CN216607616U - 一种并行激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于激光加工领域，公开了并行激光加工系统，包括沿光路依次设置的激光器、扩束器、半波片、全内反射棱镜系统、空间光调制器、反射镜和扫描加工单元，全内反射棱镜系统包括第一全内反射棱镜和第二全内反射棱镜，第一全内反射棱镜与第二全内反射棱镜的贴合面形成倾斜的入射面，激光器发出的光束经扩束器扩束和经半波片调偏后入射到全内反射棱镜系统的入射面，并在入射面处发生全反射后出射到空间光调制器，全反射到空间光调制器的光束与空间光调制器之间的入射角为0‑5度，经过空间光调制器调制后的衍射光束透过全内反射棱镜系统入射到反射镜后反射到扫描加工单元，该系统能够实现利用更简化的光路对小角度入射激光光束灵活调控的目的。

Description

一种并行激光加工系统

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种适用小角度入射的并行激光加工系统。

背景技术

在激光微加工应用中，通过对激光光束进行分束来实现多光束的并行加工，可以极大的提高激光加工效率；通过对光束进行整形，可有效提高特定加工的加工效果。基于空间光调制器的并行激光加工系统由于其可对光束的相位进行灵活调控，加工高效、高精度的特性越来越受到重视与关注；通过给该系统加载不同的算法全息图可得到不同的二维、三维目标光场，如像差校正、结构光场、脉冲时空整形等，从而实现多种应用场景下的激光加工。

然而，由于空间光调制器本身性能的限制，当前基于空间光调制器的并行激光加工装置或系统主要涉及两方面不足：1.小角度斜射系统由于器件结构干涉及光装等因素，导致光路长，系统结构冗余；2.直射系统光路紧凑，但却存在结构复杂，光学器件多，成本高等不足。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种并行激光加工系统，其旨在解决现有小角度斜射系统由于器件结构干涉及光装等因素，导致光路长，系统结构冗余的技术问题。

为达到上述目的，本实用新型提供的方案是：

一种并行激光加工系统，包括沿光路依次设置的激光器、扩束器、半波片、全内反射棱镜系统、空间光调制器、反射镜和用于对待加工产品进行加工的扫描加工单元，所述全内反射棱镜系统包括第一全内反射棱镜和第二全内反射棱镜，所述第一全内反射棱镜与所述第二全内反射棱镜的贴合面形成倾斜的入射面，所述激光器发出的光束经所述扩束器扩束和经所述半波片调偏后入射到所述全内反射棱镜系统的所述入射面，并在所述入射面处发生全反射后出射到所述空间光调制器，全反射到所述空间光调制器的光束与所述空间光调制器之间的入射角为0-5度，经过所述空间光调制器调制后的衍射光束依次透过所述第一全内反射棱镜和所述第二全内反射棱镜入射到所述反射镜，并经所述反射镜反射到所述扫描加工单元。

优选地，定义所述第一全内反射棱镜的折射率为n1，定义所述第二全内反射棱镜的折射率为n2，其中，1.4＜n1≤1.5，1.4≤n2＜1.5，n1＞n2。

优选地，定义经所述半波片调偏后的激光光束入射到所述全内反射棱镜系统的入射角为θ，则θ≥arcsin(n1/n2)。

优选地，所述第一全内反射棱镜大于等于20J/cm²@10ns，所述第二全内反射棱镜的损伤阈值大于等于20J/cm²@10ns。

优选地，所述第一全内反射棱镜和所述第二全内反射棱镜均为采用熔融石英材料制备而成的全内反射棱镜。

优选地，所述激光器采用波长为1030nm的光纤飞秒激光器。

优选地，所述扩束器采用1-8x倍率可调扩束器，且所述扩束器的损伤阈值大于等于10J/cm²@10ns。

优选地，所述半波片的波长为1030nm，且所述半波片的损伤阈值大于等于10J/cm²@10ns。

优选地，所述空间光调制器采用反射式硅基液晶空间光调制器，且所述空间光调制器适用波段为1000nm-1100nm，所述空间光调制器的峰值功率损伤阈值大于等于50GW/cm²@200fs 100Hz。

优选地，所述扫描加工单元包括振镜和场镜，从所述反射镜出射的衍射光束经过所述振镜和所述场镜后聚焦于待加工产品的表面来实现相关需求的加工。

本实用新型提供的并行激光加工系统将空间光调制器与全内反射棱镜系统有效结合，实现对小角度入射光束的灵活调控；而且本实用新型提供的并行激光加工系统避免了利用反射镜将入射光束反射至空间光调制器的做法，选择采用结构紧凑的全内反射棱镜系统与空间调制器配合，以实现利用更简化的光路对小角度入射激光光束灵活调控的目的，并在此基础上减少了部分光学器件，从而能够提高系统可靠性以及能够降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的并行激光加工系统；

图2是现有技术的并行激光加工系统的局部示意图。

附图标号说明：

1、激光器；2、扩束器；3、半波片；4、空间光调制器；5、全内反射棱镜系统；51、第一全内反射棱镜；52、第二全内反射棱镜；6、反射镜；7、振镜；8、场镜；9、待加工产品。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

如图1所示，其为本实用新型的一种实施例的并行激光加工系统，其基于全内反射棱镜实现，尤其适用于光束小角度入射的并行激光加工系统。如图2所示，现有的光束小角度入射的激光加工系统中入射到空间光调制器101的光束需要经过两个位于不同角度和位置的反射镜102二次反射才能入射到空间光调制器，这两块反射镜和空间光调制器之间的位置摆放占用较大的空间，而且这两块反射镜本身尺寸就不小，在放置也需要额外的辅助件支撑，导致光路长，系统结构冗余。此外，激光光束入射角度越少，光路结构越复杂。为此，本实用新型实施例的并行激光加工系统对光路结构进行了调整，避免了利用反射镜将入射光束反射至空间光调制器的做法，选择采用结构紧凑的全内反射棱镜系统与空间调制器配合的目的，以实现利用更简化的光路对小角度入射激光光束灵活调控。

请参阅图1，本实用新型实施例的并行激光加工系统包括沿光路依次设置的激光器1、扩束器2、半波片3、全内反射棱镜系统5、空间光调制器4、反射镜6和扫描加工单元，全内反射棱镜系统5包括第一全内反射棱镜51和第二全内反射棱镜52，第一全内反射棱镜51与第二全内反射棱镜52的贴合面形成倾斜的入射面，激光器1发出的光束经扩束器2扩束和经半波片3调偏后入射到全内反射棱镜系统5的入射面，并在入射面处发生全反射后出射到空间光调制器4，全反射到空间光调制器4的光束与空间光调制器4之间的入射角为0-5度，经过空间光调制器4调制后的衍射光束依次透过第一全内反射棱镜51和第二全内反射棱镜52入射到反射镜6，并经反射镜6反射到扫描加工单元，扫描加工单元用于对待加工产品9进行加工。

可以理解地，图1仅为示意图，图中，全反射到空间光调制器4的光束与空间光调制器4之间的入射角为5度，反射到空间光调制器4的光束与从空间光调制器4反射出的衍射光束之间的角度为10度。

本实用新型实施例的并行激光加工系统将空间光调制器4与全内反射棱镜系统5有效结合，实现对小角度入射光束的灵活调控；而且本实用新型实施例的并行激光加工系统避免了利用反射镜6将入射光束反射至空间光调制器4的做法，选择采用结构紧凑的全内反射棱镜系统5与空间调制器配合，以实现利用更简化的光路对小角度入射激光光束灵活调控的目的，并在此基础上减少了部分光学器件，从而能够提高系统可靠性以及能够降低成本。

优选地，第一全内反射棱镜51的折射率和第二全内反射棱镜52的折射率不同，定义第一全内反射棱镜51的折射率为n1，定义第二全内反射棱镜52的折射率为n2，其中，1.4＜n1≤1.5，1.4≤n2＜1.5，n1＞n2，例如，n1取1.5时，n2可以取1.4，也可以取1.3等数值，第一全内反射棱镜51的折射率和第二全内反射棱镜52的折射率设置成不同数值，能够提高全内反射棱镜系统5的反射率，尽可能实现全反射的目的。

进一步地，定义经半波片3调偏后的激光光束入射到全内反射棱镜系统5的入射面的入射角为θ，则θ≥arcsin(n1/n2)，可根据此调整全内反射棱镜系统5的位置。

可选地，第一全内反射棱镜51和第二全内反射棱镜52的损伤阈值均大于等于20J/cm²@10ns，使得第一全内反射棱镜51和第二全内反射棱镜52具有良好的抗激光损伤性能。

进一步地，第一全内反射棱镜51和第二全内反射棱镜52采用熔融石英材料制备而成。

优选地，激光器1采用波长为1030nm的光纤飞秒激光器1，其具有小型化、便携化、低成本和稳定性高等优势。

具体地，扩束器2用于将激光器1出射的细激光束扩束成空间光调制器4所需求的粗激光束。

可选地，扩束器2采用1-8x倍率可调扩束器2。

进一步地，扩束器2的损伤阈值大于等于10J/cm²@10ns，使得扩束器2具有良好的抗激光损伤性能。

具体地，半波片3用于将经过扩束器2扩束后的粗激光束的偏振方向调偏成空间光调制器4所需的偏振方向，例如将经过扩束器2扩束后的粗激光束调成与空间光调制器4光阀长轴方向一致的偏振光。

可选地，半波片3的波长为1030nm。

可选地，半波片3的损伤阈值大于等于10J/cm²@10ns，使得半波片3具有良好的抗激光损伤性能。

具体地，空间光调制器4用于对入射光束进行可控的相位调制(如产生分束阵列、光束整形等)。

可选地，空间光调制器4为纯相位型且具有高损伤阈值的反射式硅基液晶空间光调制器4；该空间光调制器4在调制光场方面具有能量利用率高、衍射效率高、填充因子高等优点。

进一步地，空间光调制器4适用波段为1000nm-1100nm。

更近一步地，空间光调制器4的峰值功率损伤阈值大于等于50GW/cm²@200fs100Hz，使得空间光调制器4具有良好的抗激光损伤性能。

优选地，反射镜6采用表面镀有近红外光增反膜，能够提高反射镜6的反射率。

可选地，反射镜6具有高损伤阈值，使得反射镜6具有良好的抗激光损伤性能。

优选的是，扫描加工单元包括振镜7和场镜8，从反射镜6出射的衍射光束经过振镜7和场镜8后聚焦于待加工产品9的表面来实现相关需求的加工，待加工产品9置于场镜8的焦平面位置处。

可选地，振镜7、场镜8均采用表面镀有近红外光增透膜，能够减少镜片界面的反射，增加光线透过率。

进一步地，振镜7、场镜8均具有高损伤阈值，使得振镜7、场镜8具有良好的抗激光损伤性能。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种并行激光加工系统，其特征在于，包括沿光路依次设置的激光器、扩束器、半波片、全内反射棱镜系统、空间光调制器、反射镜和用于对待加工产品进行加工的扫描加工单元，所述全内反射棱镜系统包括第一全内反射棱镜和第二全内反射棱镜，所述第一全内反射棱镜与所述第二全内反射棱镜的贴合面形成倾斜的入射面，所述激光器发出的光束经所述扩束器扩束和经所述半波片调偏后入射到所述全内反射棱镜系统的所述入射面，并在所述入射面处发生全反射后出射到所述空间光调制器，全反射到所述空间光调制器的光束与所述空间光调制器之间的入射角为0-5度，经过所述空间光调制器调制后的衍射光束依次透过所述第一全内反射棱镜和所述第二全内反射棱镜入射到所述反射镜，并经所述反射镜反射到所述扫描加工单元。

2.如权利要求1所述的并行激光加工系统，其特征在于，定义所述第一全内反射棱镜的折射率为n1，定义所述第二全内反射棱镜的折射率为n2，其中，1.4＜n1≤1.5，1.4≤n2＜1.5，n1＞n2。

3.如权利要求2所述的并行激光加工系统，其特征在于，定义经所述半波片调偏后的激光光束入射到所述全内反射棱镜系统的入射角为θ，则θ≥arcsin(n1/n2)。

4.如权利要求1所述的并行激光加工系统，其特征在于，所述第一全内反射棱镜大于等于20J/cm²@10ns，所述第二全内反射棱镜的损伤阈值大于等于20J/cm²@10ns。

5.如权利要求1所述的并行激光加工系统，其特征在于，所述第一全内反射棱镜和所述第二全内反射棱镜均为采用熔融石英材料制备而成的全内反射棱镜。

6.如权利要求1所述的并行激光加工系统，其特征在于，所述激光器采用波长为1030nm的光纤飞秒激光器。

7.如权利要求1所述的并行激光加工系统，其特征在于，所述扩束器采用1-8x倍率可调扩束器，且所述扩束器的损伤阈值大于等于10J/cm²@10ns。

8.如权利要求1所述的并行激光加工系统，其特征在于，所述半波片的波长为1030nm，且所述半波片的损伤阈值大于等于10J/cm²@10ns。

9.如权利要求1所述的并行激光加工系统，其特征在于，所述空间光调制器采用反射式硅基液晶空间光调制器，且所述空间光调制器适用波段为1000nm-1100nm，所述空间光调制器的峰值功率损伤阈值大于等于50GW/cm²@200fs 100Hz。

10.如权利要求1所述的并行激光加工系统，其特征在于，所述扫描加工单元包括振镜和场镜，从所述反射镜出射的衍射光束经过所述振镜和所述场镜后聚焦于待加工产品的表面来实现相关需求的加工。

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