[发明专利]一种激光多点聚焦加工系统

说明书

技术领域

本发明属于激光加工应用技术领域，具体涉及一种激光多点聚焦加工系统。

背景技术

目前激光切割分离透明脆性材料(如玻璃、石英玻璃和光学玻璃等)基本上采用裂纹控制法。该方法是采用聚焦透镜将激光束聚焦在透明材料的表面或内部某处，利用透明材料对某激光束较高的吸收率(如10.6μm波段的激光束)形成表面吸收激光光能，使透明脆性材料表面加热；或利用透明脆性材料对某激光束吸收率较低的特性(如1.064μm波段的激光束)，让激光束贯穿整个透明脆性材料，形成体吸收激光光能，使透明脆性材料整体加热，产生较大的压应力。随着激光的移动，被加热处在空气的对流下冷却，产生较大的拉应力。如果该拉应力超过了材料的断裂强度，透明脆性材料将会沿着激光扫描方向产生裂纹而自动分离或在机械外力作用下分离，实现激光切割分离目的。与机械切割方法相比，激光裂纹控制法具有切缝平直、无碎屑、无显微裂纹等优点。但这种激光裂纹控制法最大缺陷是只有一个激光聚焦点。无论是面吸收还体吸收形式都会使透明脆性材料沿分离垂直的厚度上对激光能量的吸收极不均匀，从而导致沿厚度方向产生的应力差别较大。随着材料厚度的增加，激光能量吸收的不均匀性越严重。其结果很难控制热应力产生裂纹的走向，透明脆性材料沿厚度方向极易产生任意方向的裂纹而导致材料的整体炸裂。即使对较薄的透明脆性材料而言，厚度上对激光能量的不均匀吸收也会导致沿所需分离走向失控，尤其是在切割分离曲率较小的曲线轨迹的情况下。

发明内容

针对以上激光单焦点加工系统分离透明材料所存在的问题，本发明提出了一种激光多点聚焦加工系统。该系统可以将激光入射到待加工透明材料的单聚焦点转换成同光轴多聚焦点，提高透明脆性材料沿厚度方向上对激光能量吸收的均匀性，从而增强透明材料沿厚度方向上受热的均匀性，急剧减小沿厚度方向产生的应力差别，实现激光对透明脆性材料高质量、高效率、高成功率地切割分离。

本发明提供的一种激光多点聚焦加工系统，其特征在于，该系统包括激光器、扩束镜、导光镜、聚焦透镜、第一全反射镜、第二全反射镜和xy两维工作台；

激光器、扩束镜、导光镜和聚焦透镜依次位于同一光路上，组成单焦点激光加工系统；第一全反射镜、第二全反射镜依次位于聚焦透镜与xy两维工作台之间，组成多焦点衍生系统；第一全反射镜为中间开有小孔的球面或非球面全反射镜，第一全反射镜曲率半径小于第一全反射镜和第二全反射镜之间最小距离的一半；工作时，第一全反射镜凹面向xy两维工作台，第一全反射镜的光轴与激光光轴重合；小孔的中心与激光光轴重合；聚焦透镜的位置上、下可调，第一全反射镜与第二全反射镜之间的距离可调，待加工透明材料安装在第一全反射镜和第二全反射镜之间。

为了提高激光能量的利用率，可以选择小孔的直径大于入射至第一全反射镜上的光斑直径的1.1倍；也可以在第二全反射镜上镀高反膜。

本发明可以通过各种方式调节聚焦透镜的位置，以及第一全反射镜与第二全反射镜之间的距离；其中一种优选的方式是：聚焦透镜固定在第一z轴移动机构上，第一全反射镜固定在第二z轴移动机构上，第二全反射镜直接固定在xy两维工作台上；另一种优选的方式是：聚焦透镜和第一全反射镜均固定在第一z轴移动机构上，第二全反射镜放置在支撑夹具和xy两维工作台之间并固定在第三z轴移动机构上，上下移动第三z轴移动机构可调节第一全反射镜和第二全反射镜之间距离，支撑夹具的中间开有一个透光口并固定在xy两维工作台上，组成一个二维移动平台，支撑夹具用于安放待加工透明材料。

本发明中，多焦点衍生系统的组合有两种：第一种为第二全反射镜为平面或球面或非球面镜，其曲率半径大于第一焦点到第二全反射镜距离一半，第一全反射镜的曲率半径小于第一全反射镜和第二放射镜之间最小距离的一半；第二种为第二全反射镜为球面镜或非球面镜，其曲率半径小于第一焦点到第二全反射镜距离一半，第一全反射镜的曲率半径小于第一全反射镜和第二放射镜之间最小距离的一半。