本發(fā)明屬于激光加工,更具體地,涉及一種兩片式帶衍射環(huán)的貝塞爾光束整形系統(tǒng)。
背景技術(shù):
1、傳統(tǒng)的玻璃和藍(lán)寶石切割方法是機(jī)械方法,其缺點(diǎn)是劃線質(zhì)量較低和精度較低,一般會(huì)產(chǎn)生微裂紋,碎裂。機(jī)械切割之后,還需要許多額外的耗時(shí)后處理步驟達(dá)到最終實(shí)現(xiàn)部件外部尺寸的所需公差。傳統(tǒng)激光切割玻璃為消融機(jī)理,存在切口表面形成熔渣、切縫寬、熱影響區(qū)過(guò)大、微裂紋、殘余應(yīng)力、再鑄層等缺陷難以完全控制的問(wèn)題。貝塞爾光束因其無(wú)衍射特性和均勻狹長(zhǎng)的光場(chǎng)分布,使得在長(zhǎng)距離傳輸中仍能保持穩(wěn)定的光強(qiáng),這樣能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高效率的加工,減少熱影響區(qū)域。通過(guò)將貝塞爾光束用于深度切割工藝,可以避免之前提到的缺點(diǎn)。因此,研究一種貝塞爾光束整形系統(tǒng)存在重要意義。
2、現(xiàn)有的貝塞爾光束整形系統(tǒng)通常采用軸錐鏡直接將高斯光束整形為貝塞爾光束,光束能量集中,只能實(shí)現(xiàn)切割功能,在加工過(guò)程中無(wú)法對(duì)pvd、油墨等加工材料進(jìn)行選擇性去除,需要進(jìn)行二次加工。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求,本發(fā)明提供了一種兩片式帶衍射環(huán)的貝塞爾光束整形系統(tǒng),用以解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法在一次加工過(guò)程中對(duì)加工材料進(jìn)行選擇性去除的技術(shù)問(wèn)題。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種兩片式帶衍射環(huán)的貝塞爾光束整形系統(tǒng),包括:沿著光路方向依次設(shè)置的光束整形鏡和聚焦鏡;
3、光束整形鏡的入射面和出射面均為非球面,用于將經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后的高斯光束整形為平行出射的平頂光束;
4、聚焦鏡的入射面和出射面分別為非球面和平面,用于將平頂光束聚焦為帶衍射環(huán)的貝塞爾光束。
5、進(jìn)一步優(yōu)選地,光束整形鏡入射面和出射面的面型參數(shù)通過(guò)以下方式確定:
6、根據(jù)準(zhǔn)直后的高斯光束參數(shù),確定光束整形鏡入射面的入射光束在光束整形鏡入射面上的坐標(biāo);
7、將平頂光束在光束整形鏡出射面上所產(chǎn)生的平頂光斑的能量分布參數(shù)代入到能量守恒關(guān)系式中,求解平頂光束在光束整形鏡出射面上的坐標(biāo);其中,能量守恒關(guān)系式表示光束整形鏡入射面的入射光束與光束整形鏡出射面出射的平頂光束之間的能量守恒關(guān)系;
8、根據(jù)光束整形鏡入射面的入射光束在光束整形鏡入射面上的坐標(biāo)和平頂光束在光束整形鏡出射面上的坐標(biāo),求解光束整形鏡入射面和出射面的面型參數(shù)。
9、進(jìn)一步優(yōu)選地,上述平頂光斑的能量分布參數(shù)包括:平頂光斑的半徑和光強(qiáng)分布。
10、進(jìn)一步優(yōu)選地,上述能量守恒關(guān)系式為:
11、
12、其中,記光束整形鏡入射面的入射光束在光束整形鏡入射面上的光束截面為光束截面a;光束截面a上的光斑為圓形光斑,記其中心點(diǎn)為點(diǎn)o;r為光束截面a上的任意坐標(biāo)點(diǎn)p與點(diǎn)o之間的距離;iin(r')為光束截面a上半徑為r'處的光強(qiáng);r'∈[0,r];rmax為光束截面a上的所有坐標(biāo)點(diǎn)與點(diǎn)o之間的距離的最大值;r”∈[0,rmax];記平頂光束在光束整形鏡出射面上的光束截面為光束截面b;光束截面b上的光斑為平頂光斑,記其中心點(diǎn)為點(diǎn)為點(diǎn)o’;r為光束截面b上與坐標(biāo)點(diǎn)p相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)到點(diǎn)o’之間的距離;iout(r')為光束截面b上半徑為r'處的光強(qiáng);r'∈[0,r1];r1為平頂光斑的半徑;r”∈[0,r1]。
13、進(jìn)一步優(yōu)選地,光束整形鏡、第一準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡的材料均為熔融石英玻璃。
14、進(jìn)一步優(yōu)選地,上述貝塞爾光束整形系統(tǒng)還包括設(shè)置在光束整形鏡之前的準(zhǔn)直鏡,用于對(duì)高斯光束進(jìn)行準(zhǔn)直。
15、進(jìn)一步優(yōu)選地,上述貝塞爾光束整形系統(tǒng)還包括設(shè)置在準(zhǔn)直鏡之前的激光器,用于產(chǎn)生高斯光束。
16、總體而言,通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案,能夠取得以下有益效果:
17、1、本發(fā)明提供了一種兩片式帶衍射環(huán)的貝塞爾光束整形系統(tǒng),通過(guò)光束整形鏡將高斯光束在聚焦鏡前整形成平頂光斑,由聚焦鏡聚焦成帶衍射環(huán)的貝塞爾光束,衍射環(huán)所攜帶的能量足夠在切割過(guò)程中將割縫周圍的保護(hù)性加工材料燒蝕清除,無(wú)需二次加工,能夠在激光一次加工過(guò)程中有效去除油墨等加工材料。與此同時(shí),本發(fā)明僅采用包括光束整形鏡和聚焦鏡的兩片式結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
18、2、本發(fā)明所提供的兩片式帶衍射環(huán)的貝塞爾光束整形系統(tǒng),光束整形功能與聚焦分離,可以通過(guò)更換聚焦鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)不同焦深的貝塞爾光束,靈活性較高,適用于不同的激光加工場(chǎng)景。
19、3、本發(fā)明所提供的兩片式帶衍射環(huán)的貝塞爾光束整形系統(tǒng),光束整形鏡的入射面和出射面均為非球面,聚焦鏡的入射面和出射面分別為非球面和平面,非球面加工簡(jiǎn)單,成本較低,且可以加工為高光潔度的表面,鏡片的透過(guò)率高,吸收損耗和衍射損耗低,可以承受更高的激光功率。
1.一種兩片式帶衍射環(huán)的貝塞爾光束整形系統(tǒng),其特征在于,包括:沿著光路方向依次設(shè)置的光束整形鏡和聚焦鏡;
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的貝塞爾光束整形系統(tǒng),其特征在于,光束整形鏡入射面和出射面的面型參數(shù)通過(guò)以下方式確定:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的貝塞爾光束整形系統(tǒng),其特征在于,所述平頂光斑的能量分布參數(shù)包括:所述平頂光斑的半徑和光強(qiáng)分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的貝塞爾光束整形系統(tǒng),其特征在于,所述能量守恒關(guān)系式為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的貝塞爾光束整形系統(tǒng),其特征在于,所述光束整形鏡和所述聚焦鏡的材料均為熔融石英玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的貝塞爾光束整形系統(tǒng),其特征在于,還包括設(shè)置在所述光束整形鏡之前的準(zhǔn)直鏡,用于對(duì)高斯光束進(jìn)行準(zhǔn)直。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的貝塞爾光束整形系統(tǒng),其特征在于,還包括設(shè)置在所述準(zhǔn)直鏡之前的激光器,用于產(chǎn)生高斯光束。