[发明专利]一种焦斑焦深可变贝塞尔光束激光加工系统及方法

权利要求书

1.一种焦斑焦深可变的贝塞尔光束激光加工系统，其特征在于：包括激光器(1)及依次设置在激光器出射光路中的扩束镜(3)、光阑(5)、波片(6)、变焦透镜(7)、正轴棱锥(9)和透镜(10)；

所述扩束镜(3)用于将激光器出射的光束扩展匀化；所述光阑(5)用于滤去扩展匀化后光束的杂散光；所述波片(6)用于调制激光偏振态；所述变焦透镜(7)与正轴棱锥(9)用于产生具有目标焦斑焦深的贝塞尔光束，通过调节变焦透镜(7)的焦距及其与正轴棱锥(9)之间的距离实现；所述透镜(10)用于将具有目标焦斑焦深的贝塞尔光束聚焦后作用于工件表面；变焦透镜(7)的焦距与贝塞尔光束的焦斑R关系如下：

R＝(n-1)γf (1)

其中n为正轴棱锥的折射率，γ为正轴棱锥的锥角，f为变焦透镜的焦距；变焦透镜(7)与正轴棱锥(9)之间的距离与贝塞尔光束的焦深Z关系如下：

其中，M²代表激光器的光束质量，λ为激光器的输出波长，d为变焦透镜到正轴棱锥之间的距离，D为进入变焦透镜之前光斑直径，n为正轴棱锥的折射率，γ为正轴棱锥的锥角。

2.根据权利要求1所述的焦斑焦深可变的贝塞尔光束激光加工系统，其特征在于：还包括高精密位移台(8)，所述变焦透镜(7)置于高精密位移台上；通过高精密位移台调节变焦透镜(7)与正轴棱锥(9)之间的距离。

3.根据权利要求2所述的焦斑焦深可变的贝塞尔光束激光加工系统，其特征在于：还包括第一反射镜(2)与第二反射镜(4)，所述第一反射镜(2)位于激光器(1)与扩束镜(3)之间，所述第二反射镜(4)位于扩束镜(3)与光阑(5)之间，第一反射镜(2)与入射光束呈45°角放置，第二反射镜(4)与入射光束呈45°角放置。

4.根据权利要求3所述的焦斑焦深可变的贝塞尔光束激光加工系统，其特征在于：所述变焦透镜(7)包括沿光路依次设置的负透镜组和正透镜组。

5.根据权利要求4所述的焦斑焦深可变的贝塞尔光束激光加工系统，其特征在于：所述扩束镜(3)包括沿光路依次设置的凹透镜和凸透镜。

6.利用权利要求1所述的焦斑焦深可变的贝塞尔光束激光加工系统实现的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、从激光器(1)发出的激光依次到达扩束镜(3)及光阑(5)；

步骤2、将光阑(5)的孔径调至光斑直径大小，激光通过光阑(5)后进入波片(6)，之后进入变焦透镜(7)及正轴棱锥(9)；

步骤3、调节变焦透镜(7)的焦距及变焦透镜(7)与正轴棱锥(9)之间的距离，获得具有目标焦斑焦深的贝塞尔光束；

步骤4、正轴棱锥(9)产生的具有目标焦斑焦深的贝塞尔光束经过透镜(10)聚焦后作用于加工工件进行激光微细加工；步骤3中按照下述公式调节变焦透镜(7)的焦距及变焦透镜(7)与正轴棱锥(9)之间的距离以获得具有目标焦斑焦深的贝塞尔光束；

变焦透镜(7)的焦距与贝塞尔光束的焦斑R关系如下：

R＝(n-1)γf (1)

其中n为正轴棱锥的折射率，γ为正轴棱锥的锥角，f为变焦透镜的焦距；

变焦透镜(7)与正轴棱锥(9)之间的距离与贝塞尔光束的焦深Z关系如下：

其中，M²代表激光器的光束质量，λ为激光器的输出波长，d为变焦透镜到正轴棱锥之间的距离，D为进入变焦透镜之前光斑直径，n为正轴棱锥的折射率，γ为正轴棱锥的锥角。

7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于：步骤1中，激光器(1)发出的激光首先到达与光传播方向成45°角放置的第一反射镜(2)，被反射后到达扩束镜(3)，随后进入与光传播方向成45°角放置的第二反射镜(4)，反射光进入光阑(5)；

步骤2中通过如下调节使得激光通过光阑(5)：将光阑(5)的孔径调至光斑直径大小，首先将其放在第二反射镜(4)后a点处，调节第一反射镜(2)使激光通过光阑(5)的中心，随后将光阑(5)放在第二反射镜(4)后b点处，调节第二反射镜(4)，使激光通过光阑(5)的中心；然后将光阑(5)固定在第二反射镜(4)后a点处位置，其中a点距第二反射镜(4)的距离小于b点距第二反射镜(4)的距离。