一种对射式多焦点激光分离脆性透射材料的装置的制作方法

本实用新型属于激光加工应用技术领域，具体涉及一种对射式多焦点激光分离脆性透射材料装置，该方法尤其适用于KDP光学晶体等厚脆性透射材料的分离。

背景技术：

激光热裂法是目前切割分离脆性透射材料(如玻璃、光学玻璃、光学晶体等)，获得高质量分离边缘的一种有效方法。该方法是采用激光聚焦镜将激光束聚焦在透明材料的表面或内部，利用脆性透射材料对某波段激光较高的吸收率(如10.6μm波段的激光束)形成表面吸收激光能量，使脆性透射材料表面加热；或利用脆性透射材料对某波段激光较低的吸收率(如1.06μm波段的激光束)形成体吸收激光能量，使脆性透射材料整体加热，从而使脆性材料表面或内部因受热膨胀，产生较大压应力。随着聚焦激光束的移动，被加热处材料在空气的对流和材料内部的传导散热的作用下迅速冷却收缩，形成较大的拉应力。当形成的拉应力超过材料的断裂阈值，脆性透射材料将会沿着激光扫描方向产生扩展裂纹而自动分离或在机械外力作用下分离，实现激光切割分离的目的。

与机械切割方法相比，激光热裂法具有切缝平直、无碎屑、无显微裂纹等优点。但这种激光热裂法最大的缺陷是只有一个激光聚焦点，无论是面吸收还是体吸收形式都会使脆性透射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，单焦点激光导致材料沿厚度方向吸收能量的不均匀性越来越 严重，其结果是很难控制热应力产生的裂纹走向，极易使裂纹沿脆性材料厚度方向扩展失控，导致材料的整体炸裂。

针对单焦点激光分离脆性透射材料缺陷，出现了多种多焦点激光分离方法，在一定程度上克服了单焦点激光分离的缺陷。但现有多焦点激光分离大多采用反射式聚焦的方法产生多焦点激光(如中国发明专利ZL201210118371.0)，激光在不断反射传播的过程中，激光因发散而使激光能量不断损失，导致产生的激光焦点数量较少，且各个激光焦点的能量分布差别较大，沿厚度方向产生的应力虽有改善，但仍然存在不均匀现象，且随材料厚度增加，不均匀现象越严重，因此激光切割分离材料厚度仍然受到限制。此外，这种反射式聚焦产生多焦点的方法由于设计方法的固有缺陷，使激光多焦点产生的位置和焦点的能量分布都不能按照最理想的设计进行，影响切割分离材料厚度和质量。

技术实现要素：

针对以上单焦点激光和现有多焦点激光分离脆性透射材料所存在的问题，本实用新型提出了一种对射式多焦点激光分离脆性透射材料装置，目的在于实现激光对厚脆性透射材料的高质量、高效率、高成功率的分离。

本实用新型提供的一种对射式多焦点激光分离脆性透射材料的装置，其特征在于，该装置包括两套多焦点激光加工系统和一台三维工作平台；其中每套多焦点激光加工系统均包括激光器、导光镜、扩束镜和一组多焦点镜片组，所述激光器、导光镜、扩束镜和多焦点镜片组依次位于同一光路上；

该装置工作时，所述三维工作平台位于两套多焦点镜片组中间，用于安装和使待加工脆性透射材料沿垂直于激光束光轴的方向移动；所述一组多焦点镜片组用于使激光束被折射角度不相同,在光轴上产生焦点的位置 也不相等，以形成多个聚焦点；所述两套多焦点激光加工系统输出的激光通过所述多焦点激光束分别位于脆性透射材料厚度两侧同光轴上，并反向相互对射，在脆性透射材料内产生加倍的激光焦点数量，以改善脆性透射材料沿厚度方向上对激光能量吸收的均匀性，使脆性透射材料沿厚度方向的受热膨胀均匀性增强，激光多焦点光束离开后，沿脆性透射材料厚度方向迅速冷却而产生拉应力，实现激光对厚脆性透射材料的分离。

本实用新型具有以下优点：

1、利用两套多焦点激光加工系统同轴反向对射，使激光在脆性透射材料内，沿厚度光轴方向产生多个焦点，可以大幅度改善激光分离脆性透射材料厚度方向对激光能量吸收不均匀的问题，从而大幅减小脆性透射材料沿厚度方向产生的热应力差别，改善激光分离切割质量，获得平整、陡峭、无崩边的切口端面，增加了材料切割轨迹的方向的可控性，使曲率很大的圆弧也可进行高质量安全切割分离。

2、采用两套多焦点激光加工系统在脆性透射材料两侧同轴反向对射，其产生的激光焦点数量是一套多焦点激光加工系统的两倍以上，使激光的焦点数量成倍增加，可切割分离更厚的脆性透射材料。

3、采用由如带小孔或直径不同聚焦镜等方式组成的多焦点镜片组所产生的焦点数量、位置和各个焦点的能量分布均可通过自由调节多焦点镜片组中的各聚焦镜片之间距离来改变，避免了反射式多焦点激光的能量分布不均匀和各个激光焦点位置等不能自由调节的缺陷，具有更大的实际使用价值。

4、本实用新型对脆性透射材料的厚度是没有限制，因为切割分离的脆性透射材料的厚度越大，所需不同焦距的镜片数量越多，激光功率越大，所以从理论上讲，该方法不受切割分离脆性透射材料厚度的限制。

附图说明

图1为对射式多焦点激光分离脆性透射材料装置示意图。

图2为对射式多焦点激光分离脆性透射材料装置中镜片组组成方式之一的多焦点镜片组及光路示意图。

图3为对射使多焦点激光分离脆性透射材料装置中镜片组组成方式之二的多焦点镜片组及光路示意图。

具体实施方式

本实用新型利用中心带有不同直径小孔且焦距不同的聚焦镜或不同直径和焦距的聚焦镜组成多焦点镜片组，将激光束分为若干个部分，利用多焦点镜片组，使每部分激光束通过多焦点镜片组后，产生不同的折射聚焦角度，从而在光轴上形成多个焦点。各焦点之间距离和能量密度可根据需求来设计计算。采用两套激光器加工系统和多焦点镜片组分别置于脆性透射材料的厚度方向两侧，并光轴同轴反向对射，使脆性透射材料内部产生的焦点数量加倍，改善了脆性透射材料沿厚度方向上对激光能量吸收的均匀性，使脆性透射材料沿厚度方向的受热膨胀均匀性增强。激光多焦点光束离开后，沿脆性透射材料厚度方向迅速冷却而产生较均匀的拉应力，实现激光对厚脆性透射材料的高质量、高效率、高成功率的分离。

本实用新型提供的一种对射式多焦点激光分离脆性透射材料的装置，包括两套多焦点激光加工系统和一台三维工作平台。其中每套多焦点激光加工系统均包括激光器、导光镜、扩束镜和一组多焦点镜片组。对于每套多焦点激光加工系统，其激光器、导光镜、扩束镜和多焦点镜片组依次位于同一光路上。两套多焦点激光加工系统输出多焦点激光束分别位于脆性透射材料厚度两侧同光轴上，并反向相互对射，在脆性透射材料内产生加倍的激光焦点数量。三维工作平台位于两套多焦点镜片组中间，用于固定 和移动待加工脆性透射材料。

本实用新型列举了二种多焦点镜片组的组成方式，第一种是由一系列中心带有不同直径小孔且焦距不同的聚焦镜组成,第一片聚焦镜上的小孔直径大于第二片的小孔直径，以后聚焦镜上的小孔直径依次递减。聚焦镜上小孔直径大小是根据实际激光束直径来确定，并确保聚焦镜上小孔直径小于实际激光束在聚焦镜表面上的直径。其中小孔直径的大小同焦点的能量分布直接相关，小孔直径越小，该聚焦镜的激光焦点所占能量密度比例越大。各个聚焦镜上小孔直径应从第一片带小孔聚焦镜开始算起，前面聚焦镜的小孔直径会影响后面小孔聚焦镜所产生的激光焦点的能量分布。

第二种多焦点镜片组由一系列不同直径和焦距的聚焦镜组成，聚焦镜的直径由实际激光束直径来确定。此时，激光束需采用较大倍数扩束镜来扩束，增加激光束直径，使激光束直径大于第一片聚焦镜直径，而第二、第三及以后的聚焦镜直径依次递减，并且镜片直径均小于激光在该镜片表面上的直径。其中，聚焦镜直径、焦距和激光在此处直径的大小决定了该聚焦镜所产生激光焦点的能量比例。当聚焦镜直径越接近激光束在此处的直径，则此聚焦镜片产生的激光焦点能量所占比例越大。

多焦点镜片组中每个带小孔或直径不同的聚焦镜片均可沿激光光轴方向移动，由此来控制所产生的各个激光焦点的位置和能量分布。例如，将两片聚焦镜片距离拉大，则两片聚焦镜所产生的两个激光焦点距离会拉大，且两个激光焦点的能量分配比例也将产生相应变化。在实际应用中可按照实际需求来进行调节。

不论是带小孔聚焦镜或直径不同聚焦镜组成的多焦点镜片组均会造成激光能量损失，其损失量约在5％-15％之间，且激光的能量损失和镜片组中各个聚焦镜的厚度相关。聚焦镜的厚度越小，则激光的能量损失越小。在实际应用中，应尽量采用厚度较小的聚焦镜来组成多焦点镜片组，减少激 光的能量损失。

当所切割脆性透射材料厚度增加时，可增加多焦点镜片组中镜片数量，从而增加所产生激光焦点数量，并增大激光功率，以完成更厚脆性透射材料的切割分离。

本实用新型适用于切割多种脆性透射材料，如石英、光学玻璃、普通玻璃，以及多种光学晶体等。光学晶体如磷酸二氢钾(KDP)、酸锂(LiNbO3—LN)、磷酸二氘钾(KD2PO4—DKDP)、碘酸锂(LiIO3—LI)、磷酸氧钛钾(KTiOPO4—KTP)、偏硼酸钡(BaB2O4—BBO)、三硼酸锂(LiB3O5—LBO)、铌酸钾(KNbO3—KN)、硼酸铯(CSB3O5—CBO)、硼酸铯锂(LiCSB6O10—CLBO)、氟硼酸钾铍(KBe2BO3F2—KBBF)以及硫银镓(AgGaS2—AGS)、砷镉锗(CdGeAs—CGA)、磷锗锌(ZnGeP2—ZGP)；光学玻璃如硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟化物和硫系化合物系列。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供的技术方案可以由一种实施方式完成，多焦点镜片组的组成及光路有两种具体的实施方式。具体实施方式包括如下步骤：

(1)将一系列中心带小孔或直径不同聚焦镜组成两套多焦点镜片组。其中，各个聚焦镜片的数量、焦距、小孔直径或聚焦镜直径由所切割脆性透射材料的厚度、吸收率、折射率等参数决定。调节各个聚焦镜片间距，使产生的激光焦点位置适中。

(2)将激光器、导光镜、扩束镜组成第一激光加工系统，并将多焦点镜片组置于第一激光加工系统前，使其光轴同轴。其中，激光器类型的选择同所切割材料的特性决定，可选择CO₂激光器、光纤激光器、YAG激光器等，各个光学器件及镜片的选择同激光器相匹配。采用同第一激光加工系 统完全相同的器件组成第二激光加工系统。第一激光加工系统同第二激光加工系统的激光传播方向同轴反向。

(3)第一、第二激光器同时出光，两束激光经过导光镜、扩束镜后，通过各自的多焦点镜片组，在待加工脆性透射材料内产生多个激光焦点。两套多焦点激光加工系统产生的激光焦点数量、间距、能量分布等完全相同。

(4)将待加工脆性透射材料沿X轴方向运动，多个激光焦点沿材料厚度方向作用于脆性透射材料，使脆性透射材料内部激光焦点作用区域产生高温区域，产生较大的压应力。而随着脆性透射材料的运动，激光焦点离开待加工脆性透射材料原作用区域，使原作用区域温度迅速降低，产生较大的拉应力，超过脆性透射材料的断裂阈值，使脆性透射材料激光焦点作用区域附近开裂。而由于激光产生了多个焦点，即开裂区域被扩大与激光焦点个数相同的倍数，增加了激光切割分离深度，使待加工脆性透射材料整体开裂。

如图1所示，本实用新型装置包括两套多焦点激光加工系统90和91以及三维移动平台14。第一多焦点激光加工系统90包括激光器1、反射镜2和3、扩束准直镜4和多焦点镜片组5。第二激光加工系统91包括激光器10、反射镜9和8、扩束准直镜7和多焦点镜片组6。其中，镜片组5和6有两种组成方式，分别为由一系列带不同直径小孔且焦距不同的聚焦镜片组成或由一系列直径和焦距不同的聚焦镜片组成。两套多焦点镜片组5和6分别位于待切割分离透射脆性材料11的厚度方向两侧，输出的聚焦激光束的传播方向同光轴反向。待切割分离透射脆性材料11安装在三维移动平台14上，带动透射脆性材料11沿XYZ三个方向移动。

多焦点镜片组5和6有两种组成方式，第一种组成方式及光路示意图如图2所示。镜片组由一系列中心带小孔的聚焦镜片组成，且各聚焦镜片 的厚度尽可能薄，以减少激光能量的损失。各聚焦镜片焦距、各聚焦镜片之间距离、各聚焦镜片小孔直径均由实际所切割分离脆性透射材料厚度、折射率、吸收率等决定。所切割分离材料厚度越厚，则各聚焦镜片焦距越长，各聚焦镜之间距离越大,各聚焦镜片小孔直径越大；所切割材料折射率越大，则各聚焦镜片焦距越长，各聚焦镜之间距离越大，各聚焦镜小孔直径不变；所切割材料吸收率越高，则各聚焦镜片焦距及各聚焦镜之间距离不变，各聚焦镜片小孔直径越大。聚焦镜上小孔的存在使激光束被划分为不同的部分。由于每部分的激光束经过聚焦镜片数量不同，而引起折射角度不同，产生的聚焦点位置也不同，从而形成多个激光焦点。例如图2，第一激光加工系统输出的激光束经过扩束准直镜4后形成扩束准直的激光束15；激光束15穿过常规聚焦镜50后，形成聚焦激光束16。聚焦激光束16的一部分激光束穿过第一聚焦镜51中心小孔52形成聚焦激光束17，而另一部分激光束穿过第一聚焦镜51镜片后，被二次聚焦形成聚焦激光束18。此后，聚焦激光束17的一部分激光束又直接穿过第二聚焦镜片53中心小孔54形成聚焦激光束19，并聚焦于光轴60的点25处。由于第二聚焦镜片53中心小孔54直径小于第一聚焦镜51中心小孔52，使得激光束17的另一部分激光束穿过聚焦镜片53形成二次聚焦激光束20，并聚焦于光轴60的点24处。而二次聚焦激光束18又穿过聚焦镜片53，形成三次聚焦激光束21，并聚焦于点光轴60的23处。显然，聚焦点25的激光束19只通过一个聚焦镜50聚焦，聚焦点24的激光束20通过两个聚焦镜50和51聚焦，聚焦点23激光束21通过三个聚焦镜50、51和53聚焦，因而使聚焦激光束19、20和21三部分激光束被折射角度均不相同，在光轴60上产生焦点的位置也不相等，从而形成三个聚焦点。经过聚焦镜片个数越多，激光束被折射角度越大，产生聚焦点的位置越靠近多焦点镜片组5。同理，由与多焦点镜片组5相同结构数量的常规聚焦镜55、带有小孔57的聚焦镜56和 带有小孔58的聚焦镜59组成的多焦点镜片组6，也将在光轴60上产生三个聚焦点34、35和36。

由于两套多焦点激光加工系统的同轴反向对射，使激光产生的焦点数量增加为一套激光加工系统的两倍，使产生的激光焦点数量最大化。依此类推，当带小孔聚焦镜和常规聚焦镜为N片时，则两套激光加工系统可产生2N个激光焦点。

多焦点镜片组5和6的第二种组成方式及光路示意图如图3所示。多焦点镜片组由一系列直径不同的聚焦镜片组成，且各聚焦镜片的厚度尽可能薄，以减少激光能量的损失。各聚焦镜片焦距、各聚焦镜片之间距离、各直径不同的聚焦镜片直径均由实际所切割分离脆性透射材料厚度、折射率、吸收率等决定。所切割分离材料厚度越厚，则各聚焦镜片焦距越长，各聚焦镜之间距离越大，各直径不同的聚焦镜片直径越小；所切割材料折射率越大，则各聚焦镜片焦距越长，各聚焦镜之间距离越大，各直径不同的聚焦镜片直径不变；所切割材料吸收率越高，则各聚焦镜片焦距及各聚焦镜片之间距离不变，各直径不同的聚焦镜片直径越小由于各个聚焦镜直径不同，使激光束分为不同的部分，且激光束的不同部分经过不同数量的聚焦镜聚焦，使各个部分产生不同折射率的聚焦，从而在光轴上产生多个激光焦点。如图3，第一激光加工系统产生激光束经过扩束准直镜4输出激光束70穿过常规聚焦镜41后，形成聚焦激光束71。聚焦激光束71的一部分直接聚焦于光轴60，产生聚焦点76；聚焦激光束71另一部分通过聚焦镜42，再次聚焦形成聚焦激光束72。聚焦激光束72的一部分直接聚焦于光轴60，产生聚焦点75，聚焦激光束72另一部分通过聚焦镜43，再次聚焦形成聚焦激光束73，并聚焦于光轴60，产生聚焦点74。同理，聚焦点76的激光束71只通过一个聚焦镜42聚焦，聚焦点75的激光束72通过两个聚焦镜41和42聚焦，聚焦点74激光束73通过三个聚焦镜41、42和43 聚焦，因而使聚焦激光束71、72和73三部分激光束被折射角度均不相同，在光轴60上产生焦点的位置也不相等，从而形成三个聚焦点。经过聚焦镜片个数越多，激光束被折射角度越大，产生聚焦点的位置越靠近多聚焦镜片组5。同理，由与多焦点镜片组5相同结构数量的常规聚焦镜44、聚焦镜45和聚焦镜46组成的聚焦镜片组6，也将在光轴60上产生三个聚焦点80、81和82。

由于两套激光加工的同轴反向对射，使激光产生的焦点数量增加为一套激光加工系统的两倍，使产生的激光焦点数量最大化。依此类推，当直径不同的聚焦镜为N片时，则两套激光加工系统可产生2N个激光焦点。

其工作原理是首选根据实际切割脆性透射材料厚度、折射率、吸收率等，选择合适的激光器1和10，并选择合适参数的中心带有小孔或直径不同的聚焦镜组成镜片组5和6。激光加工系统90和91中的激光器1和10同时输出的激光束，分别经反射镜2、3和反射镜9和8，导入激光加工系统90和91中的扩束准直镜4和7，进行放大准直后，进入各自的多焦点镜片组5和6，由多焦点镜片组5和6输出多个聚焦激光束分别在脆性透射材料11中产生多个同光轴激光焦点12，沿脆性透射材料11厚度方向均匀加热。然后，脆性透射材料11在三维载物平台14的带动下沿X轴方向以一定的速度运动，透射材料11被加热的部分迅速冷却，在透射材料11厚度方向形成均匀的拉应力，产生贯穿透射材料11整个厚度的微裂纹13，并沿着激光扫描轨迹向前扩展，直至透射材料11终端。

当一次多焦点激光切割分离完毕后，检查脆性透射材料11是否完全分离，若完全分离，则分离结束；若未完全分离，则将三维载物平台沿X轴反方向运动，进行二次切割分离，重复上述过程，直至脆性透射材料11完全分离。

实例：

实例1：

采用两台YLM-150型号光纤激光器作为第一、第二激光器，其输出波长为1070nm，输出最大功率150W。切割材料为KDP光学晶体，切割尺寸为150mm×150mm×150mm。分别采用1片常规聚焦镜和2片直径不同的聚焦镜片组成两套完全相同的镜片组，每束激光穿过镜片组后会产生3个激光焦点，激光焦点间距均为20mm，且激光的能量分布(激光焦点沿激光传输方向依次排列)比例为30％、30％、40％。两套激光加工系统共产生6个激光焦点，且两套激光加工的所产生的两组激光焦点中心间距为20mm。实验方法：将第一、第二激光加工系统同时出光，调节激光器输出功率为140W，使两套激光加工在KDP光学晶体内部形成6个激光焦点，后在三维载物平台的带动下，KDP光学晶体沿X方向运动，运动速度为0.6m/min，来回往复多次运动。实验结果：光学晶体沿X轴方向分离，分离断裂平洁光滑，无微裂纹产生，只需稍作抛光处理便可得到应用中所需的光学平面。

实例2：

采用两台SD-YAG-600W型号Nd:YAG激光器作为第一、第二激光器，其输出波长为1064nm，输出最大功率600W。切割材料为石英材料，切割尺寸为200mm×200mm×200mm。分别采用1片常规聚焦镜和2片中心带小孔的聚焦镜组成两套完全相同的镜片组，每束激光穿过镜片组后会产生3个激光焦点，激光焦点间距均为30mm，且激光的能量分布(激光焦点沿激光传输方向依次排列)比例为30％、30％、40％。两套激光加工系统共产生6个激光焦点，且两套激光加工的所产生的两组激光焦点中心间距为20mm。实验方法：将第一、第二激光加工系统同时出光，调节两台激光器输出功率均为650W，使两套激光加工在石英材料内部形成6个激光焦点，后在三维载物平台的带动下，石英沿X方向运动，运动速度为1.2m/min，来回往复多次运动。实验结果：石英材料沿X轴方向分离，分离断裂平洁光滑，无微裂纹产生， 只需稍作抛光处理便可得到应用中所需的光学平面。

实例3：

采用两台YLR-500型号光纤激光器作为第一、第二激光器，其输出波长为1070nm，输出最大功率500W。切割材料为K9光学玻璃，切割尺寸为180mm×180mm×180mm。分别采用1片常规聚焦镜和3片中心带有小孔的聚焦镜片组成两套完全相同的镜片组，每束激光穿过镜片组后会产生4个激光焦点，激光焦点间距均为20mm，且激光的能量分布(激光焦点沿激光传输方向依次排列)比例为20％、25％、25％、30％。两套激光加工系统共产生8个激光焦点，且两套激光加工的所产生的两组激光焦点中心间距为20mm。实验方法：将第一、第二激光加工系统同时出光，调节激光器输出功率为450W，使两套激光加工在K9光学玻璃内部形成8个激光焦点，后在三维载物平台的带动下，K9光学玻璃在XZ平面上做直径为100mm的圆形运动，运动速度为0.8m/min，来回往复多次运动。实验结果：K9光学玻璃沿运动轨迹断裂，产生圆弧形分离面，分离断裂平洁光滑，无微裂纹产生，只需稍作抛光处理便可得到应用中所需的光学平面。

以上所述仅为本实用新型较佳实例，但本实用新型不应该局限于该实例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。