CN117444385B - 一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置及其调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置及其调节方法，其中，激光整形加工装置包括：激光加工光源，其所发出激光加工光束为准直光束；透镜，其布置在激光加工光源之前，用于将激光加工光束转换为点光束，作为待整形光束；整形器件，其布置在透镜之前，用于将待整形光束整形为目标形态的已整形光束，其设置在位移机构上，用于驱动整形器件沿待整形光束的光轴移动；准直系统，其布置在整形器件之前，用于将已整形光束准直；聚焦系统，其布置在准直系统之前，用于将准直后的已整形光束聚焦至待加工样品的表面。整形器件沿待整形光束的光轴连续移动，将连续调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸或多焦点整形光斑的间距。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工光学系统设计技术领域，尤其涉及一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置及其调节方法。
背景技术
激光加工作为一种新型加工方式，在近几十年来得到了大力发展，填补了一些加工领域的空白，实现了许多传统加工方式难以达到的效果，甚至在某些领域取代了传统加工方式。其优势主要分为以下几个方面：首先，激光加工为无接触加工方式，无刀具磨损，也不会产生切削力，因而对工件无直接冲击，不会产生机械变形；其次，激光束能量密度高，加工速度快，从而可减小热影响，避免工件热变形；而且，激光束易于导向，加工方法灵活，极易与数控系统配合，可对复杂工件进行加工。
随着更精细、更高速、更大尺寸新型加工需求的发展，高速制备大面积均匀结构是亟待突破的制造手段，然而传统激光微加工在提升加工速度和质量方面陷入瓶颈。一方面，传统激光微加工都是采用单点扫描方式，由于激光聚焦光斑很小，一般只有几十微米或以下，因此这种方式的最大缺点是加工效率低下。此外，高斯聚焦光束的能量具有非均匀分布的特点，易导致加工区域中间局部过烧蚀而外部区域去除率不足，从而影响加工质量和精度。
激光光束整形是将激光光束转换成特定图案、形状或强度分布的过程，以针对特定工艺需求优化光束性能，是突破激光加工应用瓶颈的有希望的方法。通常使用微透镜阵列、达曼光栅、衍射光学元件（DOE）对激光进行整形，以实现特定加工需求。但这些整形器件对光束的整形效果是固定的，只能输出唯一一种整形光束，无法针对需求的改变做出相应的调控。
空间光调制器（SLM）是一种可编程的光束整形器件，通过输入驱动信号，改变其中的液晶分子偏转方向，可对光场的相位进行实时调制，实现平顶光、贝塞尔、多焦点等非传统高斯型光束输出，但要实现单焦点整形光斑的尺寸及多焦点整形光斑的间距的实时调整输出，也需要改变空间光调制器上加载的相位图，无法做到快速、简单的切换。
公开号为CN116482866 A的专利公开了一种适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统方案，该专利通过在光路中设置变倍扩束镜并对其进行调节，可实现能量分布宽度稳定在5~50mm之间的光斑，可灵活处理高度复杂的工作任务。然而，变倍扩束镜的设置及调节只能改变单焦点整形光斑的尺寸大小，对于多焦点整形光斑的间距却无调节作用。
综上，在激光加工过程中，出于对单焦点整形光斑的尺寸及多焦点整形光斑的间距连续可调的需求，需要光路满足实时简便的切换功能，而现有激光整形加工装置难以满足此类需求，因而亟需开发新型激光加工光学系统。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置及其调节方法，按照本发明的激光整形加工装置及其调节方法，无需进行更改光路、重新加载相位全息图等复杂操作，即可连续调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸或多焦点整形光斑的间距，满足了激光加工的多样化需求，具有广泛的应用范围和极高的应用价值。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置，包括激光加工光源、透镜、整形器件、准直系统和聚焦系统；
所述激光加工光源所发出激光加工光束为准直光束；
所述透镜布置在激光加工光源之前，且其中轴与激光加工光束的光轴重合，透镜用于将激光加工光束转换为点光束，作为待整形光束；
所述整形器件布置在透镜之前，整形器件用于将待整形光束整形为目标形态的已整形光束，整形器件设置在位移机构上，位移机构用于驱动整形器件沿待整形光束的光轴移动；
所述准直系统布置在整形器件之前，且其中轴与已整形光束的光轴重合，准直系统用于将已整形光束准直；
所述聚焦系统布置在准直系统之前，且其中轴与已整形光束的光轴重合，聚焦系统用于将准直后的已整形光束聚焦至待加工样品的表面，在待加工样品的表面形成供激光整形加工的单焦点整形光斑或多焦点整形光斑；
所述整形器件沿待整形光束的光轴连续移动，将连续调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸或多焦点整形光斑的间距。
进一步的，所述位移机构为电动位移台，还包括控制系统，控制系统与位移机构和激光加工光源电性连接，用于实时动态调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸或多焦点整形光斑的间距。
进一步的，所述位移机构为手动滑台，用于手动调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸或多焦点整形光斑的间距。
进一步的，所述激光加工光源为单模光源或多模光源。
进一步的，所述整形器件为微透镜阵列或衍射光学元件或光栅。
进一步的，所述透镜为负透镜或正透镜或发射透镜。
进一步的，所述整形器件为双轴整形器件，使待加工样品的表面形成的整形光斑的位置可调。
上述一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置的调节方法，包括如下步骤：
通过整形器件在待加工样品的表面形成单焦点整形光斑时，若需要增大整形光斑的尺寸，使整形器件在位移机构上向远离激光加工光源的方向移动，若需要减小整形光斑的尺寸时，使整形器件在位移机构上向靠近激光加工光源的方向移动；
通过整形器件在待加工样品的表面形成多焦点整形光斑时，若需要增大整形光斑的间距，使整形器件在位移机构上向远离激光加工光源的方向移动，若需要减小整形光斑的间距，使整形器件在位移机构上向靠近激光加工光源的方向移动。
本发明的有益效果为：
该激光整形加工装置通过在激光加工光源之前布置透镜，将激光加工光源所发出激光加工光束转换为点光束，作为待整形光束，同时，将整形器件布置在激光加工光源与准直系统之间，并将整形器件设置在驱动其沿待整形光束的光轴移动的位移机构上，使整形器件沿待整形光束的光轴连续移动，无需进行更改光路、重新加载相位全息图等复杂操作，即可连续调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸或多焦点整形光斑的间距，满足了激光加工的多样化需求，具有广泛的应用范围和极高的应用价值。
附图说明
图1为本发明一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置的结构示意图；
图2为本发明一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置中整形器件的聚焦成像原理图。
标注说明：1、激光加工光源，2、透镜，3、整形器件，4、准直系统，5、反射镜组，6、聚焦系统，7、位移机构，8、控制系统。
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，一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置，包括激光加工光源1、透镜2、整形器件3、准直系统4和聚焦系统6。
激光加工光源1所发出激光加工光束为准直光束。可选的是，本实施例中，激光加工光源1为单模光源或多模光源。
透镜2布置在激光加工光源1之前，且其中轴与激光加工光束的光轴重合，透镜2用于将激光加工光束转换为点光束，作为待整形光束。可选的是，本实施例中，透镜2为负透镜或正透镜或发射透镜。
整形器件3布置在透镜2之前，整形器件3用于将待整形光束整形为目标形态（多焦点、平顶光、涡旋光等特殊光场分布形态）的已整形光束，整形器件3设置在位移机构7上，位移机构7用于驱动整形器件3沿待整形光束的光轴移动。可选的是，本实施例中，整形器件3为微透镜阵列或衍射光学元件或光栅。
准直系统4布置在整形器件3之前，且其中轴与已整形光束的光轴重合，准直系统4用于将已整形光束准直。
聚焦系统6布置在准直系统4之前，且其中轴与已整形光束的光轴重合，聚焦系统6用于将准直后的已整形光束聚焦至待加工样品的表面，在待加工样品的表面形成供激光整形加工的单焦点整形光斑或多焦点整形光斑。
此外，根据需要在光路上布置反射镜组5，反射镜组5用于调整光路走向。
按照上述设计，整形器件3沿待整形光束的光轴连续移动，将连续调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸或多焦点整形光斑的间距。之所以能够实现连续调节，原因如下：
请参阅图2所示，待整形光束（点光束）以第一发散角入射至整形器件3，整形器件3将在待整形光束（点光束）上叠加第二发散角。因此，已整形光束在入射至准直系统4时，其发散角为第一发散角+第二发散角。应当明确的是，当整形器件3与准直系统4的距离发生改变时，此角度关系仍然成立，即已整形光束始终以第一发散角+第二发散角的发散角入射至准直系统4。
整形器件3沿待整形光束的光轴移动会导致其与准直系统4的距离发生改变，使得同一发散角的待整形光束（点光束）入射至准直系统4的不同位置，通过准直系统4后的已整形光束的发散角也存在差异，最终入射至聚焦系统6，准直后的已整形光束到达聚焦系统6后的尺寸和发散角均存在差异，聚焦效果随之发生改变。具体的，通过整形器件3在待加工样品的表面形成单焦点整形光斑时，移动整形器件3，使得准直后的已整形光束到达聚焦系统6后的尺寸存在差异，最终聚焦光斑的尺寸也随之改变；通过整形器件3在待加工样品的表面形成多焦点整形光斑时，移动整形器件3，使得准直后的已整形光束到达聚焦系统6时的发散角存在差异，继而影响聚焦系统6对其聚焦，最终聚焦光斑的间距也会相应改变。
上述技术方案，作为其中一种实施方案，位移机构7为电动位移台，还包括控制系统8，控制系统8与位移机构7和激光加工光源1电性连接，用于实时动态调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸或多焦点整形光斑的间距；作为另一种实施方案所述位移机构7为手动滑台，用于手动调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸或多焦点整形光斑的间距。
上述技术方案，优选的是，整形器件3为双轴整形器件，使待加工样品的表面形成的整形光斑的位置可调。
具体的，上述一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置的调节方法，包括如下步骤：
通过整形器件3在待加工样品的表面形成单焦点整形光斑时，若需要增大整形光斑的尺寸，使整形器件3在位移机构7上向远离激光加工光源1的方向移动，若需要减小整形光斑的尺寸时，使整形器件3在位移机构7上向靠近激光加工光源1的方向移动；
通过整形器件3在待加工样品的表面形成多焦点整形光斑时，若需要增大整形光斑的间距，使整形器件3在位移机构7上向远离激光加工光源1的方向移动，若需要减小整形光斑的间距，使整形器件3在位移机构7上向靠近激光加工光源1的方向移动。
总的来说，本发明通过在激光加工光源1之前布置透镜2，将激光加工光源1所发出激光加工光束转换为点光束，作为待整形光束，同时，将整形器件3布置在激光加工光源1与准直系统4之间，并将整形器件3设置在驱动其沿待整形光束的光轴移动的位移机构7上，使整形器件3沿待整形光束的光轴连续移动，无需进行更改光路、重新加载相位全息图等复杂操作，即可连续调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸或多焦点整形光斑的间距，满足了激光加工的多样化需求，具有广泛的应用范围和极高的应用价值。
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 (8)
1.一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置，其特征在于：包括激光加工光源、透镜、整形器件、准直系统和聚焦系统；
所述激光加工光源所发出激光加工光束为准直光束；
所述透镜布置在激光加工光源之前，且其中轴与激光加工光束的光轴重合，透镜用于将激光加工光束转换为点光束，作为待整形光束；
所述整形器件布置在透镜之前，整形器件用于将待整形光束整形为目标形态的已整形光束，整形器件设置在位移机构上，位移机构用于驱动整形器件沿待整形光束的光轴移动；
所述准直系统布置在整形器件之前，且其中轴与已整形光束的光轴重合，准直系统用于将已整形光束准直；
所述聚焦系统布置在准直系统之前，且其中轴与已整形光束的光轴重合，聚焦系统用于将准直后的已整形光束聚焦至待加工样品的表面，在待加工样品的表面形成供激光整形加工的单焦点整形光斑或多焦点整形光斑；
所述整形器件沿待整形光束的光轴连续移动，通过整形器件在待加工样品的表面形成单焦点整形光斑，将连续调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸，或通过整形器件在待加工样品的表面形成多焦点整形光斑，将连续调节待加工样品的表面所形成多焦点整形光斑的间距。
2.根据权利要求1所述的一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置，其特征在于：所述位移机构为电动位移台，还包括控制系统，控制系统与位移机构和激光加工光源电性连接，用于实时动态调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸或多焦点整形光斑的间距。
3.根据权利要求1所述的一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置，其特征在于：所述位移机构为手动滑台，用于手动调节待加工样品的表面所形成单焦点整形光斑的尺寸或多焦点整形光斑的间距。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置，其特征在于：所述激光加工光源为单模光源或多模光源。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置，其特征在于：所述整形器件为微透镜阵列或衍射光学元件或光栅。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置，其特征在于：所述透镜为负透镜或正透镜或发射透镜。
7.根据权利要求1至3任意一项所述的一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置，其特征在于：所述整形器件为双轴整形器件，使待加工样品的表面形成的整形光斑的位置可调。
8.权利要求1至7任意一项所述的一种整形光斑连续可调的激光整形加工装置的调节方法，其特征在于：包括如下步骤：
通过整形器件在待加工样品的表面形成单焦点整形光斑时，若需要增大整形光斑的尺寸，使整形器件在位移机构上向远离激光加工光源的方向移动，若需要减小整形光斑的尺寸时，使整形器件在位移机构上向靠近激光加工光源的方向移动；
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