[发明专利]一种激光焦点位置动态可控的激光加工系统及方法

权利要求书

1.一种激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，包括激光光源模块、激光光束发散角动态控制模块和激光聚焦与焦点切换模块；

所述激光光源模块，用于产生加工激光束，并经过光路传输入射所述激光光束发散角动态控制模块；

所述激光光束发散角动态控制模块，用于对入射的加工激光束的发散角进行动态控制，输出发散角受控的第一激光光束，并入射所述激光聚焦与焦点切换模块；

所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对发散角受控的第一激光束进行聚焦，以形成聚焦光束，其中，针对发散角不同的第一激光光束，形成的聚焦光束的焦点位置不同；还用于控制所述聚焦光束的激光焦点在待加工工件的不同加工单元之间进行切换或者在一个加工单元处对所述聚焦光束的激光焦点扫描运动进行运动控制；

所述激光光束发散角动态控制模块包括偏振分光器件、四分之一波长相位延迟器和反射光学元件；

所述加工激光束依次透射偏振分光器件、入射四分之一波长相位延迟器，所述四分之一波长相位延迟器的输出光束的偏振态相对于所述加工激光束旋转45度或者近似45度，输出的光束垂直或者近似垂直入射所述反射光学元件，并被所述反射光学元件垂直或者近似垂直反射，再入射所述四分之一波长相位延迟器，所述四分之一波长相位延迟器输出的光束的偏振态相对于所述加工激光束旋转90度或者近似90度，再经所述偏振分光器件反射，获得所述发散角受控的第一激光束；

或者，所述加工激光束被偏振分光器件反射后入射四分之一波长相位延迟器，所述四分之一波长相位延迟器的输出光束的偏振态相对于所述加工激光束旋转45度或者近似45度，输出的光束垂直或者近似垂直入射所述反射光学元件，并被所述反射光学元件垂直或者近似垂直反射，再入射所述四分之一波长相位延迟器，所述四分之一波长相位延迟器的输出光束的偏振态相对于所述加工激光束旋转90度或者近似90度，并透射所述偏振分光器件，获得所述发散角受控的第一激光束；

其中，通过改变所述激光光束发散角动态控制模块中的反射光学元件的反射表面曲率控制所述第一激光束的光束发散角，形成不同空间位置的聚焦光束的激光焦点，实现激光焦点相对于待加工工件的动态离焦控制。

2.如权利要求1所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，所述四分之一波长相位延迟器为四分之一波长玻片或四分之一波长反射式相位延迟圆偏振镜或四分之一波长棱镜。

3.如权利要求1所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，在激光焦点动态离焦过程中，所述聚焦光束的光轴保持不变或者基本不变，不同空间位置的激光焦点位于聚焦光束的光轴上。

4.如权利要求1所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，所述激光聚焦与焦点切换模块包括扫描振镜和平场扫描聚焦镜；

所述反射光学元件为平面反射镜时，不改变所述第一激光束相对于所述加工激光束的光束发散角，从而经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的激光聚焦焦点位于平场扫描聚焦镜的正常工作距离；

当所述反射光学元件的激光反射面为凸面镜时，增加所述第一激光束相对于所述加工激光束的光束发散角，从而经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的激光聚焦焦点位于平场扫描聚焦镜的负离焦位置；

当所述反射光学元件的激光反射面为凹面镜时，减小所述第一激光束相对于所述加工激光束的光束发散角，从而经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的激光聚焦焦点位于平场扫描聚焦镜的正离焦位置；

其中，凸面的激光反射面或者凹面的激光反射面的入射光线轴线与对应的反射光束光轴夹角小于0.4弧度。

5.如权利要求4所述的激光焦点位置动态可控的激光加工系统，其特征在于，所述扫描振镜对发散角受控的第一激光束的传输方向进行偏转补偿，使得所述反射光学元件的反射表面曲率变化时，所述平场扫描聚焦镜的入射光束的入射角度保持不变或者基本不变，从而控制聚焦光束在待加工工件表面的离焦光斑中心与聚焦光束离焦前聚焦光束在待加工工件表面的激光焦点中心位置之间的离散度，进而控制聚焦光束离焦后激光光斑中心在待加工工件表面的位置精度。