[发明专利]一种激光多焦点切割球差矫正方法及装置

说明书

本发明属于激光加工技术领域，提供了一种激光多焦点切割透明材料球差矫正方法及装置，所用装置由可拆卸光阑(5a)、可移动的环形凸透镜(5b)和可移动的环形凹透镜(5c)组成。其矫正方法包括：根据多焦点激光的焦距与预切割透明材料厚度，得出预矫正球差的大小，确定光阑直径与环形透镜大小；根据折射球面的光线追迹公式与得到的预矫正球差大小，计算环形凸透镜与环形凹透镜的曲面形状；对光线进行追迹计算，确定环形凸透镜与环形凹透镜的间距，使得该透镜组引入的负球差可矫正因材料表面对入射光折射而引入的正球差。该发明能直接应用于多焦点激光切割设备上，提高现有多焦点激光切割设备的加工质量，并且可满足不同材料与厚度的加工需求。

技术领域

本发明涉及一种激光多焦点切割透明材料球差矫正方法及装置，属于激光加工技术领域。

背景技术

作为一种现代精密加工技术，激光切割以其非接触式、加工灵活、能量高度集中等优势成为目前透明硬脆性材料加工的强有力工具，已逐渐成为推动该类切割行业智能化发展的新型解决方案。但受制于激光功率、焦深及材料对激光能量吸收方式等限制，在现行激光切割工艺中，材料可切割厚度还极其有限，相关工艺解决方案也一直在探索开发中。其中，激光多焦点切割方法从技术原理而言，可以有效解决激光单焦点聚焦深度有限的问题，是目前一种颇具可行性的、用以提高透明材料激光可切割厚度的工艺解决方案。该方案在沿激光束的传播方向上形成不同焦距的多个焦点，所形成的多个同轴焦点沿材料厚度方向分布于不同位置，通过熔融、气化或电离态去除等材料分离机制，实现超过激光单焦点焦深控制切割范围的大厚度切割。

通过计算激光多焦点区域长度与焦点处的功率密度大小，可以对所切割材料厚度做出预算。但在实际工程应用中，发现存在这样的问题：实际对固体透明材料的切割厚度与最初切割厚度预算不符，往往存在较大差异，特别是进行蓝宝石、金刚石等高折射率透明材料的大厚度切割时，所切割厚度通常达不到多焦点系统的设计要求。当多焦点激光由空气入射到透明材料内部时，由于材料表面对光线的折射而引入了正球差，造成了焦点光斑的弥散，降低了焦点处的功率密度，这限制了激光多焦点切割工艺的切割能力。因此需要球差矫正装置提前引入负球差来进行矫正。

中国发明专利申请201610850924.X公布了一种多焦点激光切割装置，采用环形透镜组形成三个激光焦点，可完成夹层玻璃的切割，文中并未涉及关于激光多焦点切割的球差问题。中国发明专利申请201810088414.2采用衍射光学元件发明了一种多焦点动态分布激光加工脆性透明材料的装置，该装置的多焦点覆盖区域可在20～300微米范围内可调，文中未提及到关于激光多焦点切割厚度的问题，并且该装置也不具备球差矫正功能。华中科技大学刘朋等人采用反射镜组在KDP晶体内部形成三个焦点，完成了50mm厚的KDP晶体切割(INT J MACH TOOL MANU，2017,118-119:26-36)，文中对激光多焦点切割过程中的热影响进行分析，未对每个焦点在晶体内部的分布进行研究，没有考虑到球差对切割的影响。已有研究和专利大多专注于激光多焦点切割的系统设计与工艺优化，关于多焦点切割过程中的球差影响与解决方案尚未见报导。因此针对该问题，寻找一种激光多焦点切割球差矫正方法与装置十分必要。该问题的解决将提高激光多焦点切割的切割质量，使得实际切割厚度与预算切割厚度相匹配。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光多焦点切割透明材料球差矫正方法与装置，其装置能通过简单的装配与调节，矫正透明材料切割过程中，材料表面对入射光折射引起的正球差，使得激光多焦点切割的实际切割厚度与预算切割厚度相符。

为达上述目的，本发明提出了一种球差矫正光学装置，该装置依次包括：可更换拆卸光阑(5a)、可移动的环形凸透镜(5b)和可移动的环形凹透镜(5c)，并按照图2顺序安装。

在进行球差矫正系统的设计时，首先需要确定所要矫正的球差大小：