CN114505595A - 一种激光切割装置 - Google Patents

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吴春洲
邹志新
高阳
江新
刘昂
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Changsha Lubang Photoelectric Technology Co ltd
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Abstract

一种激光切割装置，包括壳体、四分之一波片和透镜，四分之一波片和透镜均安装在壳体内，透镜包括依次排列的衍射锥透镜、第一透镜和第二透镜，其中衍射锥透镜更靠近四分之一波片，第一透镜和第二透镜组成一个双远心***。本发明的激光切割装置可以用于不同厚度的透明材料加工，***简单，成本低，装配简单。

Description

一种激光切割装置
技术领域
本发明涉及激光加工设备技术领域，具体涉及一种激光切割装置。
背景技术
激光切割属于热切割方法之一，是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。与其它常规加工方法相比，激光切割技术的精度高、切缝窄、切割面光滑、速度快、不损伤工件、适应性好，不受被切材料的硬度影响，不受工件外形的影响，可以对如塑料、木材、PVC、皮革、纺织品和有机玻璃等非金属进行切割加工，因此激光切割技术得到了广泛地推广和应用。
随着社会的发展，对材料加工的精密度、高效性提出了更高的需求。特别是IT产业的迅速发展，液晶显示器、手机全面屏等高科技电子产品应运而生，这些电子产品的制作过程中需要对大量玻璃进行精确的切割。现有技术中，用于玻璃加工的激光切割机构，一般仅能适用于特定厚度玻璃材料的切割，适配性较差，即一个装置只能适配同一个焦深，无法适配多个焦深；而且现有激光切割装置的整体结构尺寸冗长，结构复杂，一般包括多个透镜和物镜，使得生产成本较高，价格较贵。有鉴于此，本申请旨在提供一种适配多个焦深的激光切割装置，该切割装置具有加工效果好、结构紧凑和成本低的优点。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种激光切割装置，该切割装置具有加工效果好、结构紧凑和成本低的优点。
本发明的技术方案是：一种激光切割装置，包括壳体、四分之一波片和透镜，四分之一波片和透镜均安装在壳体内，透镜包括依次排列的衍射锥透镜、第一透镜和第二透镜，其中衍射锥透镜更靠近四分之一波片，第一透镜和第二透镜组成一个双远心***。
进一步的，四分之一波片由基片玻璃、保护玻璃和液晶分子膜层组成，其中基片玻璃位于中间，三者之间通过光学胶水粘贴在一起。
进一步的，四分之一波片中基片玻璃和保护玻璃的厚度为1.6mm ,液晶分子膜层的厚度为3um。
进一步的，衍射锥透镜由基片玻璃、保护玻璃和液晶分子膜层组成，其中基片玻璃位于中间，三者之间通过光学胶水粘贴在一起。
进一步的，衍射锥透镜中基片玻璃和保护玻璃的厚度为1.6mm ,液晶分子膜层的厚度为5um。
进一步的，四分之一波片与衍射锥透镜之间的距离根据实际情况进行调整。
进一步的，衍射锥透镜和第二透镜到第一透镜之间的距离均为一固定值。
进一步的，壳体为圆管状，壳体上设有外螺纹，通过外螺纹结构切割装置可方便的进行安装。
进一步的，衍射锥透镜、第一透镜和第二透镜之间可通过垫圈结构来保持固定的距离。
进一步的，第一透镜的有效距为150mm，尺寸为25.4mm，第二透镜的有效焦距为20mm，尺寸为25.4mm。
进一步的，衍射锥透镜采用微透镜阵列结构来实现其功能，使得衍射锥透镜为平板状，容易更换。
本发明的工作原理：通过四分之一波片将激光调整为左旋（右旋）圆偏振光，经过衍射锥透镜后产生会聚（发散）的环形光束，环形光束在某一段距离会进行叠加，产生准贝塞尔光束。然后通过双远心***是将衍射锥透镜产生的贝塞尔光束进行转移，将准贝塞尔光束进行变换，转换为所需的焦深长度和光斑尺寸。
本发明中，衍射锥透镜中的液晶分子膜层中液晶的排列方式为圆形条纹状，如图2所示，
衍射锥透镜的相位计算如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中，p为圆形条纹周期的两倍数值，r为元件尺寸；
液晶分子的快轴方位角计算如下：
Figure 642361DEST_PATH_IMAGE002
(2)
对于不同周期的锥透镜，其衍射角度计算如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
(3)
其中，λ为设计波长，θ为衍射角度；
由锥透镜产生的贝塞尔区域长度计算公式如下：
Figure 887397DEST_PATH_IMAGE004
(4)
其中，Zmax为准贝塞尔光束的长度；
产生的贝塞尔光斑尺寸计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
(5)
其中，k为激光波矢；
第一透镜和第二透镜组成一个双远心***，两者满足共焦情况，形成一个缩束器，缩束倍率为1/7 X。双远心***对准贝塞尔光束进行转换，焦深转换公式如下
Figure 729451DEST_PATH_IMAGE006
(6)
其中，β为倍率；
贝塞尔光斑尺寸转换公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
(7)。
与现有技术相比本发明的有益效果：本发明的切割装置中采用了衍射轴锥透镜，能够让贝塞尔区域的中心强度变化更加平坦，这有利于加工； 本发明的切割装置采用了非4F结构，能适配不同衍射锥透镜来得到不同的焦深长度；本发明的切割装置采用的都是单个透镜，没有使用物镜，降低了成本和复杂度。
附图说明
图1是本发明实施例1的一个剖面示意图；
图2是本发明实施例1的衍射锥透镜中液晶分子膜在偏光显微镜下观察到的排列方式图；
图中：1-四分之一波片，2-衍射锥透镜，3-第一透镜，4-第二透镜，5-壳体。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，实施例中未具体说明的方法或功能部件均为现有技术。
实施例1
如图1所示，本实施例是一种激光切割装置，包括壳体5、四分之一波片1和透镜，四分之一波片1和透镜均安装在壳体内，透镜包括依次排列的衍射锥透镜2、第一透镜3和第二透镜4，其中衍射锥透镜2更靠近四分之一波片1，第一透镜3的有效距为150mm，尺寸为25.4mm，第二透镜4的有效焦距为20mm，尺寸为25.4mm，第一透镜3和第二透镜4组成一个双远心***，两者满足共焦情况，形成一个缩束器。
本实施例中，四分之一波片1由基片玻璃、保护玻璃和液晶分子膜层组成，其中基片玻璃位于中间，三者之间通过光学胶水粘贴在一起，四分之一波片1中基片玻璃和保护玻璃的厚度为1.6mm ,液晶分子膜层的厚度为3um。
本实施例中，衍射锥透镜2由基片玻璃、保护玻璃和液晶分子膜层组成，其中基片玻璃位于中间，三者之间通过光学胶水粘贴在一起，衍射锥透镜2中基片玻璃和保护玻璃的厚度为1.6mm ,液晶分子膜层的厚度为5um。
本实施例中，四分之一波片1与衍射锥透镜2之间的距离可以根据实际情况进行调整。衍射锥透镜2和第二透镜4到第一透镜3之间的距离均保持固定值。衍射锥透镜2、第一透镜3和第二透镜4之间通过垫圈结构来保持距离。
本实施例中，壳体5为圆管状，壳体5上设有外螺纹，通过外螺纹结构激光切割装置可方便的安装到相应设备上进行工作。
本发明的工作过程如下：
第一步，准直平行光束经过四分之波片后偏振态发生变化，由原来的线偏振光转换为圆偏振光。由于偏振态会影响到衍射锥透镜的会聚与发散情况，在本实施例中，可将偏振态调节至左旋圆偏振光，使得经过衍射锥透镜的光先进行汇聚，再发散。
第二步，左旋圆偏振光经过衍射锥透镜后得到先汇聚后发散的中空环形光束。其中在某一段长度下可以形成准贝塞尔光束，准贝塞尔光束环形光束具有一定的发散角，即衍射角。由于在实际的激光切割中，所需的切割长度（1~10mm）远远小于单个衍射锥透镜的焦深长度（几百毫米），且所需的光斑尺寸（1~5 um）远远大于单个衍射锥透镜产生的光斑尺寸（几十微米）。因此，需要对衍射锥透镜产生的准贝塞尔光束进行转换。
第三步，第一透镜和第二透镜组成的双远心***，将衍射锥透镜产生的准贝塞尔光束进行转换。
第四步，在双远心***的倍率已经确定的情况下，只需要改变衍射锥透镜的衍射角度即可得到不同长度的焦深，即可用于对不同厚度的透明材料（如玻璃）进行切割。
使用本发明的经过实验计算，得到如下数据：
当衍射锥透镜的衍射角度为2°时，最终的焦深长度为1mm，光斑尺寸为1.1um。
当衍射锥透镜的衍射角度为0.73°时，最终的焦深长度为4mm，光斑尺寸为4.03um。
当衍射锥锥透镜的衍射角度为0.3°时，最终的焦深长度为10mm，光斑尺寸为10.25um。
可以根据需要的焦深厚度来设计衍射锥透镜的衍射角度。由于公式使用的是理想薄透镜，与实际设计有点差别。1~10mm的焦深长度（空气）覆盖基本上绝大多数的透明材料切割，满足大部分的切割需求。上述所说的焦深长度均为空气中的长度。那么对应于透明玻璃材料的焦深长度计算公式如下：
Figure 921398DEST_PATH_IMAGE008
其中：n为透明材料的折射率。
以上仅为本发明的部分实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有前述各种技术特征的组合和变型，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，对本发明的改进、变型、等同替换，或者将本发明的结构或方法用于其它领域以取得同样的效果，都属于本发明包括的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光切割装置，包括壳体、四分之一波片和透镜，四分之一波片和透镜均安装在壳体内，其特征在于：所述透镜包括依次排列的衍射锥透镜、第一透镜和第二透镜，其中衍射锥透镜更靠近四分之一波片，第一透镜和第二透镜组成一个双远心***。
2.根据权利要求1所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述四分之一波片由基片玻璃、保护玻璃和液晶分子膜层组成，其中基片玻璃位于中间。
3.根据权利要求2所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述四分之一波片中基片玻璃和保护玻璃的厚度为1.6mm ,液晶分子膜层的厚度为3um。
4.根据权利要求1所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述衍射锥透镜由基片玻璃、保护玻璃和液晶分子膜层组成，其中基片玻璃位于中间。
5.根据权利要求4所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述衍射锥透镜中基片玻璃和保护玻璃的厚度为1.6mm ,液晶分子膜层的厚度为5um。
6.根据权利要求1所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述四分之一波片与衍射锥透镜之间的距离根据实际情况进行调整。
7.根据权利要求1所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述衍射锥透镜和第二透镜到第一透镜之间的距离均为一固定值。
8.根据权利要求1所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述壳体为圆管状。
9.根据权利要求1所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述第一透镜的有效距为150mm，尺寸为25.4mm。
10.根据权利要求1所述的一种激光切割装置，其特征在于：所述第二透镜的有效焦距为20mm，尺寸为25.4mm。
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