CN216576047U - 像散校正装置及激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种像散校正装置及激光加工系统，像散校正装置包括两两之间的距离可调的三个柱面透镜，三个柱面透镜依次为第一柱面镜、第二柱面镜、第三柱面镜，第一柱面镜正对激光光束发射方向的曲面为凸面。按照本实用新型的装置所生成激光光束用于加工中，将光斑在横向与纵向聚焦到最小，减小光束像散也能有效抑制幅面边缘的光斑不能形成聚焦的问题。

Description

像散校正装置及激光加工系统

技术领域

本实用新型属于像散校正领域，尤其适用于激光光束像差的校正，具体涉及一种像散校正装置及激光加工系统。

背景技术

在现有的激光精密加工，一般使用激光器配合扩束镜将光束扩展到合适直径后，利用聚焦头配合台面运动或者振镜配合场镜的方案进行扫描加工，目前聚焦系统采用的光学元件大多采用透射式的聚焦系统，透镜的焦距越小，聚焦的焦斑越小，从而有利于提高激光功率密度的大小，但是，实际应用中的任何一台激光器，其输出光束不可能是理想的百分之百的基模高斯光束，这样激光光束的聚焦能力会受到激光光束质量的影响。精密加工技术对激光的光束质量要求很高，主要体现在激光光束衍射因子、光束圆度、像散等方面。当激光原始光束的圆度不佳或者像散控制不佳时，会导致聚焦得到的激光光斑圆度不佳、聚焦效果不佳，影响激光加工的质量。

实际上，激光光束的像散对精密加工质量的影响很明显，使用聚焦头配合运动台面加工时，由于激光光束像散的存在，无法同时将光斑在横向与纵向聚焦到最小，在实际的激光加工中只能选取一个最佳的圆度的位置用于加工；当需要进行横向与纵向加工时，对光斑的圆度要求就会更高，两个方向的加工效果会不一致，体现在加工线宽、烧蚀深度等方面。

另外，使用振镜配合场镜加工时，由于激光光束像散的存在，扫描幅面中心处会存在上述类似聚焦头配合运动的问题；由于扫描幅面的焦场在像面上本身就是曲面分布的，当需要进行大幅面加工时，幅面边缘的光斑聚焦效果同时受到场镜像散与激光光束像散的叠加影响，对加工质量会产生更显著的影响，当激光束像散过大时甚至会出现幅面边缘的光斑不能形成聚焦。

目前一般常采用变倍扩束镜对光束的尺寸进行改变，但是这种镜片组多为球面镜，是同时对激光光束X、Y两个方向的光束尺寸进行调整，无法对像散进行校正，对于更精密的激光加工场景无法满足要求。

实用新型内容

实用新型所要解决的问题。

在激光加工中，由于激光光束像散的存在，导致存在横向和纵向两个方向的加工效果不同，无法同时将光斑在横向与纵向聚焦到最小的技术问题，现有的技术一般采取折中的方案，即将光斑的X方向和Y方向尺寸调整为相同，此时的光斑具有较好的圆度，但是并非为最小的聚焦光斑，激光的聚焦能量密度未达到最优；或者也可以光斑调整到X或者Y方向尺寸最小，但是这样的情况下，光斑为明显的椭圆，加工质量不佳。

在振镜扫描加工应用中，振镜-场镜构成加工系统在幅面边缘处存在像散(即X、Y方向的场曲不一致)，这种像散与激光光束的像散叠加，会进一步影响幅面边缘光斑的质量，造成幅面边缘光斑聚焦效果不佳甚至不能聚焦。

本实用新型首先公开了一种像散校正装置，其特征在于，包括两两之间的距离可调的三个柱面透镜，所述三个柱面透镜依次为第一柱面镜、第二柱面镜、第三柱面镜，所述第一柱面镜正对激光光束发射方向的曲面为凸面。

进一步的，所述三个柱面透镜的屈光方向相同，各柱面透镜的主平面彼此平行，各柱面透镜的中心点共线并且中心点构成的连线与所述主平面垂直。

进一步的，所述第二柱面镜具有负屈光度，所述第三柱面镜具有正屈光度。

进一步的，所述三个柱面透镜组为三个单柱面透镜，且其沿着激光光束发射方向的曲面分别为凸平、凹平和凸平。

进一步的，所述第一柱面镜前表面的曲率半径为126.308mm，后表面的曲率半径为∞；所述第二柱面镜前表面的曲率半径为-32.252mm，后表面的曲率半径为∞；所述第三柱面镜前表面的曲率半径为83.714mm，后表面的曲率半径为∞；所有所述曲率半径的允许公差均为 10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％；所述三个柱面镜的中心厚度均为5mm，所述中心厚度的允许公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％；所述三个柱面镜的折射率均为1.458，所述折射率的允许公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

进一步的，所述三个柱面镜的阿贝数均为67.8，所述阿贝数的允许公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

进一步的，上述像散校正装置的调焦倍率为0.8～1.2。

本实用新型还公开了一种激光加工系统，包括激光器，其包括有如前述的像散校正装置，所述像散校正装置设置于所述激光器之后。

进一步的，所述激光器为紫外激光器。

进一步的，所述像散校正装置校正后光斑圆度大于90％。

进一步的，所述像散校正装置校正后像散值小于1％，像散值小于1％。

按照本实用新型实现的像散校正装置，具有下述有益效果：

(1)在像散校正装置的设计中，充分应用柱面透镜的方向性屈光特性，在像散校正中保持一个方向的标的，以校正另外一个方向校正圆度，由此实现激光光束像散的校正，应用于激光加工，提高激光聚焦系统的聚焦能力，从而可以提高激光精密加工质量。当需要进行横向与纵向加工时，采用本申请的像散校正装置可使两个方向的加工效果更加一致；并且，对于振镜配合场镜的扫描系统，当进行大幅面加工时，还能提高大幅面边缘的光斑聚焦效果，从而改善整个大幅面上的加工质量。

(2)采用本实用新型提出的像散校正装置对激光光束进行像散校正后，经过一定距离传输后，光束的圆度不会发生明显的变化。

(3)本实用新型提出的像散校正装置使用三个柱面透镜组的两两之间的距离可调的方式，使得该装置具有一定的放大倍率调节范围，还使得对椭圆光斑的长短轴的方向适应性更强，提高了激光光束的像散校正的适应性。

申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为按照本实用新型实现的一种像散校正装置的结构示意图。

图2为按照本实用新型实现的一种像散校正装置在不同方法倍率调整下组态图。

图3为按照本实用新型实现的其中一种像散校正装置的放大倍率与校正装置的镜组参数的关系示意图；

图4为本实用新型一种具体实施例下未进行像散校正前的光斑图像；

图5为具体实施例经过像散校正之后的光斑图像。

具体实施方式

为了解决上述光束像散的问题，提出了一种使用柱面透镜镜组对光束像散进行校正的装置，利用柱面透镜镜组本身的屈光特性，全部用柱面透镜制备而成的像散校正装置，在激光校正中，保持一个方向的圆度，而对另外一个方向的光斑尺寸进行像散校正，使得圆度和焦点通过像散校正装置保持一致，通过像散装置的特性对另外一个方向的校正来不断靠近，通过对光束单个方向的参数进行校正，减小光束的像散，提高加工质量。

另外一方面，考虑到柱面透镜单方向屈光的特点，在进行像散校正的时候需要考虑到针对不同的光学器件具有不同的像散值而提高装置的适应性，该柱面镜组还具有一定的调焦范围，并且在进行光斑圆度的校正中，可以通过选择调整距离来实现放大或缩小某一个方向的光斑尺寸，使得像散校正具有适应性。

以下，参照附图，对实施方式进行详细的说明。

如图1中所示，像散校正装置，其特征在于，包括两两之间的距离可调的三个柱面透镜，三个柱面透镜依次为第一柱面镜、第二柱面镜、第三柱面镜，第一柱面镜正对激光光束发射方向的曲面为凸面，使得第一柱面透镜实现聚光。

该像散校正装置三个镜片全部采用柱面镜，利用柱面透镜的方向性屈光特性，使得在激光校正中，对激光光束单个方向进行调整，减小了激光光束的像散，提高了激光加工质量。同时，这种三个柱面透镜两两之间距离可调的调节方式，使得该装置具有一定的放大倍率调节范围，还使得对椭圆光斑的长短轴的方向适应性更强，提高了激光光束的像散校正的适应性。

其中，第一柱面镜组与第二柱面镜组之间的距离为第一距离L1，第二柱面镜组与第三柱面镜组之间的距离为第二距离L2；第一柱面镜组与第二柱面镜组以及它们之间的距离构成变倍组，第三柱面镜组构成补偿组，调整出射光束的发散角

作为另一个实施例，所述三个柱面透镜的屈光方向相同，各柱面透镜的主平面彼此平行，各柱面透镜的中心点共线并且中心点构成的连线与所述主平面垂直。主平面是光学专用概念，表示一组垂轴放大率为1的共轭面。

值得注意的是，按照本实用新型实现的变倍柱面透镜组的核心是实现屈光轴方向的校正，实际上，就使得上述透镜组在光轴方向上的摆放位置要求与待校正的光斑截面方向上需要校正的方向不超过2°，也即是尽量保证柱面透镜组的放置位置，不给光轴的正交分解计算带来繁杂的计算量，也使得像散校正效果达到最佳。

作为另一个实施例，第一柱面镜具有正屈光度，第二柱面镜具有负屈光度，第三柱面镜具有正屈光度，其中，第二柱面镜可以对应为平凸，双凸，弯月等各种形状的透镜，第三柱面镜可以对应平凹、双凹、弯月等各种形状的透镜，通过三个柱面镜合理的光焦度分配，最终满足设计要求波前误差小于0.25倍波长即可，该装置具有良好的光学性能。作为另一个实施例，三个柱面透镜组为三个单柱面透镜，且其沿着激光光束发射方向的曲面分别为凸平、凹平和凸平。这种结构下的像散校正装置，可以更节约成本。

作为另一个实施例，本实用新型提供了一种实施例下的像散校正装置的光学设计参数，其适用于波长355nm紫外激光器，具体如下表1所示。

表1像散校正装置光学设计参数

该实施例的像散校正装置可以实现的调焦倍率为0.8～1.2。

其中，第一柱面镜前表面的曲率半径为126.308mm，后表面的曲率半径为∞；第二柱面镜前表面的曲率半径为-32.252mm，后表面的曲率半径为∞；第三柱面镜前表面的曲率半径为83.714mm，后表面的曲率半径为∞；所有曲率半径的允许公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。三个柱面镜的中心厚度均为5mm，所述中心厚度的允许公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％；所述三个柱面镜的折射率均为1.458，所述折射率的允许公差均为 10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％；

通过上述光学参数设置，可使得该像散校正装置在整个放大倍率范围内的波前误差最小化。

作为另一个实施例，三个柱面镜的阿贝数均为67.8，所述阿贝数的允许公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。其中，柱面镜的材质、镀膜需要结合具体的应用场景(激光器参数、加工效果)决定。本实用新型实施方式的材质为355nm波长下的优化设计结果，针对其他波段，光学设计可以进行相应的调整。

在本实用新型所涉及的基于像散校正装置的校正中，对入射光束的视场范围有要求，柱面透镜的光学入射光束直径13mm以内可以满足衍射极限要求，即该像散校正装置允许入射直径φ≤13mm。

其中，L1和L2的调节方式可以是电动调节,也可以通过手动凸轮结构调节。上述结构的总长度＜165mm，结构紧凑，易于集成。

上述表格的实施例是按照本实用新型的其中一种实施方式中的一组优选的光学设计参数，为综合考虑校正质量、系统总机械长度、加工成本等因素的结果；通过更改镜片材质、透镜曲率、系统总长度限制等条件，理论上存在多种可行的光学设计方案。

采用上述光学设计参数的柱面镜组获得放大倍率与L1、L2的对应关系如图3所示，同时与下面的表2对应，通常L1、L2的值由柱面镜组参数(镜片材质、曲率半径)确定，为常规的光学设计思路。

表2扩束倍率与对应的L1、L2值

该装置典型的调整倍率放大组态如图2中所示，该图所呈现的一种调节方式为第二柱面镜位置不变，改变第一柱面镜及第二柱面镜进行L1、L2的调节，当然，也可以保持第一柱面镜或第三柱面镜位置不变，调节其它两片柱面镜的方式调节均是可以的。

作为另一个实施例，本实用新型提出了一种激光加工系统，包括激光器，以及上文所述的像散校正装置，像散校正装置设置于所述激光器之后。

按照本实用新型实现的激光加工系统，其结构多样化，如包括：激光器、按照本实用新型实现的像散校正装置、扩束镜、对激光进行方向导引的光学系统反射镜、用于聚光激光的聚光用透镜。又或者包括：激光器，按照本实用新型实现的像散校正装置，对激光进行方向引导的光学系统反射镜，以及扩束镜，和位于扩束镜光路之后的振镜和场镜的扫描组件。上述激光加工系统都可以利用校正后的激光光束进行精密激光加工。实际应用时，将确定好 L1与L2的像散校正装置放置于系统中，无需再对装置进行调节，直接采用校正后的激光加工即可。

另外，在上述的装置中，还包括不限于对激光装置进行支撑，对激光器的光源进行控制，以及对上述各光学组件设置的调整平台，控制驱动平台等各种装置进行调节移动的控制装置，例如根据加工物的情况让激光器101与加工对象沿着需要加工的轨迹进行相对移动，抑或是使得按照本实用新型实现的像散校正装置和方法中按照调整的参量进行运动。

作为另一个实施例，激光器为紫外激光器，本实施例的光学参数主要针对紫外激光器，对于其它激光器，整个设计思路是类似的，只需要调整具体的光学参数即可。

作为另一个实施例，像散校正装置校正后光斑圆度大于90％，特别是当激光经过一定距离传输后，利用本实用新型校正后的激光光束的圆度不会发生明显的变化。像散校正装置校正后像散值小于1％。

作为另一个实施例，按照本实用新型实施方式中的像散校正装置，适用于未校正前光束像散值小于50％，校正后像散值小于1％。其中，光束的像散值Ast＝|Z_0x-Z_0y|/Z_R*100％，Z_R表示平均瑞利长度，

λ为激光波长，W_0x与W_0y为束腰尺寸，Z_0x与Z_0y为束腰位置。超过此像散值范围的应用场景，需要重新设计像散校正装置的光学结构，上述光学结构与光斑之间的像散校正关系可依据具体的光学设计参数来执行计算。

本实用新型的像散校正装置的具体使用方法如下：

获取一个紫外激光器的激光光束在X方向与Y方向的束腰尺寸W_0x、W_0y以及在两个方向的束腰位置Z_0x、Z_0y，计算放大倍率βx，βx＝W_0y/W_0x*K^0.5。其中，K＝M² _x/M² _y，M² _x表示 X方向的衍射因子，M² _y表示Y方向的衍射因子。由表2或图3获取该放大倍率下的L1与 L2，初次调节像散校正装置的L1与L2。考虑到两个方向的聚焦位置的一致性问题，因此进一步微调第二距离，最终实现激光光束在两个方向的束腰尺寸一致以及束腰位置重合。

具体为：

本实施例针对的是振镜配场镜(也就是本实施例中的扫描透镜)作为扫描组件时进行精密激光加工的场景。

使用波长355nm的紫外激光器进行加工，未进行像散校正前，由M²测试仪测得激光光束在x、y方向的束腰尺寸分别为1.8mm、2mm，光束的衍射因子分别为1.05、1.03，光束的像散值约20％，使用振镜配合f＝200mm的扫描透镜进行聚焦扫描加工，系统的有效扫描幅面为125mm x 125mm。

像散校正前，由于光束像散的存在，导致在幅面中心获取的圆形光斑尺寸不够小，光斑尺寸为49.477μm，如图4(激光光束打到加工对象上的加工效果图)中的左图。由于光束的像散与场镜的像散叠加，导致在幅面边缘的光斑聚焦时x和y方向的束腰位置差异过大，不能实现良好的聚焦，光斑出现显著的椭圆，如图4中的右图，长轴尺寸为55.526μm，短轴尺寸为49.184μm。需要说明的是，图中光斑边缘周围的斑点为材料溅射所致，但这并不影响光斑的圆度。

使用像散校正装置，计算得到放大倍率为1.12，调节L1和L2的值分别为84.451、71.265，再微调第二距离，实现两个方向像散的校正，校正后光束的像散值＜1％。完成像散校正后，整幅面上的加工质量均得到提升，其结果如图5(激光光束打到加工对象上的加工效果图) 所示，幅面中心聚焦光斑尺寸减小，由原来的图4中的49.477μm减小为44.715μm(图5中的左图)，边缘光斑调整至与中心光斑一致的尺寸与圆度(图5中的右图)，其圆度好，光斑尺寸为44.217，聚焦效果好，光斑尺寸小。

上述内容，仅为本实用新型的较佳示例性实施例，并非用于限制本实用新型的实施方案，本领域普通技术人员根据本实用新型的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本实用新型的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种像散校正装置，其特征在于，包括两两之间的距离可调的三个柱面透镜，所述三个柱面透镜依次为第一柱面镜、第二柱面镜、第三柱面镜，所述第一柱面镜正对激光光束发射方向的曲面为凸面。

2.如权利要求1中所述的像散校正装置，其特征在于，所述三个柱面透镜的屈光方向相同，各柱面透镜的主平面彼此平行，各柱面透镜的中心点共线并且中心点构成的连线与所述主平面垂直。

3.如权利要求2中所述的像散校正装置，其特征在于，所述第二柱面镜具有负屈光度，所述第三柱面镜具有正屈光度。

4.如权利要求3所述的像散校正装置，其特征在于，所述三个柱面透镜组为三个单柱面透镜，且其沿着激光光束发射方向的曲面分别为凸平、凹平和凸平。

5.如权利要求4所述的像散校正装置，其特征在于，所述第一柱面镜前表面的曲率半径为126.308mm，后表面的曲率半径为∞；所述第二柱面镜前表面的曲率半径为-32.252mm，后表面的曲率半径为∞；所述第三柱面镜前表面的曲率半径为83.714mm，后表面的曲率半径为∞；所有所述曲率半径的允许公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％；

所述三个柱面镜的中心厚度均为5mm，所述中心厚度的允许公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％；

所述三个柱面镜的折射率均为1.458，所述折射率的允许公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

6.如权利要求5中所述的像散校正装置，其特征在于，所述三个柱面镜的阿贝数均为67.8，所述阿贝数的允许公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

7.如权利要求1～6任一项所述的像散校正装置，其特征在于，所述像散校正装置的调焦倍率为0.8～1.2。

8.一种激光加工系统，包括激光器，其特征在于，其包括有如权利要求1～7中任一项中所述的像散校正装置，所述像散校正装置设置于所述激光器之后。

9.如权利要求8中所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光器为紫外激光器。

10.如权利要求8中所述的激光加工系统，其特征在于，所述像散校正装置校正后的光斑圆度大于90％，像散值小于1％。

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