一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统及方法，系统包括：用于产生激光的激光器、用于改变光路径的准直镜片、控制光斑焦点分布的衍射光学元件模块，激光器发出的激光经过准直镜片照射至衍射光学元件模块上，经过衍射光学元件模块聚焦的激光射至待加工工件上；衍射光学元件模块包括至少两个沿轴向相对分布的DOE镜片和驱动DOE镜片转动的转动驱动件，转动驱动件驱动至少一个DOE镜片以中轴线为旋转中心进行旋转，从而改变激光经过衍射光学元件模块聚焦后产生的焦点位置。本系统通过DOE镜片的旋转动态调整能量和光束焦点位置以实现动态可调焦的快速响应方案，从而通过动态光斑来对待加工工件进行激光加工。而通过动态光斑来对待加工工件进行激光加工。而通过动态光斑来对待加工工件进行激光加工。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统及方法


[0001]本专利技术涉及激光加工
，具体涉及一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统及方法。

技术介绍

[0002]在激光加工领域中，现有的调节激光焦点的方法多采用透镜沿轴向移动来实现，从而使得焦点产生动态变化，但是这种调节方式需要设置轴向位移驱动件，且要计算轴向位移对焦点位置的影响，同时驱动透镜轴向位移必然会增加整个激光加工设备在轴向上的长度，使得设备的尺寸变大，不适用于紧凑型结构的激光加工设备。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术的第一目的在于提供一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，DOE镜片通过薄片相位控制实现在空间或重量受到严格限制的情况下的工作，同时衍射光学元件模块的焦距通过使两个DOE镜片之间相互旋转一定的角度来精确调整，并使该焦距和激光的焦点位置固定，无需使用压力或电压施加外力。因此本系统所需的屈光力的调整是精确且可重复的，一旦调整屈光力就不会蠕变。同时本系统的变焦方式无需设置轴向位移的驱动件，可大幅度减少机械件的结构尺寸，使得整个系统尺寸更加紧凑。
[0004]为实现上述专利技术目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0005]一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，包括：
[0006]用于产生激光的激光器、用于改变光路径的准直镜片、控制光斑焦点分布的衍射光学元件模块，所述准直镜片置于所述激光器和所述衍射光学元件模块之间，所述激光器发出的激光经过准直镜片照射至所述衍射光学元件模块上，经过所述衍射光学元件模块聚焦的激光射至待加工工件上，所述衍射光学元件模块用于控制DOE镜片的焦度和激光的焦点分布，以使经过所述衍射光学元件模块产生的焦点沿预定的加工轨迹移动以完成对待加工工件的加工；
[0007]所述衍射光学元件模块包括至少两个沿轴向相对分布的DOE镜片和驱动所述DOE镜片转动的转动驱动件，所述DOE镜片、所述准直镜片和所述激光器产生的激光位于同一中轴线上，所述转动驱动件驱动至少一个所述DOE镜片以所述中轴线为旋转中心进行旋转，以使至少两个所述DOE镜片之间发生相互转动，从而改变激光经过衍射光学元件模块聚焦后产生的焦点位置。
[0008]DOE镜片即为衍射元件镜片，每两个相对设置的两个DOE镜片形成一个镜片组，且这两个相对设置的DOE镜片可完成相对转动，具体的可以为其中一个DOE镜片固定不动，另一DOE镜片转动；或者两个DOE镜片同时转动，从而使这两个DOE镜片完成相对转动。
[0009]优选的，所述DOE镜片根据其镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择不同的特性函数来设置镜片轮廓。
[0010]优选的，所述转动驱动件包括转动驱动电机、主动驱动齿轮和从动驱动齿轮，所述转动驱动电机的驱动轴与所述主动驱动齿轮连接，所述从动驱动齿轮与所述主动驱动齿轮啮合，至少一个所述DOE镜片与所述从动驱动齿轮连接，所述转动驱动电机驱动主动驱动齿轮转动，从而带动所述从动驱动齿轮和至少一个所述DOE镜片转动。
[0011]优选的，所述衍射光学元件模块包括第一DOE镜片和第二DOE镜片，所述第一DOE镜片设置在所述准直镜片和所述第二DOE镜片之间，所述第一DOE镜片固定不动，所述第二DOE镜片在所述转动驱动件的驱动下转动。
[0012]优选的，所述从动驱动齿轮和第二DOE镜片连接，所述第二DOE镜片安装在所述从动驱动齿轮的内圈中，以使从动驱动齿轮带动第二DOE镜片以第二DOE镜片的中心为旋转中心进行转动，使得第二DOE镜片的相位发生变化，进一步使得激光经过第一DOE镜片、第二DOE镜片后的焦点位置发生变化。
[0013]优选的，所述转动驱动电机得驱动轴连接至少一个主动驱动齿轮，多个主动驱动齿轮的齿数和直径可相同或不相同，所述转动驱动电机带动一个所述主动驱动齿轮或多个主动驱动齿轮转动，以使与主动驱动齿轮啮合的从动驱动齿轮转动相同或不同的角度。
[0014]优选的，还包括横向驱动件，所述横向驱动件驱动至少一个所述DOE镜片沿与所述中轴线垂直的径向方向移动，以使两个DOE镜片之间产生横向错位移动，以测量两个DOE镜片的横向错位偏差对焦点位置的影响度。
[0015]优选的，所述横向驱动件包括机架、设置在机架上的滑台、驱动所述滑台沿与所述DOE镜片光轴方向垂直的方向横向移动的横向驱动电机，所述转动驱动件设置在所述滑台上，所述横向驱动电机驱动所述滑台和与所述转动驱动件连接的DOE镜片相对于固定不动的DOE镜片做横向移动。
[0016]基于同一专利技术构思，本专利技术的第二目的在于提供一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工方法，包括如下步骤：
[0017]S1、选取用于产生激光的激光器、用于改变光路径的准直镜片、控制光斑焦点分布的衍射光学元件模块，将所述准直镜片置于所述激光器和所述衍射光学元件模块之间，根据其镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择不同的特性函数来设置所述DOE镜片的镜片轮廓函数；
[0018]S2、所述衍射光学元件模块选取至少两个沿轴向相对分布的DOE镜片和驱动所述DOE镜片转动的转动驱动件，通过所述转动驱动件驱动至少一个所述DOE镜片以DOE镜片的光轴为旋转中心进行旋转θ角，以使至少两个所述DOE镜片之间发生相互转动，从而改变DOE镜片的焦度和激光经过衍射光学元件模块聚焦后产生的焦点位置；
[0019]S3、开启所述激光器，所述激光器发出的激光经过准直镜片照射至所述衍射光学元件模块上，经过所述衍射光学元件模块聚焦的激光射至待加工工件上，所述衍射光学元件模块用于控制DOE镜片的焦度和激光的焦点分布，以使经过所述衍射光学元件模块产生的焦点沿预定的加工轨迹移动以完成对待加工工件的加工。
[0020]优选的，所述步骤S2中两个DOE镜片完成相对转动后的镜片焦度的计算过程如下步骤：
[0021]a1、选取相对设置的第一DOE镜片和第二DOE镜片，其中第一DOE镜片保持固定，第二DOE镜片通过转动驱动件驱动其以DOE镜片的光轴为旋转中心进行旋转，旋转角度为θ角，
其中第一DOE镜片和第二DOE镜片的相位配置分别为T1，T2，T1，T2的计算公式如下：
[0022][0023][0024]其中，r和是从DOE镜片中心测量的极坐标，F(r)是DOE镜片的镜片轮廓函数，镜片轮廓函数仅取决于径向坐标r，F(r)是旋转对称的；
[0025]a2、当第二DOE镜片发生θ角度的旋转时，第二DOE镜片的目标相位配置T2转变为T2，T
2t
的计算公式如下表示为：
[0026][0027][0028]通过上述公式可知整个绕旋转中心旋转θ角过程，相位是线性增加的，而且旋转后前后相位形成的线性相位变化的相位信息随之改变；
[0029]a3、将步骤S1中依据镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择的所述DOE镜片的镜片轮廓函数带入步骤a2的公式中，计算第二DOE镜片旋转θ角后得到的两个不同焦度f1和f2。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，其特征在于，包括：用于产生激光的激光器、用于改变光路径的准直镜片、控制光斑焦点分布的衍射光学元件模块，所述准直镜片置于所述激光器和所述衍射光学元件模块之间，所述激光器发出的激光经过准直镜片照射至所述衍射光学元件模块上，经过所述衍射光学元件模块聚焦的激光射至待加工工件上，所述衍射光学元件模块用于控制DOE镜片的焦度和激光的焦点分布，以使经过所述衍射光学元件模块产生的焦点沿预定的加工轨迹移动以完成对待加工工件的加工；所述衍射光学元件模块包括至少两个沿轴向相对分布的DOE镜片和驱动所述DOE镜片转动的转动驱动件，所述DOE镜片、所述准直镜片和所述激光器产生的激光位于同一中轴线上，所述转动驱动件驱动至少一个所述DOE镜片以所述中轴线为旋转中心进行旋转，以使至少两个所述DOE镜片之间发生相互转动，从而改变激光经过衍射光学元件模块聚焦后产生的焦点位置。2.根据权利要求1所述的基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，其特征在于，所述DOE镜片根据其镜片阵列尺寸、像元大小和变焦区间选择不同的特性函数来设置镜片轮廓。3.根据权利要求1所述的基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，其特征在于，所述转动驱动件包括转动驱动电机、主动驱动齿轮和从动驱动齿轮，所述转动驱动电机的驱动轴与所述主动驱动齿轮连接，所述从动驱动齿轮与所述主动驱动齿轮啮合，至少一个所述DOE镜片与所述从动驱动齿轮连接，所述转动驱动电机驱动主动驱动齿轮转动，从而带动所述从动驱动齿轮和至少一个所述DOE镜片转动。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，其特征在于，所述衍射光学元件模块包括第一DOE镜片和第二DOE镜片，所述第一DOE镜片设置在所述准直镜片和所述第二DOE镜片之间，所述第一DOE镜片固定不动，所述第二DOE镜片在所述转动驱动件的驱动下转动。5.根据权利要求1所述的基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，其特征在于，还包括横向驱动件，所述横向驱动件驱动至少一个所述DOE镜片沿与所述中轴线垂直的径向方向移动，以使两个DOE镜片之间产生横向错位移动，以测量两个DOE镜片的横向错位偏差对焦点位置的影响度。6.根据权利要求5所述的基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工系统，其特征在于，所述横向驱动件包括机架、设置在机架上的滑台、驱动所述滑台沿与所述DOE镜片光轴方向垂直的方向横向移动的横向驱动电机，所述转动驱动件设置在所述滑台上，所述横向驱动电机驱动所述滑台和与所述转动驱动件连接的DOE镜片相对于固定不动的DOE镜片做横向移动。7.一种基于可变光斑衍射元件的变焦激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、选取用于产生激光的激光器、用于改变光路径的准直镜片、控制光斑焦点分布的衍射光学元件模块，将所述准直镜片置于所述激光器和所述衍射光学元件模块之间，根据其镜片阵列尺寸、像元大小...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜斌，常勇，
申请(专利权)人：广东宏石激光技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：