[发明专利]基于匀化装置的激光输出系统及计算方法

说明书

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种基于匀化装置的激光输出系统及计算方法。一种基于匀化装置的激光输出系统，包括激光器、扩束镜、反射镜和聚焦镜，还包括光学镜组和匀化装置，所述激光器发出的激光束经扩束镜扩束，并经45°设置的反射镜反射后进入光学镜组，所述激光束经光学镜组转换为贝塞尔光束后入射至匀化装置，所述匀化装置对所述贝塞尔光束进行匀化处理，并输出至聚焦镜，所述聚焦镜对光束进行聚焦后形成加工激光输出。利用该激光输出系统输出激光在工件厚度上的能量密度分布均匀的特性，能够保证材料沿厚度方向上的受热应力相同，不会出现硬脆材料崩边、微裂纹等现象，有效的降低了产品的良率和质量。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种基于匀化装置的激光输出系统及计算方法。

背景技术

随着工业的发展，硬脆材料在各个领域的应用已经日益普遍。那些硬脆材料，诸如硅单晶、石英晶体、陶瓷、宝石、玻璃、稀土磁性材料、硬质合金等，在工业中大批量应用时必须加工成一定的几何形状，精度要求很高，同时还希望生产效率高。相对于传统机械加工方法，激光加工无直接接触，减少了因接触应力而对材料带来的损伤；激光聚焦光斑小，加工缝宽小，热影响区小，能够实现高效率加工；另外也方便实现易于三维不规则面的加工。因此利用激光加工硬脆材料得到了大力发展。

聚焦后的激光光束的局部能量非常高，对材料进行局部加热，能够对材料进行高速加工。但由于激光束在工件厚度方向上无法保持能量均匀，材料沿厚度方向上的受热应力并不相同，很容易引起硬脆材料产生崩边、微裂纹等现象，降低产品的良率和质量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种能够保证激光束在工件厚度上能量密度均匀分布，防止硬脆材料崩边的基于匀化装置的激光输出系统及计算方法。

本发明一种基于匀化装置的激光输出系统，其技术方案为：包括激光器、扩束镜、反射镜和聚焦镜，还包括光学镜组和用于使激光束在工件厚度上能量密度均匀分布的匀化装置，所述激光器发出的激光束经扩束镜扩束，并经45°设置的反射镜反射后进入光学镜组，所述激光束经光学镜组转换为贝塞尔光束后入射至匀化装置，所述匀化装置对所述贝塞尔光束进行匀化处理，并输出至聚焦镜，所述聚焦镜对光束进行聚焦后形成在工件厚度上能量密度均匀分布的加工激光输出。

较为优选的，所述光学镜组为轴棱锥镜组或位相光栅。

较为优选的，所述匀化装置为位相光栅。

较为优选的，所述匀化装置的镜面材质为熔融石英。

较为优选的，当所述激光器输出激光的波长为1064nm，且加工工件厚度为1.5mm时，所述匀化装置的凸面曲率为23.352mm。

本发明一种基于匀化装置的激光输出系统中匀化装置曲率半径的计算方法的技术方案为，包括以下步骤：

步骤1：根据激光器发出的高斯光束通过轴棱锥镜组后的光强分布I(r,z)求取出初始振幅与光强的关系式

步骤2：对激光器发出的高斯光束通过轴棱锥镜组后的光场分布表达式U₀(x₀,y₀)进行傅立叶变换和傅立叶逆变换，得到目标平面上的输出光场分布和输入光场分布U₀⁽ⁱ⁺¹⁾(x₀,y₀)；

步骤3：在目标平面范围(z_g，z_g+d)内任意选择m个平面作为输出光场平面，以I(r,z₁)＝I(r,z₂)＝……I(r,z_m)＝(A_ieda(x,y))²＝I_idea作为限制条件，对U₀(x₀,y₀)进行迭代，直到满足则迭代结束；