CN115390260A - 一种激光光束的扫描加工装置、***及方法 - Google Patents

一种激光光束的扫描加工装置、***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光光束的扫描加工装置、***和方法。通过本发明可以实现激光光束垂直于聚焦面的远心聚焦和移动，实现焦点远心扫描加工，解决现有技术不能进行偏离光轴的远心扫描加工等技术问题。

Description

一种激光光束的扫描加工装置、***及方法
技术领域
本发明涉及激光领域，尤其涉及一种激光光束的扫描加工装置、***及方法。
背景技术
贝塞尔光束由于其独特的纵向聚焦特性，被广泛应用于材料加工、光镊等领域。贝塞尔光束在物理光学上可以视为许多等振幅的平面子波相干叠加而成，这些平面子波的波矢量有着不同的方位角，但是跟光束传输方向有相等的夹角，因此，其波前可以看成一个个沿光束方向传播的锥面，如图1中锥透镜(锥棱镜)ZL，这种波前干涉，形成环状的光强分布，而在其中心，发生干涉叠加，光强呈现出高亮度的极点光斑。利用这种效应，在激光加工领域可以结合皮秒、飞秒等超快激光技术，产生小于衍射极限的超精细、超低热影响的非线性加工技术。而现有的贝塞尔激光加工方式受限于其传输特性，一般需要沿着物镜光轴或者在光轴附近才能产生这种中心强度极高的点光斑，如图1所示，因此无法像传统激光加工手段一样进行偏离光轴的扫描加工。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种激光光束的扫描加工装置、方法及***。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
根据本申请的一个方面，提供了一种激光光束的扫描加工装置，包括依次设置的光源产生模块、正透镜、一至多个变角度平楔透镜、及远心扫描场镜组，其中：
所述光源产生模块，产生扫描加工的激光光束；
所述正透镜，对所述光束进行准直形成环状聚焦光斑；
所述变角度平楔透镜，对所述光束进行角度变换；
所述远心扫描场镜组，对变换后的光斑在所述远心扫描场镜组后方的焦平面进行聚焦。
可选的，所述变角度平楔透镜位置位于所述光源产生模块和所述正透镜后方的焦距f1位置附近，其范围包括0.5f1～1.5f1。
可选的，所述远心扫描场镜组位置在其入瞳位置位于所述变角度透镜位置附近，范围：-0.5f2～0.5f2，其中f2为场镜组***焦距。
可选的，一个所述变角度平楔透镜绕所述光束光轴转动可实现所述聚焦的聚焦点绕光轴的转动。
可选的，多个所述变角度平楔透镜绕所述贝塞尔光束光轴转动速度的差动可实现所述聚焦的聚焦点在聚焦平面的二维移动。
可选的，所述远心扫描场镜组包括沿光轴方向从左到右依次排列的：第一负透镜、第一正弯月透镜、第二正弯月透镜、正透镜，第三正弯月透镜，第四正弯月透镜，第二负透镜。
优选的，第一负透镜和第二负透镜接近对称性关系；第一正弯月透镜和第四正弯月透镜接近对称性关系；第二正弯月透镜和第三正弯月透镜接近对称性关系。
根据本申请的另一个方面，提供了一种包含上述激光光束的扫描加工装置的***，例如用于加工和控制粒子移动的光镊应用***、扫描、测量***等。
根据本申请的另一个方面，提供了一种激光光束的处理方法，包括以下步骤：
生成激光光束；
对所述光束进行准直形成环状聚焦光斑；
根据待加工焦点通过变角度平楔透镜对所述光束的聚焦点绕光轴的转动；
和/或通过多个所述变角度平楔透镜绕所述光束光轴转动速度的差动对所述聚焦点在聚焦平面进行二维移动。
可选的，将转动或移动后的光束/光斑通过一组远心扫描场镜后进行聚焦，所述激光光束可以包括贝塞尔光束、高斯光束、平顶光束等。
本方案提出的激光光束的扫描加工装置、方法及***，可以避免现有二维扫描振镜***由于两个反射镜安装位置差异造成的远心度不足问题，采用本方案可以实现激光光束垂直于聚焦面的远心聚焦和移动，实现焦点远心扫描加工，及大扫描角度大聚焦角度的远心聚焦，解决现有技术不能进行偏离光轴的远心扫描加工等技术问题。本申请不局限于激光贝塞尔光束对硬质透明材料的切割和加工，以及光镊的移动操作，还可以应用于高速光束、平顶光束等扫描、切割、加工处理等应用场景。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术示意图；
图2是本发明提出的激光光束的扫描加工装置及方法的实施例应用环境示意图；
图3是本发明提出的激光光束的扫描加工装置及方法的实施例示意图。
附图图2及图3标记：
ZL——锥透镜(锥棱镜)；L1——正透镜1；L2——变角度平楔透镜；L3——扫描场镜组；L2a——平楔透镜1；L2b——平楔透镜2；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图2是本发明提出的激光光束的扫描加工装置及方法的实施例应用环境示意图，如图2所示：
本实施例包括ZL：锥透镜(锥棱镜)，L1：正透镜1，L2：变角度透镜，例如平楔透镜，L3：扫描场镜组，其中L3可以是一个包含7组7片镜片结构的聚焦镜***，如图所示，L3可以包括沿光轴方向从左到右依次排列的：负透镜、2个正弯月透镜、正透镜，另外2个正弯月透镜，最后一个负透镜。
本实施例中高斯或平顶分布的激光光束，例如贝塞尔光束、高斯光束、平顶光束等通过锥透镜(锥棱镜)ZL形成贝塞尔光束，之后经正透镜L1准直形成环状聚焦光斑，之后经过一个或多个变角度透镜L2，例如平楔透镜(光楔)改变角度，进入远心扫描场镜组***L3，并在场镜后方的焦平面完成聚焦；其中，平楔透镜L2绕光束方向转动可实现聚焦点移动，实现焦点扫描加工，同时保证了加工光束垂直于工件表面。本领域普通技术人员可知，本实施例中采用平楔透镜进行变换角度，其他转镜、振镜也可以实现，但本申请中变角度平楔透镜可以在实际使用中实现远心聚焦。
本实施例中光学***具体参数举例如表1所示：
表1.
Figure BDA0003855191180000041
Figure BDA0003855191180000051
Figure BDA0003855191180000061
其中：表面3为奇次非球面，其矢高x满足公式：
x＝-0.087×r
其中r为径向坐标。
表1中，表面1-9为光束产生和传输***的镜片数据，表面10～22为7组7片聚焦场镜L3***参数。
图3是本发明提出的激光光束的扫描加工装置及方法的实施例示意图，如图3所示，
本实施例提供的装置包括ZL：锥透镜(锥棱镜)，L1：正透镜1，L2a：平楔透镜1，L2b：平楔透镜2，L3：扫描场镜组，其中L3是一个包含7组7片镜片结构的聚焦镜***。本实施例中光学***具体参数如表2所示：
表2.
Figure BDA0003855191180000062
Figure BDA0003855191180000071
Figure BDA0003855191180000081
其中：表面3为奇次非球面，其矢高x满足公式：
x＝-0.087×r
其中r为径向坐标。
表2中，表面1-11为光束产生和传输***的镜片数据，表面12～24为7组7片聚焦场镜***参数。
如图2-图3所示，L2位置可以位于锥透镜ZL和正透镜L1后方L1的焦距f1位置附近，其范围包括0.5f1～1.5f1，在此位置范围会使后面聚焦光斑的聚焦深度和能量密度达到最优；场镜***组L3位置可以位于入瞳位置位于平楔透镜L2位置附近，范围：-0.5f2～0.5f2，其中f2为场镜***焦距，在此位置范围可以使聚焦光斑垂直方向聚焦于加工面，也就是实现远心聚焦较佳。
本实施例的贝塞尔光束经过一片或多片平楔透镜偏折，从场镜光学***入瞳位置以一定角度进入场镜***，经场镜***聚焦后其主光线以与光轴平行的方向实现聚焦。
上述实施例中单片平楔透镜绕光轴转动实现聚焦点绕光轴转动，多片平楔透镜绕光轴转动速度的差动实现聚焦点在聚焦平面的二维移动。远心扫描场镜组***，如满足入瞳位置附近(-0.5f，0.5f)范围内进行改变光束角度的扫描，即可在后端获得接近垂直入射的扫描聚焦光斑。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种激光光束的扫描加工装置，其特征在于，包括依次设置的光源产生模块、正透镜、一至多个变角度平楔透镜、及远心扫描场镜组，其中：
所述光源产生模块，产生扫描加工的激光光束；
所述正透镜，对所述光束进行准直形成环状聚焦光斑；
所述变角度平楔透镜，对所述光束进行角度变换；
所述远心扫描场镜组，对变换后的光斑在所述远心扫描场镜组后方的焦平面进行聚焦。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变角度平楔透镜位置位于所述光源产生模块和所述正透镜后方的焦距f1位置附近，其范围包括0.5f1～1.5f1。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述远心扫描场镜组位置在其入瞳位置位于所述变角度透镜位置附近，范围：-0.5f2～0.5f2，其中f2为场镜组***焦距。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，一个所述变角度平楔透镜绕所述光束光轴转动可实现所述聚焦的聚焦点绕光轴的转动。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，多个所述变角度平楔透镜绕所述光束光轴转动速度的差动可实现所述聚焦的聚焦点在聚焦平面的二维移动。
6.根据权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述远心扫描场镜组包括沿光轴方向从左到右依次排列的：
第一负透镜、第一正弯月透镜、第二正弯月透镜、正透镜，第三正弯月透镜，第四正弯月透镜，第二负透镜。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，第一负透镜和第二负透镜接近对称性关系；第一正弯月透镜和第四正弯月透镜接近对称性关系；第二正弯月透镜和第三正弯月透镜接近对称性关系。
8.一种激光光束的处理***，其特征在于，包括上述1-7任一项激光光束的扫描加工装置，所述处理***包括光镊应用***、扫描、测量***。
9.一种激光光束的处理方法，其特征在于，包括：
生成激光光束；
对所述光束进行准直形成环状聚焦光斑；
根据待加工焦点通过变角度平楔透镜对所述光束的聚焦点绕光轴的转动；
和/或通过多个所述变角度平楔透镜绕所述光束光轴转动速度的差动对所述聚焦点在聚焦平面进行二维移动。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
将转动或移动后的光束/光斑通过一组远心扫描场镜后进行聚焦，
所述激光光束包括贝塞尔光束、高斯光束、平顶光束。
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