非对称分束激光加工透明材料的装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及非对称分束激光加工透明材料的装置及其方法，依光束传播方向设置有：激光光源，可输出宽度小于300纳秒、波长在343～2000纳米范围脉冲激光；传输系统，对从激光光源输出的激光光束扩束、反射；整形系统，将光束截面能量为高斯分布的激光光束转换为贝塞尔分布，形成贝塞尔光束；分束系统，为具有至少两个楔形面结构的楔形棱镜，每个楔形面相对于光轴的夹角不同，将激光光束分割为至少两个部分，形成至少两束贝塞尔光束；聚焦系统，对至少两束贝塞尔光束缩小汇聚成像聚焦。利用非对称楔形镜片将贝塞尔光束分割成至少两束，并利用贝塞尔光束的自重建特性，经聚焦装置汇聚成至少两个焦点；不仅提升加工效率，还显著降低成本。

【技术实现步骤摘要】
非对称分束激光加工透明材料的装置及其方法
本专利技术涉及一种非对称分束激光加工透明材料的装置及其方法，属于激光加工

技术介绍
目前，对于脆性透明材料的激光加工技术，特别是玻璃材料，利用贝塞尔光束进行加工的方式已经获得较多的应用。受限于激光器本身性能的影响，特别是激光脉冲能量的限制，基本都采用单光束的方式进行加工。提高激光脉冲能量的方法有两个，一是提高激光器输出激光的最大功率，在相同脉冲重复频率下获得更高脉冲能量；二是维持功率基本不变或是稍微有所提高，降低脉冲重复频率以获得更高的脉冲能量或者是脉冲串的总能量；前者随着总功率的增加，技术要求高，且激光器的价格随之升高，性价比降低；后者因维持功率基本不变，技术门槛没有前者高，成本上升不大，但降低了重复频率，也降低了加工效率。在第二种情况下，采用分束的方法可以较大的提升加工效率，使激光器能量得到充分利用。激光分束的方法常用的方法是采用衍射光学组件，但在微小角度分束的情况下利用衍射原理要求入射光束的直径很大，实际使用中几乎无法应用；同时，贝塞尔光束本身具有的自重建特性使得光束在用折射方法分割后仍旧能维持贝塞尔光束的特性。另外，采用衍射光学组件，其成本较高。因此，需要设计一种可降低成本、提升加工效率的激光加工方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种非对称分束激光加工透明材料的装置及其方法。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：非对称分束激光加工透明材料的装置，特点是：依光束传播方向设置有：r>激光光源，为可输出宽度小于300纳秒、波长在343～2000纳米范围脉冲激光的脉冲激光器；传输系统，对从激光光源输出的激光光束扩束、反射；整形系统，将光束截面能量为高斯分布的激光光束转换为贝塞尔分布，形成贝塞尔光束；分束系统，为具有至少两个楔形面结构的楔形棱镜，每个楔形面相对于光轴的夹角不同，将激光光束分割为至少两个部分，形成至少两束贝塞尔光束；聚焦系统，对至少两束贝塞尔光束缩小汇聚成像聚焦。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，激光光源为可输出脉冲宽度为300fs~20ps、波长为1030或者1064nm的脉冲激光器。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，传输系统包含具有可调倍率与改变发散角的扩束镜以及对光束传播方向调整与准直的反射镜。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，整形系统为衍射光学透镜、轴棱锥或空间光调制器。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，楔形棱镜为单个镜片或由多个镜片拼接而成。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，楔形棱镜的楔形面的材料为同一种材料，或者不同种材料。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，楔形棱镜后置有窗口透镜或正透镜。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，正透镜形状为平凸透镜、双凸透镜或弯月透镜。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，正透镜的曲面为球面形式或者非球面形式，非球面形式为抛物面、双曲面或偶次非球面。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，聚焦系统为光学4f系统。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，聚焦系统包含同轴设置的两个正透镜，第一正透镜的有效焦距大于第二正透镜，第二正透镜为激光准直镜或者显微物镜。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，分束系统装载于旋转装置上，旋转装置带动分束系统绕光轴旋转。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，旋转装置呈中空形状，具有用于激光光束透过的中空结构。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，整形系统、装载有分束系统的旋转装置以及聚焦系统安装于Z轴升降装置上，Z轴升降装置调节成像位置相对于被加工物体的上下距离。进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，还包含用于装载被加工物体的X-Y轴运动平台，驱动被加工物体相对于聚焦系统运动。本专利技术非对称分束激光加工透明材料的方法，激光光源输出能量分布为高斯分布的光束；传输系统对光束的直径及发散角进行连续调节，并将激光导入至整形系统；整形系统将光束截面能量为高斯分布的激光光束转换为贝塞尔分布，形成贝塞尔光束；分束系统，将激光光束由一束分成至少两束以上，形成至少两束贝塞尔分布的光束；聚焦系统将贝塞尔分布的至少两束激光汇聚成像于预定位置，被加工物体位于激光汇聚范围内，被加工物体承载于X-Y轴运动平台上，相对于聚焦系统移动，在激光焦点范围内对被加工物体造成损伤、改性的物理变化，实现被加工物体的加工。更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，激光光源输出脉冲宽度小于300纳秒、波长343～2000纳米的脉冲激光，脉冲宽度是单脉冲的脉冲宽度，或者是脉冲串的包络宽度，被加工物体对于激光波长是透明的。更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，分束系统为具有至少两个楔形面结构的楔形棱镜，利用折射原理将激光光束分割为至少两个部分，每个楔形面与光轴的夹角不相同，整个分束系统的楔形面相对于光轴不对称，通过改变楔形面与光轴的夹角，改变分束后子光束之间的夹角，从而最终改变经聚焦系统汇聚后各贝塞尔光束中心间的距离。更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，分束系统由多个楔形面组成，每个楔形面的材料采用同一种材料或采用不同材料，不同材料对所透射光的折射率不同；通过改变材料种类改变折射率，改变分束后子光束之间的夹角，从而最终改变经聚焦系统汇聚后各贝塞尔光束中心间的距离。更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，分束系统的楔形棱镜后置有窗口透镜或正透镜，通过改变楔形棱镜与窗口透镜间间距，或通过改变窗口透镜折射率，或通过改变楔形棱镜与正透镜间间距，改变分束后子光束之间的夹角。更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，经聚焦系统缩小汇聚的贝塞尔光束中心区域能量沿光轴方向具有分布范围，能量范围大于被加工物体的厚度，或小于被加工物体的厚度；通过调节光束汇聚的位置，能量范围覆盖被加工物体的厚度，或部分位于被加工物体上，或位于被加工物体内部。更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，通过调节激光脉冲能量的大小，使中心区域能量密度大于被加工物体的损伤阈值，致被加工物体爆裂损伤；或使用合适的能量大小，使能量密度仅造成光学击穿而未产生爆裂，致被加工物体产生折射率变化、熔融状态。更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，对被激光照射后产生的爆裂、折射率变化、熔融区域，施以机械外力、化学腐蚀方式实现被加工物体的分离。更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，至少两束贝塞尔光束经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：依光束传播方向设置有：/n激光光源（1），为可输出宽度小于300纳秒、波长在343～2000纳米范围脉冲激光的脉冲激光器；/n传输系统（2），对从激光光源（1）输出的激光光束扩束、反射；/n整形系统（3），将光束截面能量为高斯分布的激光光束转换为贝塞尔分布，形成贝塞尔光束；/n分束系统（4），为具有至少两个楔形面结构的楔形棱镜，每个楔形面相对于光轴的夹角不同，将激光光束分割为至少两个部分，形成至少两束贝塞尔光束；/n聚焦系统（5），对至少两束贝塞尔光束缩小汇聚成像聚焦。/n

【技术特征摘要】
1.非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：依光束传播方向设置有：
激光光源（1），为可输出宽度小于300纳秒、波长在343～2000纳米范围脉冲激光的脉冲激光器；
传输系统（2），对从激光光源（1）输出的激光光束扩束、反射；
整形系统（3），将光束截面能量为高斯分布的激光光束转换为贝塞尔分布，形成贝塞尔光束；
分束系统（4），为具有至少两个楔形面结构的楔形棱镜，每个楔形面相对于光轴的夹角不同，将激光光束分割为至少两个部分，形成至少两束贝塞尔光束；
聚焦系统（5），对至少两束贝塞尔光束缩小汇聚成像聚焦。


2.根据权利要求1所述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：激光光源（1）为可输出脉冲宽度为300fs~20ps、波长为1030或者1064nm的脉冲激光器。


3.根据权利要求1所述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：传输系统（2）包含具有可调倍率与改变发散角的扩束镜以及对光束传播方向调整与准直的反射镜。


4.根据权利要求1所述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：整形系统（3）为衍射光学透镜、轴棱锥或空间光调制器。


5.根据权利要求1所述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：楔形棱镜为单个镜片或由多个镜片拼接而成。


6.根据权利要求1或5所述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：楔形棱镜的楔形面的材料为同一种材料，或者不同种材料。


7.根据权利要求1所述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：楔形棱镜后置有窗口透镜或正透镜。


8.根据权利要求1所述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：聚焦系统（5）为光学4f系统。


9.根据权利要求1所述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：聚焦系统（5）包含同轴设置的两个正透镜，第一正透镜的有效焦距大于第二正透镜，第二正透镜为激光准直镜或者显微物镜。


10.根据权利要求1所述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：分束系统（4）装载于旋转装置（10）上，旋转装置（10）带动分束系统（4）绕光轴旋转。


11.根据权利要求10所述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：旋转装置（10）呈中空形状，具有用于激光光束透过的中空结构。


12.根据权利要求1所述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：整形系统（3）、装载有分束系统（4）的旋转装置（10）以及聚焦系统（5）安装于Z轴升降装置上，Z轴升降装置调节成像位置相对于被加工物体的上下距离。


13.根据权利要求1所述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其特征在于：还包含用于装载被加工物体（8）的X-Y轴运动平台（6），驱动被加工物体相对于聚焦系统（5）运动。


14.非对称分束激光加工透明材料的方法，其特征在于：激光光源（1）输出能量分布为高斯分布的光束；
传输系统（2）对光束的直径及发散角进行连续调节，并将激光导入至整形系统（3）；
整形系统（3）将光束截面能量为高斯分布的激光光束转换为贝塞尔分布，形成贝塞尔光束；
分束系统（4），将激光光束由一束分成至少两束以上，形成至少两束贝塞尔分布的光束；
聚焦系统（5）将贝塞尔分布的至少两束激光汇聚成像于预定位置，被加工物体（8）位于激光汇聚范围内，被加工物体（8）承载于X-Y轴运动平台（6）上，相对于聚焦系统（5）...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵裕兴，郭良，
申请(专利权)人：苏州德龙激光股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32