可控生成多激光束的分光元件及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种可控生成多激光束的分光元件及其应用。所述分光元件的表面具有一圆形的工作区域，所述工作区域包括圆形的第一区域和环形的第二区域，所述第一区域与所述工作区域同几何中心设置，所述第二区域环绕所述第一区域设置，所述第二区域设置有多个透光孔，多个所述透光孔组合形成至少一个透光孔组，每一透光孔组所包含的多个透光孔均环绕所述第一区域设置。本发明专利技术公开了一种可控生成多激光束的分光元件的透光区域具有多层级结构和分布，不限于二层结构和分布；其中的透光孔的分布模式可采用中心不透光的设置、中心透光且偏心设置以及中心透光且同心的设置等，透光孔的形状包括圆形、多边形或弧形等。多边形或弧形等。多边形或弧形等。

【技术实现步骤摘要】
可控生成多激光束的分光元件及其应用


[0001]本专利技术涉及一种平行激光束设计与应用方法，特别涉及可实现可控产生平行光束、光束形状灵活性大、高分辨率加工平行光束设计与应用方法，属于激光精密加工


技术介绍

[0002]目前，常规激光加工中的激光器产生的光束经透镜聚焦后，加工光斑尺寸可调范围窄，激光能量密度的调控一般取决于激光功率和光斑尺寸，可调形式有限；低功率下高速扫描加工存在困难，因为低功率下常规光斑尺寸对应的激光能量密度有限，如果达不到材料去除的烧蚀阈值，将无法完成材料加工；而脉宽较大时，高功率加工，激光能量密度可以达到材料的烧蚀阈值，但同时会引入热影响较大的问题。
[0003]因此，低功率高速扫描高效精密加工需要与加工对象烧蚀阈值匹配的激光能量密度，这对光斑尺寸的调控提出了技术要求；常规激光束用于材料去除时，较难控制加工分辨率，原因在于激光束聚焦束腰附近的一定空间范围都有材料加工能力，材料的激光加工分辨率不高。因此，提高激光束形成的光斑尺寸，改进激光能量密度的调控形式，提高材料加工分辨率，是促进激光精密加工的关键问题和技术需求。
[0004]激光加工材料时，功率密度达到材料烧蚀阈值时，材料将被烧蚀去除。激光束经透镜聚焦后在束腰处功率密度最大，但轴向一定范围内功率密度变化极小，从而存在一定空间范围的加工能量域，导致加工分辨率较低。
[0005]为提高加工分辨率，CN110091073A公开了一种多光束耦合激光加工系统及方法，提出了将光束耦合交叉来形成加工能量域，且指出所述第一激光束的功率密度小于待加工工件材料的烧蚀阈值，所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值，在此专利技术基础上，本专利技术提出了一种平行激光束分光设计方法、器件及其加工应用方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种可控生成多激光束的分光元件及其应用，从而克服现有技术中的不足。
[0007]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0008]本专利技术实施例一方面提供了一种可产生平行光束的分光元件，所述分光元件的表面具有一圆形的工作区域，所述工作区域包括圆形的第一区域和环形的第二区域，所述第一区域与所述工作区域同几何中心设置，所述第二区域环绕所述第一区域设置，所述第二区域设置有多个透光孔，多个所述透光孔组合形成至少一个透光孔组，每一透光孔组所包含的多个透光孔均环绕所述第一区域设置。
[0009]本专利技术实施例一方面还提供了一种可产生平行光束的分光元件，所述分光元件的表面具有一圆形的工作区域，所述工作区域包括圆形的第一区域和环形的第二区域，所述第一区域与所述工作区域同几何中心设置，所述第二区域环绕所述第一区域设置，
[0010]所述第二区域设置有多个圆形的第二透光孔，多个所述第二透光孔组合形成至少一个第二透光孔组，每一第二透光孔组所包含的多个第二透光孔均环绕所述第一区域设置。
[0011]本专利技术实施例一方面还提供了一种用于实现激光加工的激光光源，包括：
[0012]激光器，至少用于提供第一激光束；
[0013]扩束器件，设置在所述第一激光束的光路上，并至少用于将所述第一激光束扩束形成直径扩大的第二激光束；
[0014]分光元件，设置在所述第二激光束的光路上，并至少用于将所述第二激光束分束形成多个平行的第三激光束，其中，所述分光元件为所述的分光元件。
[0015]本专利技术实施例一方面还提供了一种激光加工系统，包括：
[0016]所述的用于实现激光加工的激光光源，其至少用于提供多个平行的激光束；
[0017]聚焦透镜，设置在所述多个平行的激光束的光路上，其中，多个平行的激光束可被控制地在经所述聚焦透镜聚焦后交叉重叠，并在交叉重叠区域形成加工能量域，所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。
[0018]本专利技术实施例一方面还提供了一种激光加工方法，包括：提供所述的激光加工系统，使多个平行的激光束垂直或倾斜入射于聚焦透镜，且使多个平行的激光束穿过所述聚焦透镜后交叉重叠，并在交叉重叠区域形成加工能量域；
[0019]将待加工工件的局部置于所述加工能量域内，进而实现对所述待加工工件的加工处理；其中，任一单一的激光束的功率密度小于待加工工件材料的烧蚀阈值，所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的优点包括：本专利技术实施例提供的一种可控生成多激光束的分光元件，结构简单，加工和使用方便；以及，本专利技术实施例提供的一种可控生成多激光束的分光元件，通过中心同轴大通量比和圆周阵列透光的设计，可以对激光光束进行分光处理，进而可以调控聚焦光斑的尺寸，提高激光的功率密度，改善加工效果，最终实现对工件的高分辨率加工，具有调控灵活、可控性高、加工效果好等优点。
附图说明
[0021]图1a、图1b是本专利技术实施例1中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0022]图2a、图2b是本专利技术实施例2中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0023]图3a、图3b是本专利技术实施例3中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0024]图4a、图4b是本专利技术实施例4中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0025]图5a、图5b是本专利技术实施例5中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0026]图6a、图6b是本专利技术实施例6中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0027]图7a、图7b是本专利技术实施例7中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0028]图8a、图8b是本专利技术实施例8中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0029]图9a、图9b是本专利技术实施例9中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0030]图10a、图10b是本专利技术实施例10中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0031]图11是本专利技术实施例11中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0032]图12是本专利技术实施例12中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0033]图13是本专利技术实施例13中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0034]图14是本专利技术实施例14中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0035]图15是本专利技术实施例15中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0036]图16是本专利技术实施例16中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0037]图17是本专利技术实施例17中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0038]图18是本专利技术实施例18中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0039]图19是本专利技术实施例19中提供的一种分光元件的结构示意图；
[0040]图20是本专利技术一典型是实施案例中提供的一种激光束扩束的示意图；
[0041]图21a、图21b、图21c、图21d是本专利技术一典型是实施案例中提供的扩束后的激光束通过各类分光元件后形成的多激光束的示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可产生平行光束的分光元件，用于将至少一束激光束分束形成多个平行的激光束，其特征在于：所述分光元件的表面具有一圆形的工作区域，所述工作区域包括圆形的第一区域和环形的第二区域，所述第一区域与所述工作区域同几何中心设置，所述第二区域环绕所述第一区域设置，所述第二区域设置有多个透光孔，多个所述透光孔组合形成至少一个透光孔组，每一透光孔组所包含的多个透光孔均环绕所述第一区域设置。2.根据权利要求1所述的分光元件，其特征在于：同一所述透光孔组所包含的多个透光孔的几何中心位于同一圆周上，所述圆周与所述工作区域的几何中心重合，或者，所述圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向和/或Y轴方向相偏离；所述圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向上的偏离距离为X1≤(D
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A
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d)/2且大于0，所述圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于Y轴方向上的偏离距离为Y1≤(D
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A
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d)/2且大于0，其中，D为分光元件的直径；A为透光孔的几何中心至第一区域几何中心的距离的2倍；d为第一区域的直径；和/或，多个所述透光孔组合形成多个透光孔组，多个所述透光孔组沿所述第二区域的径向方向依次间隔设置；优选的，同一所述透光孔组所包含的多个透光孔的面积、形状相同或不同；优选的，所述第一区域为不透光的区域，或者，所述第一区域还设置有至少一个透光孔，位于所述第一区域的透光孔的几何中心位于所述第一区域的几何中心重合；优选的，所述透光孔的形状包括圆形、多边形或弧形。3.一种可产生平行光束的分光元件，其特征在于：所述分光元件的表面具有一圆形的工作区域，所述工作区域包括圆形的第一区域和环形的第二区域，所述第一区域与所述工作区域的几何中心重合，所述第二区域环绕所述第一区域设置，所述第二区域设置有多个第二透光孔和/或多个第三透光孔，多个所述第二透光孔组合形成至少一个第二透光孔组，每一第二透光孔组所包含的多个第二透光孔均环绕所述第一区域设置，多个所述第三透光孔组合形成至少一个第三透光孔组，每一第三透光孔组所包含的多个第三透光孔均环绕所述第一区域设置，所述第二透光孔组和第三透光孔组沿所述工作区域的径向方向依次设置。4.根据权利要求3所述的分光元件，其特征在于：同一所述第二透光孔组所包含的多个第二透光孔的几何中心位于同一第二圆周上，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心重合，或者，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向和/或Y轴方向相偏离，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向上的偏离距离为X2≤(D
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A
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d)/2，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于Y轴方向上的偏离距离为Y2≤(D
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A
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d)/2；其中，D为分光元件的直径；A为第二透光孔的几何中心至第一区域几何中心的距离的2倍；d为第一区域的直径；优选的，每一所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓晓，张文武，陈先游，陈涛，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：