CN113751892A - 一种基于激光光斑能量整形的厚材切割系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光光斑能量整形的厚材切割系统，属于激光加工设备领域，其包括激光器、用于控制光斑能量分布的整形透镜模块以及聚焦透镜模块，经过聚焦透镜模块聚焦的激光射至待切割的厚材上，控制激光的焦点落在待切割的厚材内，沿预定的切割轨迹移动激光的焦点以完成对厚材的切割；整形透镜模块至少包括一个双折射率镜片，双折射率镜片为由双折射晶体制成，双折射率镜片的透镜光轴设置为垂直于单轴晶体的光轴；激光沿双折射率镜片的光轴入射双折射率镜片，经过双折射率镜片后分为两束焦距不同的激光，该两束激光激光共同经过聚焦透镜模块的聚焦后，在待切割的厚材内形成各自的焦点光斑，各自焦点光斑位于厚材内不同的深度位置。

Description

一种基于激光光斑能量整形的厚材切割系统

技术领域

本发明属于激光整形领域，具体涉及一种基于激光光斑能量整形的厚材切割系统。

背景技术

激光加工是将工件放置在高能量密度的聚焦光束下，利用光热效应使得工件表面发生侵蚀等现象的一种加工方法。随着激光加工技术的发展，因为激光加工过程中聚焦光束具备能量密度大、高度集中等优势，激光加工在材料加工领域显得愈发重要。激光加工技术获得广泛的开发及利用，但在材料加工领域，激光加工实际生产过程中，激光加工的聚焦光束与工件材料之间相互作用产生融化，烧蚀，蒸发等现象，其过程产生的热量极易导致工件材料加工表面出现断面粗糙刮渣等缺陷；工件材料受光辐射作用产生的物理和化学效应，会在聚焦光束的多焦点中的每个聚焦点处形成不同能量分布，导致良莠不齐的材料断面处理效果；从而影响了工件材料表面加工质量，使得加工后续处理工序繁重，经济效益差，因此，优化激光加工整形光学系统，提高激光加工效率显得尤为重要。

现有技术中，如专利公开号CN210243981U提出了一种激光线性光斑整形光学系统，包括沿入射光线传输方向依次设置的球面镜组和柱面镜组；每组球面镜组包括沿入射光线传输方向依次设置的第一球面镜和第二球面镜；柱面镜组包括沿入射光线传输方向依次设置的第一柱面镜和第二柱面镜，所有的球面镜组共用一组柱面镜组。该专利旨在提出一种光斑整形光学系统，通过设置常规的球面镜组、柱面镜组，从而得到均匀度较高的线性光；但是该技术方案球面镜组及柱面镜组自由曲面加工难度大、加工成本高，且球面镜组及柱面镜组的光斑口径、波长单一配对，适用性较低，难以满足复杂多变的实际加工生产需求。

因此，针对现有技术中存在的问题，亟需提供一种适用范围广、通用性高的激光加工光斑能量整形光学系统。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于激光光斑能量整形的厚材切割系统，通过整形透镜模块中的镜片面型和材料特性控制焦点的能量整形光斑，使焦点聚焦在工件表面或工件内部进行加工，提供细长的聚焦传输特性，提升加工性能，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于激光光斑能量整形的厚材切割系统，其包括用于产生激光的激光器、用于控制光斑能量分布的整形透镜模块以及聚焦透镜模块，经过聚焦透镜模块聚焦的激光射至待切割的厚材上，控制激光的焦点落在待切割的厚材内，沿预定的切割轨迹移动激光的焦点以完成对厚材的切割；

所述整形透镜模块至少包括一个双折射率镜片，所述双折射率镜片为由双折射晶体制成的凸透镜或凹透镜，所述双折射晶体采用单轴晶体，双折射率镜片的透镜光轴设置为垂直于单轴晶体的光轴；

所述激光沿所述双折射率镜片的光轴入射所述双折射率镜片，经过双折射率镜片后分为两束焦距不同的激光，该两束激光激光共同经过所述聚焦透镜模块的聚焦后，在待切割的厚材内形成各自的焦点光斑，各自焦点光斑位于厚材内不同的深度位置。

优选的，所述整形透镜模块包括至少两个延透镜光轴方向间隔设置的双折射率镜片，每相邻两个所述双折射率镜片的透镜光轴的方向相同，所述激光依次经过所述整形透镜模块中的所有双折射率镜片后入射至所述聚焦透镜模块，所述激光每经过一个双折射率镜片后分为两束焦距不同的激光，所述激光经过所述整形透镜模块后分为多束焦距不同的激光，多束焦距不同的激光共同经过所述聚焦透镜模块的聚焦后，在待切割的厚材内形成各自的焦点光斑，各自焦点光斑位于厚材内不同的深度位置，所述焦点的最大数量N＝2L，其中L 是双折射率镜片的数量。

优选的，所述整形透镜模块中的双折射率镜片均为多曲率镜片，每相邻两个所述双折射率镜片之间的间距可调。通过改变两个双折射率镜片的曲率并转动它们之一即可以产生三个或两个分开的聚焦点并改变它们之间的距离。因此，可以针对不同材料工艺实现特定的激光辐射控制优化光斑能量分布。

优选的，通过调整相邻两个所述双折射率镜片之间的间距来调整所述双折射率镜片对应的焦点之间的间距，相邻两个所述双折射率镜片构成的部分所述整形透镜模块的焦距f通过以下公式得出：

其中，fa为靠近激光器的双折射率镜片的焦距，fb为靠近聚焦透镜模块的双折射率镜片的焦距，d为相邻两个所述双折射率镜片之间的间距。通过改变距离d导致焦距f的改变，这进而导致相邻两个所述双折射率镜片产生的焦点F1，F2，F3，F4之间的距离改变，并且因此优化特定材料处理技术的参数。

优选的，所述厚材切割系统还包括波片模块，所述波片模块包括前波片，所述前波片设置在所述激光器和所述整形透镜模块之间，所述前波片为四分之一波片，所述前波片的晶体光轴相对于激光器发出的激光束的偏振面成45度角。所述前波片设置在所述激光器和所述整形透镜模块中最靠近所述激光器的双折射率镜片之间。

优选的，所述激光器发出的激光束为线偏振光，相邻两个双折射率镜片的晶体光轴之间的角度为45°。通过四分之一波片将线偏振光转换为圆偏振光。相邻两个双折射率镜片的晶体光轴之间的角度为45°可以使各焦点提供相等的能量部分。围绕整形透镜模块的光轴旋转所述前波片使得可以以不同的方式控制激光能量分布，从而优化工艺条件，实现不同材料和不同激光的工艺调整。

优选的，所述波片模块还包括后波片，所述后波片设置在所述整形透镜模块和所述聚焦透镜模块之间。所述后波片设置在所述整形透镜模块中最靠近所述聚焦透镜模块的双折射率镜片和聚焦透镜模块之间。

优选的，所述厚材切割系统还包括补偿镜片，所述补偿镜片设置在所述整形透镜模块和聚焦透镜模块之间，所述补偿镜片包括至少一个多曲率镜片，所述补偿镜片和所述聚焦透镜模块均可移动，通过控制后置的多曲率镜片和聚焦透镜模块的移动实现多焦点像差补偿，以控制各焦点能量分布。通过将补偿镜片和所述聚焦透镜模块移动到适当位置，从而对光聚焦所引起的像差进行完全补偿、过度补偿或补偿不足。

本发明的有益效果：

(1)通过设置至少两个双折射材料镜片，调整各镜片相对位置用以控制加工区域内各部分焦点能量密度，实现细长光束的能量调节和长度调节，提高材料断面加工质量；

(2)通过配置多曲率镜片相对位置实现细长加工区间的光束轮廓控制，优化加工区域的能量密度分布曲线，提高材料加工效果；

(3)通过设置补偿镜片，在激光聚焦加工过程中，实现对加工区域内焦点深度的控制，用以解决调节焦点在可变范围内的像差补偿，以应对不同厚度材料切割过程中焦点调节的细长加工区域在材料内部的球差和彗差变化，减少加工后续处理工序；

(4)通过在聚焦光学系统中的整形透镜模块前后添加波片的方式，优化激光束的偏振态，改变不同方向的偏振能量分布，实现各级次焦点的能量密度控制，提高加工效率。

附图说明

图1是本发明的多曲率和双折射率控制的可变多焦点激光材料加工的光学系统示意图；

图2是本发明的光束轮廓可控在对焦点能量控制的能量分布示意图；

图3是本发明实施例3的补偿镜片调节控制以实现焦点区域的像差调节示意图；

图4是本发明实施例2的镜片和波片优化了激光束的偏振状态示意图；

图5是本发明激光分束的多个焦点间距在加工材料中的调节示意图；

附图标记：

201、第一双折射率镜片；202、第二双折射率镜片；203、聚焦镜一；204、工件一；205、第一焦点；206、第二焦点；207、第三焦点；208、第四焦点；209、准直光束；301、第一多曲率镜片；302、第二多曲率镜片；303、工件二；304、焦点一；305、焦点二；306、焦点三；307、焦点四；401、第五双折射率镜片；402、第六双折射率镜片；403、第七双折射率镜片；404、补偿镜片；405、聚焦镜三；406、工件五；407、各级次焦点二；501、前波片；502、第三双折射率镜片；503、第四双折射率镜片；504、聚焦镜二；505、工件四；506、各级次焦点一；601、双折射率镜片一；602、双折射率镜片二；603、工件三；

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。

实施例1

一种基于激光光斑能量整形的厚材切割系统，其包括用于产生激光的激光器、用于控制光斑能量分布的整形透镜模块以及聚焦透镜模块，经过聚焦透镜模块聚焦的激光射至待切割的厚材上，控制激光的焦点落在待切割的厚材内，沿预定的切割轨迹移动激光的焦点以完成对厚材的切割；

所述整形透镜模块至少包括一个双折射率镜片，所述双折射率镜片为由双折射晶体制成的凸透镜或凹透镜，所述双折射晶体采用单轴晶体，双折射率镜片的透镜光轴设置为垂直于单轴晶体的光轴；所述激光沿所述双折射率镜片的光轴入射所述双折射率镜片，经过双折射率镜片后分为两束焦距不同的激光，该两束激光激光共同经过所述聚焦透镜模块的聚焦后，在待切割的厚材内形成各自的焦点光斑，各自焦点光斑位于厚材内不同的深度位置。

本发明通过双折射材料的透镜和多曲率透镜实现的聚焦为细长的激光加工区域的工艺方法。双折射材料通过晶体特性在晶体光轴和光偏振面相互定向。透镜由单轴晶体制成并且晶体光轴垂直于透镜光轴，在入射的准直光为非偏振，线偏振，部分偏振，圆偏振或椭圆偏振的情形下。在入射光和晶体光轴成0度和90度入射时，会产生两个独立焦点。入射光为非偏振光，圆偏振光或椭圆偏振光以45度入射角入射晶体光轴与椭圆轴的平面之间成 45度角时产生的能量分布将是平均分配到两个焦点的。如果入射光为线偏振光并且偏振平面和晶体光轴为0度或90度时，则仅出现一个焦点。在其他情形下产生的焦点能量，各焦点的能量分布则不相等。多曲率镜片则通过不同曲率对应不同分区，根据光束直径控制能量级次对应的能量分布。实现多焦点能量分布控制和焦点数量的控制。在分布曲率控制过程中实现焦点分布控制。

本实施例中所述整形透镜模块包括至少两个延透镜光轴方向间隔设置的双折射率镜片，每相邻两个所述双折射率镜片的透镜光轴的方向相同，所述激光依次经过所述整形透镜模块中的所有双折射率镜片后入射至所述聚焦透镜模块，所述激光每经过一个双折射率镜片后分为两束焦距不同的激光，所述激光经过所述整形透镜模块后分为多束焦距不同的激光，多束焦距不同的激光共同经过所述聚焦透镜模块的聚焦后，在待切割的厚材内形成各自的焦点光斑，各自焦点光斑位于厚材内不同的深度位置，所述焦点的最大数量N＝2L，其中L 是双折射率镜片的数量。将双折射材料的多个透镜组合在一起，可以创建具有多个焦点的聚焦光学系统。

如图1所示，本实施例优选的，所述整形透镜模块包括两个延透镜光轴方向间隔设置的双折射率镜片，分别为第一双折射率镜片201和第一双折射率镜片201，激光器发出的准直光束209经过第一双折射率镜片201、第二双折射率镜片202、聚焦镜一203实现在工件一204表面及内部形成第一焦点205、第二焦点206、第三焦点207、第四焦点208这四个单独聚焦点，可通过准直光束209的偏振状态和第一双折射率镜片201和第二双折射率镜片202的晶体光轴方向，实现各分离焦点的能量分布的各种组合。图1中的点列图和能量集中分布曲线，为一种适合厚板切割的光学配置，通过偏振状态和晶体光轴控制可实现多种分离焦点能量分布的配置方案。焦点间距由整个光学系统的光学设计控制。如激光束为非偏振并且第一双折射率镜片201和第二双折射率镜片202晶体光轴夹角为45度，则第一焦点205、第二焦点206、第三焦点207、第四焦点208各个焦点的能量相等。改变第一双折射率镜片201和第二双折射率镜片202的曲率并转动它们之一可以产生三个或两个分开的聚焦点并改变它们之间的距离。因此，可以针对不同材料工艺实现特定的激光辐射控制优化光斑能量分布。

所述整形透镜模块中的双折射率镜片均为多曲率镜片，聚焦透镜模块也为多曲率镜片，每相邻两个所述双折射率镜片之间的间距可调。通过改变两个双折射率镜片的曲率并转动它们之一即可以产生三个或两个分开的聚焦点并改变它们之间的距离。因此，可以针对不同材料工艺实现特定的激光辐射控制优化光斑能量分布。本发明通过对准直光束209大小进行调节实现对多曲率镜片的焦点能量控制。图2所示，第一多曲率镜片301和第二多曲率镜片302通过变倍准直光输出来控制焦点一304，焦点二305，焦点三306和焦点四307的能量大小实现，以实现对能量分布的控制，通过调节第一多曲率镜片301和第二多曲率镜片302的间距和曲率配置，实现各个焦点间距变化和能量分配，实现对不同材料性质的工件二303的加工过程中焦点能量的优化，满足不同工艺能量分布的需求。

优选的，如图5所示，通过调整相邻两个所述双折射率镜片之间的间距来调整所述双折射率镜片对应的焦点之间的间距，相邻两个双折射率镜片构成的部分所述整形透镜模块的焦距f通过以下公式得出：

其中，fa为靠近激光器的双折射率镜片一601的焦距，fb为靠近聚焦透镜模块的双折射率镜片二602的焦距，d为双折射率镜片一601和双折射率镜片二602之间的间距。通过改变距离d导致焦距f的改变，这进而导致在工件三603上相邻两个所述双折射率镜片产生的焦点F1，F2，F3，F4之间的距离改变，并且因此优化特定材料处理技术的参数。

实施例2

基于实施例1的基础，本实施例公开的基于激光光斑能量整形的厚材切割系统还包括波片模块，如图4所示，所述波片模块包括前波片501，所述前波片501设置在所述激光器和所述整形透镜模块之间，整形透镜模块包括第三双折射率镜片502、第四双折射率镜片503，聚焦透镜模块包括聚焦镜二504，所述前波片501为四分之一波片，所述前波片501 的晶体光轴相对于激光器发出的激光束的偏振面成45度角。所述前波片501设置在所述激光器和所述整形透镜模块中最靠近所述激光器的双折射率镜片之间。所述激光器发出的激光束为线偏振光，相邻两个双折射率镜片的晶体光轴之间的角度为45°。通过四分之一波片将线偏振光转换为圆偏振光。相邻两个双折射率镜片的晶体光轴之间的角度为45°可以使各级次焦点一506提供相等的能量部分。围绕整形透镜模块的光轴旋转所述前波片501 使得可以以不同的方式控制在工件四505上的激光能量分布，从而优化工艺条件，实现不同材料和不同激光的工艺调整。

所述波片模块还包括后波片，所述后波片设置在所述整形透镜模块和所述聚焦透镜模块之间。所述后波片设置在所述整形透镜模块中最靠近所述聚焦透镜模块的双折射率镜片和聚焦透镜模块之间。

实施例3

当光束聚焦在空气中时，它提供了受衍射限制的光斑尺寸和最大可达到的能量集中度，根据本发明实施例1的聚焦光学系统图1的光学设计可知由于在内部块状材料中聚焦而引起的彗形像差和球面像差的补偿，通过补偿镜片404和所述聚焦透镜模块的移动可以用来补偿在将光聚焦在加工材料工件内部时发生的球差。

基于实施例1的基础，本实施例公开的基于激光光斑能量整形的厚材切割系统还包括补偿镜片404，如图3所示，所述补偿镜片404设置在所述整形透镜模块和聚焦透镜模块之间，整形透镜模块包括第五双折射率镜片401、第六双折射率镜片402、第七双折射率镜片403，聚焦透镜模块包括设置在补偿镜片404一侧的聚焦镜三405，所述补偿镜片404包括至少一个多曲率镜片，所述补偿镜片404和所述聚焦透镜模块均可移动，通过控制后置的多曲率镜片和聚焦透镜模块的移动实现多焦点像差补偿，以控制各级次焦点二407的能量分布。通过将补偿镜片404和所述聚焦透镜模块移动到适当位置，从而对光聚焦所引起的像差进行完全补偿、过度补偿或补偿不足。进而在工件五406内部，实现不同焦点调节过程中的像差补偿，应对不同厚度焦点调节的细长加工区域在材料内部的球差和彗差变化，用于优化对应工艺条件。

本实施例的补偿镜片404还可以和实施例2中的波片模块结合，即在本实施例中的整形透镜模块前侧设置前波片501。

本发明上述实施例的基于激光光斑能量整形的厚材切割系统在激光材料加工过程中，主要通过长焦深实现厚材料的分离技术，将激光能量聚焦在不同聚焦点上实现长焦深，在激光加工设备中应用以提升加工件表面的质量。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种基于激光光斑能量整形的厚材切割系统，其包括用于产生激光的激光器、用于控制光斑能量分布的整形透镜模块以及聚焦透镜模块，经过聚焦透镜模块聚焦的激光射至待切割的厚材上，控制激光的焦点落在待切割的厚材内，沿预定的切割轨迹移动激光的焦点以完成对厚材的切割；其特征在于，

所述整形透镜模块至少包括一个双折射率镜片，所述双折射率镜片为由双折射晶体制成的凸透镜或凹透镜，所述双折射晶体采用单轴晶体，双折射率镜片的透镜光轴设置为垂直于单轴晶体的光轴；

所述激光沿所述双折射率镜片的光轴入射所述双折射率镜片，经过双折射率镜片后分为两束焦距不同的激光，该两束激光激光共同经过所述聚焦透镜模块的聚焦后，在待切割的厚材内形成各自的焦点光斑，各自焦点光斑位于厚材内不同的深度位置。

2.根据权利要求1所述的厚材切割系统，其特征在于，所述整形透镜模块包括至少两个延透镜光轴方向间隔设置的双折射率镜片，每相邻两个所述双折射率镜片的透镜光轴的方向相同，所述激光依次经过所述整形透镜模块中的所有双折射率镜片后入射至所述聚焦透镜模块，所述激光每经过一个双折射率镜片后分为两束焦距不同的激光，所述激光经过所述整形透镜模块后分为多束焦距不同的激光，多束焦距不同的激光共同经过所述聚焦透镜模块的聚焦后，在待切割的厚材内形成各自的焦点光斑，各自焦点光斑位于厚材内不同的深度位置，所述焦点的最大数量N＝2L，其中L是双折射率镜片的数量。

3.根据权利要求1或2所述的厚材切割系统，其特征在于，所述整形透镜模块中的双折射率镜片均为多曲率镜片，每相邻两个所述双折射率镜片之间的间距可调。

4.根据权利要求3所述的厚材切割系统，其特征在于，通过调整相邻两个所述双折射率镜片之间的间距来调整所述双折射率镜片对应的焦点之间的间距，相邻两个所述双折射率镜片构成的部分所述整形透镜模块的焦距f通过以下公式得出：

其中，fa为靠近激光器的双折射率镜片的焦距，fb为靠近聚焦透镜模块的双折射率镜片的焦距，d为相邻两个所述双折射率镜片之间的间距。

5.根据权利要求1或2所述的厚材切割系统，其特征在于，所述厚材切割系统还包括波片模块，所述波片模块包括前波片，所述前波片设置在所述激光器和所述整形透镜模块之间，所述前波片为四分之一波片，所述前波片的晶体光轴相对于激光器发出的激光束的偏振面成45度角。

6.根据权利要求5所述的厚材切割系统，其特征在于，所述激光器发出的激光束为线偏振光，相邻两个双折射率镜片的晶体光轴之间的角度为45°。

7.根据权利要求5所述的厚材切割系统，其特征在于，所述波片模块还包括后波片，所述后波片设置在所述整形透镜模块和所述聚焦透镜模块之间。

8.根据权利要求1或2所述的厚材切割系统，其特征在于，所述厚材切割系统还包括补偿镜片，所述补偿镜片设置在所述整形透镜模块和聚焦透镜模块之间，所述补偿镜片包括至少一个多曲率镜片，所述补偿镜片和所述聚焦透镜模块均可移动，通过控制后置的多曲率镜片和聚焦透镜模块的移动实现多焦点像差补偿，以控制各焦点能量分布。

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