CN112846487A - 一种超快激光多焦点大间距并行加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超快激光多焦点大间距并行加工装置及方法，装置包括超快激光发生器、扩束镜、分光棱镜、空间光调制器、反射镜、长距离分光传输阵列组、聚焦振镜组、工件；超快激光器产生超短脉冲激光束，经过空间光调制器和光学器件的调制，由长距离分光传输阵列组对激光束进行分光传输，入射至聚焦振镜组聚焦，对大幅面工件上的多个区域、多个工件，进行多焦点并行加工。本发明突破了空间光调制器和光学器件调制的微米级光束间距限制，将分光束距离从微米级提高至米级以上，解决了大幅面工件上的多个区域或多个工件的难加工问题，相对于空间光调制器和光学器件调制的微间距光束阵列加工，该方法加工幅面更大、加工效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，具体涉及一种超快激光多焦点大间距并行加工装置及方法。
背景技术
随着短脉冲和超短脉冲激光不断的发展，大幅面激光加工技术的不断升级和市场需求的转变，为了获得更高的加工效率，在消费电子、新型显示、生物医疗等领域获得了越来越多的应用，这些新的需求对激光加工精细度和高效率的要求变得更加苛刻。在强大的市场需求力刺激下，超快激光技术不断取得新的突破，并迅速成为行业重点关注的发展方向。
超快激光拥有超短脉冲和超强特性，能够以较低的脉冲能量获得极高的峰值光强。但其受振镜加工幅面小的限制，在大幅面和长距离激光加工的应用上，需要更高精尖的加工方法来解决超快激光多焦点并行加工的问题。
现有的技术，通过空间光调制器加载计算全息图、小孔阵列、位相光栅等方法，调制超快激光形成多光束，再经过反射镜的反射传输后，聚焦至工件表面，进行多焦点阵列加工。但是，现有技术的光束之间的距离为微米级，限制了激光加工的幅面，加工效率仍较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超快激光多焦点大间距并行加工方法及装置，利用空间光调制器和长距离分光透镜组的激光传输，本发明采用空间光调制器方法，将超快激光分成多光束，分光束耦合至光纤内，通过光纤长距离传输后，聚焦至工件表面，实现超快激光多工件多焦点并行加工。
一种超快激光多焦点大间距并行加工装置，其特征在于，包括超快激光发生器1、扩束镜2、光束分光棱镜3、空间光调制器4、激光反射镜5、长距离分光传输阵列组6、聚焦振镜组7、工件8；所述超快激光器1产生超短脉冲激光束，经过所述空间光调制器4和光学器件的调制，由所述长距离分光传输阵列组6对激光束进行分光传输，入射至聚焦振镜组7聚焦，在大幅面工件上的多个区域，或者在多个工件上进行多焦点并行加工。
安装和组装过程如下：
所述超快激光发生器1与电源、控制系统连接，用于产生超短脉冲激光束；
所述扩束镜2安装在所述超快激光发生器1产生的光束路径上，用于对所述超快激光束进行扩束；
所述光束分光棱镜3在激光反射镜5反射的路径上，用于对超快激光束按照一定反射和透射比例分成多束光；
所述空间调制器4，设于所述光束分光棱镜3的出光路径上，用于按照激光与光纤微透镜阵列组耦合的图案数据文件调制多束光；
所述长距离分光传输阵列组6，设于由所述空间光调制器4调制的出射分光束到所述激光反射镜5反射的路径上，用于分光束与光纤微透镜阵列组进行耦合，分光束在光纤内进行长距离传输；
所述聚焦振镜组7，在所述长距离分光传输阵列6出光口上，用于对所述超短脉冲激光束进行聚焦，聚焦至所述工件8上。
所述长距离分光传输阵列组6包括调制分光束61、空间阵列分布球状耦合器62，输出光纤63，所述空间阵列分布球状耦合器62接收经过所述调制分光束61，导入至球透镜-自聚焦柱透镜中，所述空间阵列分布球状耦合器62由不同空间排布的球透镜-自聚焦柱透镜组成；所述调制分光束61耦合至所述输出光纤63中，所述输出光纤63对所述调制分光束61进行长距离传输；所述调制分光束61导出至振镜中，达到长距离分光加工的目的。
一种超快激光多焦点大间距并行加工方法，其特征在于，加工方法步骤如下：
步骤1：所述超快激光发生器1产生的激光束经过所述扩束镜2扩束后，再经过所述激光反射镜5反射到所述光束分光棱镜3，再照射到所述空间光调制器4中；
步骤2：所述空间光调制器4调制超快激光束，光束经过调制后，入射至所述激光反射镜5；
步骤3：光束被传输至由微透镜和光纤组成的所述长距离分光传输阵列组6上；
步骤4：分光束入射至光纤一端的微透镜，并在光纤内进行大距离全反射传输；
步骤5：光纤两端的光束由微透镜组成的望远镜系统，经过微透镜缩束后，分光束进入扫描振镜组7，在工件上进行激光加工；
步骤6：分光束在光纤内长距离传输至所述聚焦振镜组7中，聚焦在所述工件8上进行激光加工。
所述步骤3中，还包括对调制光束进行分束传输，其中，光纤组部分由空心石英光纤、掺镱光子晶体光纤等特种光纤构成；光纤微透镜阵列组由熔接机、二氧化碳激光微加工、冷加工等方法将光纤两端剥皮制成的光纤头制成微透镜。
所述步骤6中，分光束可形成多组光束，同时在大幅面工件上的多个区域，或者在多个工件上进行多焦点并行加工。
本发明提出的超快激光多焦点大间距并行加工方法，将单束激光分成多光束，刻蚀出大面积微结构阵列、工件组激光并行抛光、大间距激光并行焊接，保证加工质量的同时，加工效率成倍提高。
附图说明
图1为本发明的装置原理示意图；
图2为本发明的装置多光束长距离传输过程；
图3为本发明长距离分光传输阵列组示意图。
图中，1为超快激光发生器；2为扩束镜；3为光束分光棱镜；4为空间光调制器；5为激光反射镜；6为长距离分光传输阵列组；61为调制分光束；62为空间阵列分布球状耦合器；63为输出光纤；7为聚焦振镜组；8为工件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
如图1所示，一种超快激光多焦点大间距并行加工装置，其特征在于，包括超快激光发生器1、扩束镜2、光束分光棱镜3、空间光调制器4、激光反射镜5、长距离分光传输阵列组6、聚焦振镜组7、工件8；
装置安装和组装过程如下：
所述超快激光发生器1与电源、控制系统连接，用于产生超短脉冲激光束；
所述扩束镜2安装在所述超快激光发生器1产生的光束路径上，用于对所述超快激光束进行扩束；
所述光束分光棱镜3在激光反射镜5反射的路径上，用于对超快激光束按照一定反射和透射比例分成多束光；
所述空间调制器4，设于所述光束分光棱镜3的出光路径上，用于按照激光与光纤微透镜阵列组耦合的图案数据文件调制多束光；
所述长距离分光传输阵列组6，设于由所述空间光调制器4调制的出射分光束到所述激光反射镜5反射的路径上，用于分光束与光纤微透镜阵列组进行耦合，分光束在光纤内进行长距离传输；
所述聚焦振镜组7，在所述长距离分光传输阵列6出光口上，用于对所述超短脉冲激光束进行聚焦，聚焦至所述工件8上。
如图3所示，所述长距离分光传输阵列组6包括调制分光束61、空间阵列分布球状耦合器62，输出光纤63，所述空间阵列分布球状耦合器62接收经过所述调制分光束61，导入至球透镜-自聚焦柱透镜中，所述空间阵列分布球状耦合器62由不同空间排布的球透镜-自聚焦柱透镜组成；所述调制分光束61耦合至所述输出光纤63中，所述输出光纤63对所述调制分光束61进行长距离传输；所述调制分光束61导出至振镜中，达到长距离分光加工的目的。
如图2所示，所述超快激光器1产生超短脉冲激光束，超短脉冲激光束经扩束镜2使光束直径放大后，照射在激光反射镜5上反射至光束分光棱镜3对放大后的激光束进行分光。
所述空间光调制器4安装在光束分光棱镜3的出光棱面处，对光束进行调制，调制后的激光束经激光反射镜5反射至长距离分光传输阵列组6。
所述长距离分光传输阵列组6将分光束导入光纤中，并经光纤芯径内的全反射进行长距离传输，传输后再经阵列组的出光镜片至聚焦振镜组7。
所述工件8的加工由聚焦振镜组7分别控制分光束的聚焦扫描进行表面加工，通过调整长距离分光传输阵列组6和聚焦振镜组7的空间排布，实现大幅面和多焦点并行加工。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种超快激光多焦点大间距并行加工装置，其特征在于，包括超快激光发生器(1)、扩束镜(2)、光束分光棱镜(3)、空间光调制器(4)、激光反射镜(5)、长距离分光传输阵列组(6)、聚焦振镜组(7)、工件(8)；所述超快激光器(1)产生超短脉冲激光束，经过所述空间光调制器(4)和光学器件的调制，由所述长距离分光传输阵列组(6)对激光束进行分光传输，入射至聚焦振镜组(7)聚焦，在大幅面工件上的多个区域，或者在多个工件上进行多焦点并行加工。
2.根据权利要求1所述的超快激光多焦点大间距并行加工装置，其特征在于，安装和组装过程如下：
将所述超快激光发生器(1)与电源、控制系统连接，用于产生超短脉冲激光束；
将所述扩束镜(2)安装在所述超快激光发生器(1)产生的光束路径上，用于对所述超快激光束进行扩束；
所述光束分光棱镜(3)在激光反射镜(5)反射的路径上，用于对超快激光束按照一定反射和透射比例分成多束光；
所述空间调制器(4)，设于所述光束分光棱镜(3)的出光路径上，用于按照激光与光纤微透镜阵列组耦合的图案数据文件调制多束光；
所述长距离分光传输阵列组(6)，设于由所述空间光调制器(4)调制的出射分光束到所述激光反射镜(5)反射的路径上，用于分光束与光纤微透镜阵列组进行耦合，分光束在光纤内进行长距离传输；
所述聚焦振镜组(7)，在所述长距离分光传输阵列(6)出光口上，用于对所述超短脉冲激光束进行聚焦，聚焦至所述工件(8)上。
3.根据权利要求1所述的超快激光多焦点大间距并行加工装置，其特征在于，所述长距离分光传输阵列组(6)包括调制分光束(61)、空间阵列分布球状耦合器(62)，输出光纤(63)，所述空间阵列分布球状耦合器(62)接收经过所述调制分光束(61)，导入至球透镜-自聚焦柱透镜中，所述空间阵列分布球状耦合器(62)由不同空间排布的球透镜-自聚焦柱透镜组成；所述调制分光束(61)耦合至所述输出光纤(63)中，所述输出光纤(63)对所述调制分光束(61)进行长距离传输；所述调制分光束(61)导出至振镜中，达到长距离分光加工的目的。
4.一种超快激光多焦点大间距并行加工方法，其特征在于，加工方法步骤如下：
步骤1：所述超快激光发生器(1)产生的激光束经过所述扩束镜(2)扩束后，再经过所述激光反射镜(5)反射到所述光束分光棱镜(3)，再照射到所述空间光调制器(4)中；
步骤2：所述空间光调制器(4)调制超快激光束，光束经过调制后，入射至所述激光反射镜(5)；
步骤3：光束被传输至由微透镜和光纤组成的所述长距离分光传输阵列组(6)上；
步骤4：分光束入射至光纤一端的微透镜，并在光纤内进行大距离全反射传输；
步骤5：光纤两端的光束由微透镜组成的望远镜系统，经过微透镜缩束后，分光束进入扫描振镜组，在工件上进行激光加工；
步骤6：分光束在光纤内长距离传输至所述聚焦振镜组(7)中，聚焦在所述工件(8)上进行激光加工。
5.根据权利要求4所述的超快激光多焦点大间距并行加工方法，其特征在于，所述步骤3中，还包括对调制光束进行分束传输，其中，光纤组部分由空心石英光纤、掺镱光子晶体光纤等特种光纤构成；光纤微透镜阵列组由熔接机、二氧化碳激光微加工、冷加工等方法将光纤两端剥皮制成的光纤头制成微透镜。
6.根据权利要求4所述的超快激光多焦点大间距并行加工方法，其特征在于，所述步骤6中，分光束可形成多组光束，同时在大幅面工件上的多个区域加工，或者多个工件的多焦点并行加工。
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