[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

说明书

本发明属于激光精密制造领域，涉及一种焦斑焦深可变贝塞尔光束激光加工系统及方法，解决现有的贝塞尔光束激光加工系统不能适用于不同孔型和材料厚度的加工问题，包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的扩束镜、光阑、波片、变焦透镜、正轴棱锥和透镜；从激光器出射的光束经过扩束镜扩展匀化后，进入光阑滤去杂散光，到达波片，之后进入变焦透镜，通过调节变焦透镜焦距和变焦透镜与正轴棱锥之间的距离改变所产生贝塞尔光束的焦斑焦深，以获得所需加工光束，经透镜聚焦后作用于工件表面。通过该系统能够实现加工贝塞尔光束焦斑焦深变化，实现大深径比微孔、透明材料等多用途加工，为高精度微孔孔型制造和高质量透明材料切割等提供了保障。

技术领域

本发明属于激光精密制造领域，涉及一种加工光束为贝塞尔光束，且光束焦斑焦深可变的加工系统及方法。

背景技术

目前，通过贝塞尔光束实现大深径比微孔、透明材料等加工是激光微加工领域中最常用的加工方式。贝塞尔加工光束的产生作为加工系统中的关键技术，其产生方式有轴棱锥、环缝透镜、空间光调制器、变形镜等。轴棱锥方式具有损耗小、成本低等优势受到广泛关注。

在大深径比微孔和透明材料加工中，根据孔型和材料厚度不同，对加工光束的需求不同。对于深孔和厚的材料需要焦深大、焦斑大的贝塞尔光束，从而保证加工微孔和透明材料的垂直度。对于浅孔和薄的材料需要焦深小、焦斑小的贝塞尔光束，获得比较窄的加工线宽以实现高垂直度加工，保证加工质量。

目前，利用轴棱锥产生贝塞尔光束的激光加工系统具有固定的焦斑及焦深，在加工不同孔型和材料厚度时，需要更换不同的加工系统，功能单一，且加工成本高。

发明内容

为了解决现有的贝塞尔光束激光加工系统不能适用于不同孔型和材料厚度的加工问题，本发明提出了一种焦斑焦深可变贝塞尔光束加工系统及方法，对现有贝塞尔光束加工系统进行调整，得到焦斑焦深可变贝塞尔光束激光加工系统，通过该系统能够实现加工贝塞尔光束焦斑焦深变化，实现大深径比微孔、透明材料等多用途加工，为高精度微孔孔型制造和高质量透明材料切割等提供了保障。

本发明的技术解决方案是提供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：包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的扩束镜、光阑、波片、变焦透镜、正轴棱锥和透镜；

上述扩束镜用于将激光器出射的光束扩展匀化；上述光阑用于滤去扩展匀化后光束的杂散光；上述波片用于调制激光偏振态；上述变焦透镜与正轴棱锥用于产生具有目标焦斑焦深的贝塞尔光束，通过调节变焦透镜的焦距及其与正轴棱锥之间的距离实现；上述透镜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。

进一步地，变焦透镜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。

进一步地，变焦透镜与正轴棱锥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。

进一步地，该激光加工系统还包括高精密位移台，上述变焦透镜置于高精密位移台上；通过高精密位移台调节变焦透镜与正轴棱锥之间的距离。

进一步地，该激光加工系统还包括第一反射镜与第二反射镜，上述第一反射镜位于激光器与扩束镜之间，上述第二反射镜位于扩束镜与光阑之间，第一反射镜与入射光束呈45°角放置，第二反射镜与入射光束呈45°角放置。

进一步地，上述变焦透镜包括沿光路依次设置的负透镜组和正透镜组。