CN116117304A - 一种整形光束的旋转跟随光学装置及激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种整形光束的旋转跟随光学装置及激光加工系统，其旋转跟随光学装置中，整形光束先经道威棱镜的第一斜面反射至反射镜，再经反射镜反射至道威棱镜的第二斜面，最后经道威棱镜的第二斜面反射后输出，且输入道威棱镜的整形光束的光轴、输出道威棱镜的整形光束的光轴、旋转道威棱镜系统的旋转轴重合。该装置可以实现整形光束的旋转跟随，因而根据加工路径，通过调整旋转道威棱镜系统，即可使整形光束在加工面上的光场分布始终与加工路径保持恒定夹角，从而保证加工效果的一致性，而且不存在引入光程差的问题，进而保证了输出光束的质量。将该装置与扩束镜系统、4f系统和聚焦系统构成激光加工系统，可以对产品进行高效率、高质量加工。

Description

一种整形光束的旋转跟随光学装置及激光加工系统

技术领域

本发明涉及激光加工光学设计技术领域，尤其涉及一种整形光束的旋转跟随光学装置及激光加工系统。

背景技术

玻璃切割完成后，边缘一般比较锋利，这对于搬运、后期加工或安装都不方便，容易对人员造成刮伤。同时，玻璃切割完后，边角处存在微裂纹，这些微裂纹会在使用过程中慢慢扩大，从而对玻璃的寿命造成影响。为了去除玻璃切割后残留的微裂纹和避免锋利的边缘划伤人体，需要对玻璃进行倒角。此外，倒角后的玻璃更加美观，因此倒角工艺是玻璃深加工中很重要的一步。

传统的玻璃倒角方法有两种，一种是手持打磨设备，对玻璃的边角进行打磨倒角，这种方式的倒角半径大小完全依靠操作的熟练程度，费事费力，而且产品的品质得不到保证，生产效率较低，对于较薄较小的样品也无法适用。另一种是使用玻璃倒角机进行倒角，而现有的玻璃倒角机仅能够将平板玻璃的四个边角打磨成平面，虽然降低了其边角的锋利程度，但边角处仍然存在凸棱，难以满足需求。此外，以上倒角方法均属于机械加工方式，接触式加工不仅会存在机械磨损，还会引入新的缺陷。

超快激光由于其超高的峰值功率密度，可与材料产生非线性作用，从而沉积激光能量，即使是对激光波长透明的材料，仍然可通过多光子吸收、雪崩电离等非线性效应吸收激光能量。而对于脆性材料，由于其抗拉强度远低于其抗压强度，在受到内部热应力的作用下，极易产生微裂纹，因此超快激光是透明脆性材料的理想切割方案。但是超快激光加工时光束一般都是垂直于样品的，无法实现倒角的切割。

针对此问题，公开号为CN106552996A的发明专利将玻璃置于玻璃激光倒角设备的吸附平台上，通过调节摆角机构，使从玻璃激光倒角设备的聚焦机构输出的激光束轴线与玻璃之间的夹角等于要求切割倒角的度数，然后根据所要加工玻璃的倒角的边缘路径，在玻璃激光倒角设备的操作软件设置二维运动平台行进路径，从而实现对玻璃的倒角加工。然而，此方法需要复杂的机械装置和控制方法，而且无法一次成形，每次只能对单面的材料实施倒角加工。公开好为CN113399846A的发明专利先采用倾斜的紫外激光束对待加工工件的预设倒角区进行划线，以划出引导裂纹，然后利用二氧化碳激光沿引导裂纹的延伸方向对待加工工件的预设倒角区进行倒角加工。此方法同样存在无法一次成形的问题，加工效率低。

激光整形技术的出现和发展为解决此问题带来了新的契机，可通过整形系统将入射激光整形为可实现一次倒角成形的光束能量分布，即可获得高效高质量的倒角切割加工。但是经过整形的光束已不再是如入射光束一样的圆对称光束，其能量不再是均匀分布，若加工路径不是直线，则激光束能量分布方向与路径的夹角不为恒定值，就会影响加工效果的质量和一致性。换言之，这种整形为一次倒角成形的光束只能进行直线倒角的切割，而现实需要倒角切割的基本上都是回转体结构，部分甚至为复杂异形回转体，显然无法满足实际工程需要。因此，针对整形后所输出的在焦平面具有非旋转对称光斑的整形光束，如何实现其旋转跟随以满足整形光束在加工面上的光场分布始终与加工路径保持恒定夹角，已然是玻璃倒角等产品激光加工作业中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种整形光束的旋转跟随光学装置及激光加工系统，一方面，该装置可以实现整形光束的旋转跟随，另一方面，将该装置与扩束镜系统、4f系统和聚焦系统构成激光加工系统，可以对产品进行高效率、高质量加工。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种整形光束的旋转跟随光学装置，包括沿光路依次设置的整形系统、旋转道威棱镜系统；

所述整形系统用于将具有旋转对称光斑的入射激光束整形为在焦平面具有非旋转对称光斑的整形光束；

所述旋转道威棱镜系统包括道威棱镜和反射镜，道威棱镜的第一斜面和第二斜面均为反射面，反射镜设置在道威棱镜上方，且其平行于道威棱镜的底面，道威棱镜与反射镜共用同一旋转轴同步旋转；

所述整形光束先经道威棱镜的第一斜面反射至反射镜，再经反射镜反射至道威棱镜的第二斜面，最后经道威棱镜的第二斜面反射后输出，且输入道威棱镜的整形光束的光轴、输出道威棱镜的整形光束的光轴、旋转道威棱镜系统的旋转轴重合。

进一步的，所述整形系统为空间光调制器或衍射光元件或振镜或微透镜阵列。

进一步的，所述入射激光束为具有旋转对称光斑的高斯激光束。

一种激光加工系统，包括沿光路依次设置的扩束镜系统、4f系统和聚焦系统，4f系统包括第一透镜组和第二透镜组，第一透镜组的焦距为f1，第二透镜组的焦距为f2，聚焦系统的焦距为f，还包括设置在光路上的整形光束的旋转跟随光学装置，整形光束的旋转跟随光学装置中，整形系统设置在扩束镜系统与4f系统之间，旋转道威棱镜系统设置在整形系统与聚焦系统之间，第一透镜组与整形系统的间距为f1，第一透镜组与第二透镜组的间距为f1+f2，第二透镜组与聚焦系统的间距为f2+f。

进一步的，所述旋转道威棱镜系统设置在整形系统与4f系统的第一透镜组之间。

进一步的，所述第一透镜组和第二透镜组中均设有至少一片镜片。

本发明的有益效果为：

相比于现有技术，其整形光束的旋转跟随光学装置可以实现整形光束的旋转跟随，因而根据加工路径，通过调整旋转道威棱镜系统，即可使整形光束在加工面上的光场分布始终与加工路径保持恒定夹角，从而保证加工效果的一致性，而且不存在引入光程差的问题，进而保证了输出光束的质量，使其可广泛应用于整形激光束材料加工领域。

将该整形光束的旋转跟随光学装置与扩束镜系统、4f系统和聚焦系统构成激光加工系统，可以对产品进行高效率、高质量加工。

附图说明

图1为本发明激光加工系统的光路连接结构示意图；

图2为本发明整形光束的非旋转跟随与旋转跟随的加工效果对比示意图。

标注说明：1、入射激光束，2、扩束镜系统，3、整形系统，4、整形光束，5、旋转道威棱镜系统，51、道威棱镜，52、反射镜，6、第一透镜组，7、反射镜组件，8、第二透镜组，9、聚焦系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1所示，一种整形光束的旋转跟随光学装置，包括沿光路依次设置的整形系统3、旋转道威棱镜系统5。

整形系统3用于将具有旋转对称光斑的入射激光束1整形为在焦平面具有非旋转对称光斑的整形光束4，也就是使光束在加工面上的光场分布发生变化。其中，入射激光束1为具有旋转对称光斑的高斯激光束，整形系统3为空间光调制器或衍射光元件或振镜或微透镜阵列。

旋转道威棱镜系统5包括道威棱镜51和反射镜52，道威棱镜51的第一斜面和第二斜面均为反射面，反射镜52设置在道威棱镜51上方，且其平行于道威棱镜51的底面，道威棱镜51与反射镜52共用同一旋转轴同步旋转。

整形光束4先经道威棱镜51的第一斜面反射至反射镜52，再经反射镜52反射至道威棱镜51的第二斜面，最后经道威棱镜52的第二斜面反射后输出，且输入道威棱镜51的整形光束4的光轴、输出道威棱镜51的整形光束4的光轴、旋转道威棱镜系统5的旋转轴重合。

作为上述整形光束的旋转跟随光学装置的具体应用，一种激光加工系统，包括沿光路依次设置的扩束镜系统2、4f系统和聚焦系统9，4f系统包括第一透镜组6和第二透镜组8，第一透镜组6的焦距为f1，第二透镜组8的焦距为f2，聚焦系统9的焦距为f。第一透镜组6和第二透镜组8中均设有至少一片镜片。

还包括设置在光路上的整形光束的旋转跟随光学装置，整形光束的旋转跟随光学装置中，整形系统3设置在扩束镜系统2与4f系统之间，旋转道威棱镜系统5设置在整形系统3与聚焦系统9之间，第一透镜组6与整形系统3的间距为f1，第一透镜组6与第二透镜组8的间距为f1+f2，第二透镜组8与聚焦系统9的间距为f2+f。其中，整形系统3的选型视加工需求和应用场景而定。

本实施例中，旋转道威棱镜系统5设置在整形系统3与4f系统的第一透镜组6之间。

若光路为非直线，则通过反射镜组件7实现各光学系统之间的光连接。

下面对本发明的原理进行详细说明：

道威棱镜51之所以可对其整形光束4实施旋转跟随，得益于道威棱镜51对光束的旋转变换。对于传统道威棱镜，即透射式道威棱镜，入射光束由透射式道威棱镜的第一斜面进入后，会在其底面产生全反射，然后由其第二斜面射出，形成出射光束。因为仅发生一次全反射，则将光束旋转了180°。因此，将道威棱镜51旋转即可实现对入射光束的任意角度旋转输出，从而实现旋转跟随。

本发明之所以在光路上设置旋转道威棱镜系统5，目的在于旋转整形光束4，实现其旋转跟随。图2所示为非旋转跟随与旋转跟随加工效果对比示意图，以在焦平面具有椭圆光斑的整形光束4为例，其中，图2中的（a）为非旋转跟随加工效果，图2中的（b）为旋转跟随加工效果，可以很明显地表明本发明的意图以及所解决的问题。

具体的，在将入射圆高斯光束经整形系统3整形后输出整形光束4，采用整形光束4加工仅能对样品进行直线加工。原因在于，一旦加工路径与整形光束4在加工面上的光场分布方向不保持恒定夹角，则由整形光束4诱导产生的温度场以及应力场相对于加工路径的分布就不是均匀的，显然会导致不同位置加工效果的差异，这会极大地影响加工质量，甚至导致加工失败。而通过设置旋转道威棱镜系统5，则可以根据加工路径对整形光束4实施旋转，得到在加工面上的光场分布方向与加工路径的角度保持恒定值的整形光束4，从而确保加工效果的一致性。

更进一步的，本发明采用反射式道威棱镜，也就是按如下结构设计旋转道威棱镜系统5：旋转道威棱镜系统5包括道威棱镜51和反射镜52，道威棱镜51的第一斜面和第二斜面均为反射面，反射镜52设置在道威棱镜51上方，且其平行于道威棱镜51的底面，道威棱镜51与反射镜52共用同一旋转轴同步旋转。

按照上述设计方案是因为整形光束4存在发散角，包括若干非平行光束。若采用传统的透射式道威棱镜，由于折射效应的存在，各光束在经过透射式道威棱镜时所经过的光程存在差异，这样就会破坏从整形系统3到聚焦系统9的固定间距的特性，从而导致最终在加工面上聚焦形成的光场分布与设计不一致，虽然仍可以实现旋转跟随，但光场分布的改变会直接影响加工效果。

本发明的旋转道威棱镜系统5采用反射式道威棱镜后，整形光束4通过威棱镜51和反射镜52的组合同样可实现旋转变换，而反射式道威棱镜避免了折射效应，各光束之间不存在光程差，各光学系统间的固定间距得到了保证，不仅保证了旋转道威棱镜系统5所输出的整形光束4在加工面上的光场分布与设计保持一致，同时不影响其旋转跟随功能，从而保证了高一致性的高质量加工，具有广泛应用范围和很强的工程实用性。

总的来说，本发明可以实现整形光束4的旋转跟随，因而根据加工路径，通过调整旋转道威棱镜系统5，即可使整形光束4在加工面上的光场分布始终与加工路径保持恒定夹角，从而保证加工效果的一致性，而且不存在引入光程差的问题，进而保证了输出光束的质量。

将该整形光束的旋转跟随光学装置与扩束镜系统2、4f系统和聚焦系统9构成激光加工系统，可以对产品进行高效率、高质量加工。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种整形光束的旋转跟随光学装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的整形系统、旋转道威棱镜系统；

所述整形系统用于将具有旋转对称光斑的入射激光束整形为在焦平面具有非旋转对称光斑的整形光束；

所述旋转道威棱镜系统包括道威棱镜和反射镜，道威棱镜的第一斜面和第二斜面均为反射面，反射镜设置在道威棱镜上方，且其平行于道威棱镜的底面，道威棱镜与反射镜共用同一旋转轴同步旋转；

所述整形光束先经道威棱镜的第一斜面反射至反射镜，再经反射镜反射至道威棱镜的第二斜面，最后经道威棱镜的第二斜面反射后输出，且输入道威棱镜的整形光束的光轴、输出道威棱镜的整形光束的光轴、旋转道威棱镜系统的旋转轴重合。

2.根据权利要求1所述的一种整形光束的旋转跟随光学装置，其特征在于：所述整形系统为空间光调制器或衍射光元件或振镜或微透镜阵列。

3.根据权利要求1或2所述的一种整形光束的旋转跟随光学装置，其特征在于：所述入射激光束为具有旋转对称光斑的高斯激光束。

4.一种激光加工系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的扩束镜系统、4f系统和聚焦系统，4f系统包括第一透镜组和第二透镜组，第一透镜组的焦距为f1，第二透镜组的焦距为f2，聚焦系统的焦距为f；

还包括权利要求1至3任意一项所述的整形光束的旋转跟随光学装置，整形光束的旋转跟随光学装置设置在光路上，且整形光束的旋转跟随光学装置中，整形系统设置在扩束镜系统与4f系统之间，旋转道威棱镜系统设置在整形系统与聚焦系统之间；

其中：第一透镜组与整形系统的间距为f1，第一透镜组与第二透镜组的间距为f1+f2，第二透镜组与聚焦系统的间距为f2+f。

5.根据权利要求4所述的一种激光加工系统，其特征在于：所述旋转道威棱镜系统设置在整形系统与4f系统的第一透镜组之间。

6.根据权利要求4或5所述的一种激光加工系统，其特征在于：所述第一透镜组和第二透镜组中均设有至少一片镜片。

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