光；通过将匀光单元和遮挡单元加入到具有激光单元、扩束单元、光束转换单元和准直聚焦组件的激光切割系统中，能够保证在激光切割系统的焦线区域内各焦点上的峰值功率密度均匀，在切割材料，尤其是切割脆硬性材料时，能够得到锥度小、均匀性好的切割断面且切割过程中无崩边量、切割断面的粗糙度一致性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
其中：
图1为本发明激光切割系统示意图；
图2为光强分布变化过程示意图；
图3为本发明与现有激光切割系统的焦线区域内各焦点能量分布对比示意图。
101、激光单元；102、扩束单元；103、匀光单元；104、遮挡单元；105、光束转换单元；106、准直单元；107、聚焦单元；108、工作台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明激光切割系统的整体结构示意图。
本发明提供了一种激光切割系统，其目的在于解决现有的激光加工系统由于光强分布为高斯分布造成的被切割材料断面的大锥度、断面的均匀性差等问题。如图1所示，本发明的激光切割系统沿光路方向依次包括激光单元101、扩束单元102、匀光组件103、光阑104、光束转换单元105和准直聚焦组件。另外还有用于承载待切割材料的工作台108。其中准直聚焦组件为倒置的开普勒望远系统。倒置的开普勒望远系统沿光路方向依次为准直单元106和聚焦单元107。激光器101、扩束单元102、匀光单元103、遮挡单元104、光束转换单元105、准直单元106和聚焦单元107的中心在同一条直线上，即光轴沿一条直线行进。
本发明的激光生成过程如下：激光单元101发射出激光束，激光束照射到扩束单元102上，扩束单元102对激光单元101进行扩展，生成扩束激光束，扩束激光束照射到匀光单元103上，匀光单元将扩束激光束调制成光强平顶均匀分布的均匀激光束，匀光单元103只改变扩束激光束的光强分布，不改变扩束激光束的传播方向。在匀光单元103背离激光单元101的一侧安装有遮挡单元104，遮挡单元104将均匀激光束的边缘部分和均匀激光束之外的杂光遮挡掉，来增大均匀激光束的边缘陡度和边缘清晰度。均匀激光束通过遮挡单元104遮挡后照射到光束转换单元105上，经由光束转换单元105将均匀激光束空间调制成中空的环形激光束，并沿其光轴方向形成连续多焦点的贝塞尔激光束，贝塞尔激光束沿光轴方向传播后为发散的环形激光束，再经过准直聚焦组件将发散的贝塞尔激光束进行准直和聚焦，用于切割放置在工作台108上承载的待切割材料。
具体地，本发明的激光单元101选用皮秒激光器或飞秒激光器等高功率激光器，高功率激光器射出的激光束为高峰值功率、高重复频率和极窄脉宽的激光束。扩束单元102选用扩束镜或变倍扩束镜。匀光单元103选用匀光元件、匀光组件和衍射光学元件中的一种。遮挡单元104为孔径光阑，孔径光阑可选固定光瞳大小和可变光瞳大小的孔径光阑。光束转换单元105为具有贝塞尔光束生成效果的发生器，如凹锥形透镜或凸锥形透镜。当光束转换单元105为凹锥形透镜时，其凹锥面开口朝向遮挡单元104一侧；当光束转换单元105为凸锥形透镜时，其平面朝向遮挡单元104一侧。准直单元106为中继镜，聚焦单元107为物镜。中继镜为正光焦度的透镜，物镜需进行像差校正。
在具体的实施例中，本发明可由皮秒激光器、变倍扩束镜、衍射光学元件、可变光瞳大小的孔径光阑、凹锥形透镜、中继镜和物镜组成，并按照上述单元的安装顺序进行依次安装，可变光瞳大小的孔径光阑安装衍射光学元件的边缘位置处。具体的由皮秒激光器发射出高峰值功率、高重复频率和极窄脉宽的高斯激光束，激光束照射到变倍扩束镜上，变倍扩束镜对其进行光斑扩展，获取具有较佳的激光光斑的高斯扩束激光束，高斯扩束激光束照射到衍射光学元件上，被调制成光强平顶均匀分布的均匀激光束，再通过可变光瞳大小的孔径光阑遮挡掉均匀激光束的边缘部分和均匀激光束之外的杂光，能够产生圆度较好的圆形光斑，在经过凹锥形透镜调制，得到具有中空的环形光斑的贝塞尔激光束，最终贝塞尔激光束通过中继镜和物镜的准直和聚焦进行切割材料。中继镜和物镜构成倒置的开普勒望远系统，能够对贝塞尔激光束进行压缩，以将贝塞尔激光束进行准直聚焦，使贝塞尔激光束的焦深满足加工尺寸要求的长焦深，并使焦线区域的能量增大。
由凹锥形透镜产生中空的环形贝塞尔激光束，其环带上的能量分布均匀，贝塞尔激光束区域的长度为l；再通过中继镜准直和物镜聚焦，其焦深L的计算公式为：
Figure BDA0002757889080000051
式中f1为中继镜的焦距，f2为物镜的焦距，且f2<f1；因此通过改变物镜和中继镜的焦距比值M，获取要求的焦深L。同时焦线的总能量增大1/M4。
如图2所示，为光强分布变化过程示意图。图2左侧为光强高斯分布的激光束通过衍射光学元件后，将激光束光斑上每一点的能量进行重组组合，使激光束中心区域的能量I0降到I1，由于激光束边缘区域的能量为I0/e2，因此将I0-I1的能量弥补到激光束的边缘区域，使其边缘的能量为(I0/e2)+(I0-I1)。均匀激光束再经过可变光瞳大小的孔径光阑后，一方面将激光束边缘的杂光拦掉，另一方面切割的影像形成图2右侧光强平顶分布的边缘陡度区域Δ，此时激光束顶部的边缘区域的能量为I2，且I2≥(I0/e2)+(I0-I1)，为了避免激光束能量的浪费，通过调整可变光瞳大小的孔径光阑的光瞳大小使I2接近(I0/e2)+(I0-I1)。而边缘陡度区域Δ可通过可变光瞳大小的孔径光阑进行调整，使光强平顶分布的激光束的边缘陡度Δ≤0.2mm；而光强平顶分布的顶部区域的均匀性
Figure BDA0002757889080000061
可通过调整衍射光学元件，使形成的光强平顶分布的激光束的均匀性ρ≥95％。另外，在不考虑激光束通过衍射光学元件存在反射和吸收因素外，衍射光学元件将光强重组前后，光斑大小
Figure BDA0002757889080000062
光斑总能量基本不变，且经过可变光瞳大小的孔径光阑遮挡后的均匀激光束光斑的圆度大于99％。
可变光瞳大小的孔径光阑为几个叶片组成的光阑，叶片边缘锐利。其调整方法为：首先，确定激光束光斑的大小，同时测量激光束的功率；其次，再将可变光瞳大小的孔径光阑放置在光轴的中心，使用功率计测量变化后的激光功率；再次，逐渐增大开口大小，同时记录确定的开口大小和激光功率，直至将可变光瞳大小的孔径光阑的开口大小与激光束光斑大小接近为止；获取每组(开口大小和功率)的变化数据；最后，通过数据分析，确定出可变光瞳大小的孔径光阑使用的开口大小。
衍射光学元件的调整方法：首先，在放置衍射光学元件之前，使用一个相机观察激光束光斑，此时的光斑能量分布为高斯分布；再将衍射光学元件放置到位，通过平移衍射光学元件，直至在相机中观察到的光斑各部分能量分布均匀为止，表明衍射光学元件调整好。
如图3所示，本发明中若不使用匀光单元103和遮挡单元104，激光切割头的焦线区域内各焦点能量分布会出现如图3左侧所示的不均匀，焦线区域起始焦点位置附近和终结焦点位置附近的能量很低，同时能量最强的焦点位置不位于焦线的中心，因此在切割材料，尤其是切割脆硬性材料时，其断面的锥度较大，断面的均匀性不理想；按照本发明设计的激光切割头，如图3右侧所示，其焦线L区域内的d区域的能量均匀性良好，且L-d区域能量陡度变化，其值为：
Figure BDA0002757889080000071
上式可知，由于将可变光瞳大小的孔径光阑遮挡之后的均匀激光束光斑的边缘陡度区域Δ≤0.2mm，且f2<f1，则L-d值较小，以致可以达到忽略不计，故本发明的激光切割系统的焦深值L可直接由已知厚度的材料进行调整。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种激光切割系统，其特征在于，所述激光切割系统沿光路方向依次包括：
激光单元，用于提供激光束；
扩束单元，用于将所述激光束扩展成扩束激光束；
匀光单元，用于将所述扩束激光束调制成光强平顶均匀分布的均匀激光束；
遮挡单元，用于遮挡所述均匀激光束的边缘部分和所述均匀激光束之外的杂光；
光束转换单元，用于将所述均匀激光束调制成中空的环形激光束，并沿光轴方向形成贝塞尔激光束；以及
准直聚焦组件，用于将所述贝塞尔激光束进行准直聚焦。
2.如权利要求1所述的激光切割系统，其特征在于：所述光束转换单元为凹锥形透镜或凸锥形透镜；所述光束转换单元为所述凹锥形透镜时，其凹锥面开口朝向所述遮挡单元一侧；所述光束转换单元为所述凸锥形透镜时，其平面朝向所述遮挡单元一侧。
3.如权利要求1所述的激光切割系统，其特征在于：所述准直聚焦组件为倒置的开普勒望远系统，用于将所述贝塞尔激光束进行压缩，以将所述贝塞尔激光束进行准直聚焦。
4.如权利要求3所述的激光切割系统，其特征在于：所述倒置的开普勒望远系统沿光路方向依次包括准直单元和聚焦单元，所述准直单元为中继镜，所述聚焦单元为物镜。
5.如权利要求4所述的激光切割系统，其特征在于：所述激光切割系统的焦深计算公式为：
Figure FDA0002757889070000011
式中：f1为所述中继镜的焦距，f2为所述物镜的焦距，l为所述贝塞尔激光束区域的长度。
6.如权利要求5所述的激光切割系统，其特征在于：所述物镜与所述中继镜的焦距比值为M，所述焦距比值M＜1。
7.如权利要求4-6任一项所述的激光切割系统，其特征在于：所述中继镜为正光焦度的透镜。
8.如权利要求1所述的激光切割系统，其特征在于：所述匀光单元为匀光元件、匀光组件和衍射光学元件中的一种。
9.如权利要求1所述的激光切割系统，其特征在于：所述遮挡单元为孔径光阑。
10.如权利要求1所述的激光切割系统，其特征在于：所述激光单元为皮秒激光器和飞秒激光器中的一种。
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