CN203630445U - 激光整形装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种激光整形装置，其包括：激光发射器；扩束镜；空间滤波器；整形镜；聚焦镜；其中，所述空间滤波器在激光光束的光路上设置在所述激光发射器和所述聚焦镜之间，所述整形镜在激光光束的光路上设置在所述空间滤波器和所述聚焦镜之间，所述激光光束通过所述整形镜，将从所述激光发射器发出的高斯光束变为平顶光束。通过光束整形镜将能量分布为高斯分布的激光光束转换为能量密度分布均匀的平顶光束，相比于能量分布为高斯激光的光束，经过整形后的平顶光束可以获得更好的狭缝切割效果及效率，可使狭缝边缘平滑无毛刺，无热影响，无锥度等优点，扩大了激光整形切割狭缝在微制造领域的应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光整形技术领域，尤其涉及一种激光整形装置。
背景技术
目前，激光在狭缝切割领域被广泛应用，狭缝片一般用于光谱仪配件、科研领域、放映机等。小到收音机，大到航天领域、石油钻探设备、食品、化学分析等行业中，其中应用于医疗，光学，科研领域的材料特性及对狭缝精细程度有很高的要求，传统的激光切割狭缝，由激光发射器发射出的高斯激光光束中心能量密度最大，从光束中心扩展到边缘时能量密度逐渐变小，在切割狭缝的过程中会出现边缘烧蚀、毛刺及锥度过大，使透光率大大降低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种激光整形装置，其可通过整形镜将激光发射器发出的高斯激光光束变成平顶激光光束。
为实现上述发明目的，本实用新型提供一种激光整形装置，其包括：
激光发射器；
扩束镜；
空间滤波器；
整形镜；
聚焦镜；
其中，所述空间滤波器在激光光束的光路上设置在所述激光发射器和所述聚焦镜之间，所述整形镜在激光光束的光路上设置在所述空间滤波器和所述聚焦镜之间，所述激光光束通过所述整形镜，将从所述激光发射器发出的高斯光束变为平顶光束。
作为本实用新型的进一步改进，所述整形镜包括上表面和下表面，所述上表面刻有若干凹槽，所述凹槽呈方形设置，所述下表面设置为平面。
作为本实用新型的进一步改进，所述若干凹槽呈同心设置。
作为本实用新型的进一步改进，所述激光整形装置还包括振镜，所述振镜在激光光束的光路上设置在所述整形镜和所述聚焦镜之间，所述振镜可控制所述激光光束沿X、Y方向移动。
作为本实用新型的进一步改进，所述激光整形装置还包括反射镜，所述反射镜在激光光束的光路上设置在所述激光发射器和所述空间滤波器之间。
作为本实用新型的进一步改进，所述反射镜的数量为两个。
作为本实用新型的进一步改进，所述扩束镜在激光光束的光路上设置在所述激光发射器与所述反射镜之间。
作为本实用新型的进一步改进，所述空间滤波器的小孔直径为4.2mm。
作为本实用新型的进一步改进，所述整形镜的工作波长为355nm,有效孔径为8.5mm,输入光斑大小为4mm (1/e2) ，光斑尺寸为0.17×0.17毫弧度，光斑形貌为平顶光斑。
作为本实用新型的进一步改进，所述整形镜的材质为熔融石英。
本实用新型的有益效果是：本实用新型通过光束整形镜将能量分布为高斯分布的激光光束转换为能量密度分布均匀的平顶光束，相比于能量分布为高斯激光的光束，经过整形后的平顶光束可以获得更好的狭缝切割效果及效率，可使狭缝边缘平滑无毛刺，无热影响，无锥度等优点，扩大了激光整形切割狭缝在微制造领域的应用。
附图说明
图1是本实用新型一实施例中激光整形装置的结构示意图；
图2是本实用新型一实施例中整形镜的俯视图；
图3是本实用新型一实施例中在狭缝切割中高斯分布的激光和整形后的平顶激光运动的对比图；
图4是本实用新型一实施例中高斯分布的激光和整形后的平顶激光切割狭缝效果对比图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细描述。但这些实施方式并不限制本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。
本实用新型的技术解决方案为：一种激光整形装置。
参图1所示的本实用新型一具体实施方式，所述激光整形装置，在激光发射器10的输出端设置有扩束镜20，在该扩束镜20的输出端设置有两个反射镜30和40，该反射镜30和40为平面反射镜，在反射镜40的反射输出端设置有整形镜60，在反射镜40与整形镜60之间设有空间滤波器50，在整形镜60的输出端设置有振镜70，在振镜70的输出端设置有聚焦镜80，工件90设置在聚焦镜80的输出端。
激光发射器10，产生脉冲激光光束，优选地，采用波长为355nm的紫外调Q脉冲激光器，脉宽为皮秒量级，M2小于1.3。紫外激光因其固有的特性，在和材料作用时，是通过打断材料的化学键来使分子剥离，属于冷加工，使用这种方法可以极大地减少热影响区域。激光发射器10水平放置。
扩束镜20，用于改变激光光束的直径和发散角。从激光发射器10发出的激光束具有一定的发散角，只有通过扩束镜的调节才能使激光光束变为准直光束。
空间滤波器50，优选地，采用直径为4.2mm的平面结构的小孔滤波。由于激光是强相干光源，散射光与其它光产生干涉，形成干涉图样，使激光束看起来很“脏”，解决这一问题的最好办法是采用小孔空间滤波器。小孔的作用是把有杂波的激光束转变成光滑纯净的球面或平面波，其孔径决定光斑的大小，针孔直径控制滤波的程度，起低通滤波器的作用，由于光具有粒子和波动的二重性，当光通过尺寸与波长接近的物体时将发生衍射，选择适当的针孔就可滤出无杂波的激光。利用小孔滤除入射光束中的高频分量，使输出光强均匀化，此种滤波小孔具有结构简单，易加工、易安装的优点。
整形镜60，其材质为熔融石英，设置在空间滤波器50和振镜70之间。如图2所示，整形镜60为圆形镜片，分为上表面和下表面，其下表面设置为平面，在该下表面上镀有增透膜，使干涉加强，增加激光光束的透过率，防止激光光束在入射时反射掉从而造成能量损失；其上表面在靠近圆心的位置处刻有若干深浅不一凹槽61，凹槽61为方形，呈同心设置。整形镜60的上表面朝向激光光束的入射方向设置，当能量分布为高斯分布的激光光束入射到这些深浅不一的凹槽61时，基于光的衍射干涉原理，将能量分布为高斯分布的激光光束转变为能量分布均匀的平顶光束，即获得截面能量密度均匀的光，起到将光分散的作用。
优选的，在本实施例中，整形镜60的输入波长为355nm,有效孔径为8.5mm,输入光斑大小为4mm (1/e2) ，光斑尺寸为0.17×0.17毫弧度，光斑形貌为平顶光斑，输入光束模式为TEM00基模，工作距离为无限远。
在此值得一提的是，空间滤波器50相当于在光路中加上一个光阑，降低激光光束的M2，与整形镜60配合在一起使用，不仅有利于平顶光束产生，也对切割边缘陡度有帮助。
聚焦镜80，将整形后的激光光束聚焦形成光斑，作用在工件90上，进行切割。
反射镜30和反射镜40，优选地，采用平面反射镜，设置在扩束镜20与空间滤波器50之间，用来改变光路的传播方向，这里用到了反射镜30和反射镜40两个反射镜，目的是为了延长光程，在激光光束进入空间滤波器50之前测光束的发射角是否符合检测要求。
值得一提的是，激光整形装置还包括振镜70，激光光束直接入射到振镜70内的镜片（图中未示出），振镜70内的电机可带动该镜片移动，从而控制激光光束沿X、Y方向移动，在移动过程中，在移动轨迹上的工件90粉碎脱落，从而按切割形状形成切割狭缝。当然，本领域技术人员能轻易想到的是，如果不使用振镜70，工件90沿X、Y方向移动也是可以实现的。
继续参图1和图2所示，该装置用于狭缝切割时，激光发射器10发出能量分布为高斯分布的激光光束射向扩束镜20，获得准直的能量分布为高斯分布的激光光束，进入反射镜30和40，改变光的传播方向的同时还延长了光程，这有利于检测光的发射角是否符合要求，然后进入空间滤波器50，空间滤波器50是个平面结构的小孔，其孔的直径为4.2mm，激光束通过小孔将杂波滤除，使能量分布为高斯分布的激光光束得到优化，降低激光光束的M2，得到光滑纯净的球面或平面波，这种经过空间滤波器优化的能量分布为高斯分布的激光光束紧接着入射整形镜60，整形镜60在朝向激光光束的入射方向的上表面在靠近圆心的位置刻有若干深浅不一的凹槽61，凹槽61为方形，呈同心设置，能量分布为高斯分布的激光光束直接经过凹槽61被转换成能量分布均匀的平顶激光光束，空间滤波器50与整形镜60配合在一起使用，不仅有利于平顶光束产生，也对切割狭缝的边缘陡度有帮助，整形镜60的下表面设有赠透膜，使干涉加强，增加激光光束的透过率，防止激光光束在入射时反射掉从而造成能量损失。能量分布均匀的平顶激光光束随后入射振镜70内的镜片（图中为标示），该镜片由振镜70内的电机带动可沿沿X、Y方向移动，镜片的移动带动能量分布均匀的平顶激光光束移动，控制激光切割位置。在振镜70的输出端还设有聚焦镜80，平顶激光光束从振镜70入射到聚焦镜80，平顶激光光束被聚焦形成光斑作用在工件90的表面，对于不同厚度的材料，给予焦点相对应的进给量，直至完全切透工件。
如图3所示，传统切割中，由于光斑12能量呈现高斯分布，在切割道的边缘存在未能去除的材料11，随着光斑的运动，切割道逐渐呈现上宽狭窄的现象。能量分布为高斯分布的光斑经过整形后变成能量分布均匀的平顶光斑，由于能量分布均匀，则不会出现有未去除的材料，切割道宽度一致。
如图4所示，采用光束整形后的平顶激光光束切割狭缝具有更大的优势，能够做到更小的缝宽，更好的边缘效果，更高的效率，相比传统的激光切割狭缝，避免了边缘烧蚀，毛刺，锥度过大，使透光率大大降低。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光整形装置，其特征在于，所述激光整形装置包括：
激光发射器；
扩束镜；
空间滤波器；
整形镜；
聚焦镜；
其中，所述空间滤波器在激光光束的光路上设置在所述激光发射器和所述聚焦镜之间，所述整形镜在激光光束的光路上设置在所述空间滤波器和所述聚焦镜之间，所述激光光束通过所述整形镜，将从所述激光发射器发出的高斯光束变为平顶光束。
2.根据权利要求1所述的一种激光整形装置，其特征在于，所述整形镜包括上表面和下表面，所述上表面刻有若干凹槽，所述凹槽呈方形设置，所述下表面设置为平面。
3.根据权利要求2所述的一种激光整形装置，其特征在于，所述若干凹槽呈同心设置。
4.根据权利要求1所述的一种激光整形装置，其特征在于，所述激光整形装置还包括振镜，所述振镜在激光光束的光路上设置在所述整形镜和所述聚焦镜之间，所述振镜可控制所述激光光束沿X、Y方向移动。
5.根据权利要求1所述的一种激光整形装置，其特征在于，所述激光整形装置还包括反射镜，所述反射镜在激光光束的光路上设置在所述激光发射器和所述空间滤波器之间。
6.根据权利要求5所述的一种激光整形装置，其特征在于，所述反射镜的数量为两个。
7.根据权利要求5所述的一种激光整形装置，其特征在于，所述扩束镜在激光光束的光路上设置在所述激光发射器与所述反射镜之间。
8.根据权利要求1所述的一种激光整形装置，其特征在于，所述空间滤波器的小孔直径为4.2mm。
9.根据权利要求1所述的一种激光整形装置，其特征在于，所述整形镜的工作波长为355nm,有效孔径为8.5mm,输入光斑大小为4mm (1/e2) ，光斑尺寸为0.17×0.17毫弧度，光斑形貌为平顶光斑。
10.根据权利要求1所述的一种激光整形装置，其特征在于，所述整形镜的材质为熔融石英。
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