光束变换装置和激光加工装置的制作方法

本发明涉及光束变换技术领域，尤其是涉及一种光束变换装置和激光加工装置。

背景技术：

在微电子学、生物医学、信息产业领域，人们越来越多地使用各种光束，尤其是激光束作为刻刀，来解决微芯片制造、光盘存储器、微型编码器的制作、激光标记标刻等有关精细加工问题。

目前在相关工厂的生产线上广泛使用的是temoo单模激光束，但是，这种激光束不能用于超精超微加工，因为该激光束遵循的是高斯分布特性，激光束的中心强度高而边缘强度弱，从而使得被刻划的线条、文字、图案的轮廓不清、边缘模糊，满足不了超精微加工的特殊要求。

针对现有的激光光束边缘能量较弱的问题，尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光束变换装置和激光加工装置，以提高光束边缘能量，进而提高通过光束进行刻画、标记等加工的加工精细度。

第一方面，本发明实施例提供了一种光束变换装置，包括第一锥形镜和第二锥形镜；第一锥形镜和第二锥形镜均为凹反射锥镜；第一锥形镜凹面的顶点处设置有供光束进入的开口；第一锥形镜和第二锥形镜凹面的顶点的连线与入射光束的光轴共线；第一锥形镜和第二锥形镜的底面平行；第一锥形镜和第二锥形镜的锥形凹面相对设置；经由开口进入光束变换装置内的圆形光束，先经过第二锥形镜的反射，再经过第一锥形镜的反射，变换成环形光束后射出。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述第一锥形镜和第二锥形镜的锥尖角度相同。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述第一锥形镜的直径大于第二锥形镜的直径。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述光束变换装置还包括外壳，外壳内部设置有插槽，插槽用于插接第一锥形镜和第二锥形镜。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述插槽的数量为多个，且多个插槽沿光轴方向设置，第一锥形镜和第二锥形镜可选择的插接在插槽内，以使第一锥形镜和第二锥形镜之间的距离可沿着光轴方向调节。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述第一锥形镜和第二锥形镜之间的距离可沿着光轴方向调节。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述，光束变换装置还包括导轨，第一锥形镜和第二锥形镜分别与导轨滑动连接，以使第一锥形镜和第二锥形镜之间的距离可沿着光轴方向调节。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述第一锥形镜和第二锥形镜的凹面的表面镀有全反射膜；全反射膜的系数与入射的光束波长相匹配。

第二方面，本发明实施例提供了一种激光加工装置，包括上述光束变换装置。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，上述激光加工装置还包括激光发生器和聚焦组件；上述光束变换装置设置于激光发生器和聚焦组件之间；该激光发生器用于提供激光光源；该聚焦组件用于将光束变换装置射出的环形光束汇聚。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的一种光束变换装置和激光加工装置，第一锥形镜和第二锥形镜均为凹反射锥镜；经由第一锥形镜凹面的顶点处的开口进入光束变换装置内的圆形光束，先经过第二锥形镜的反射，再经过第一锥形镜的反射，变换成环形光束后射出；该方式将圆形光束的内外能量翻转，形成环形光束，该环形光束经外部的聚焦装置聚焦后，形成的光束的能量汇聚性较强，提高了光束边缘能量，进而提高了通过光束进行刻画、标记等加工的加工精细度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种光束变换装置沿光轴方向的剖面结构示意图；

图2(a)为本发明实施例提供的圆形光束的能量分布示意图；

图2(b)为本发明实施例提供的汇聚后的环形光束的能量分布示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光束变换装置的光路原理图；

图4为本发明实施例提供的一种激光加工装置的结构示意图。

图标：100-第一锥形镜；101-第二锥形镜；100a-开口；40-光束变换装置；41-激光发生器；42-聚焦组件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

考虑到现有的激光光束边缘能量较弱的问题，本发明实施例提供了一种光束变换装置和激光加工装置；该技术可以应用于通过激光进行刻画、标记等精细加工的流程中，该技术可以采用相关的硬件实现，下面通过实施例进行描述。

实施例一

参见图1所示的一种光束变换装置沿光轴方向的剖面结构示意图，该装置包括第一锥形镜100和第二锥形镜101；

该第一锥形镜100和第二锥形镜101均为凹反射锥镜；该第一锥形镜100凹面的顶点处设置有供光束进入的开口100a；

该第一锥形镜100和第二锥形镜101凹面的顶点的连线与入射光束的光轴共线；该第一锥形镜100和第二锥形镜101的底面平行；该第一锥形镜100和第二锥形镜101的锥形凹面相对设置；

经由上述开口进入光束变换装置内的圆形光束，先经过第二锥形镜101的反射，再经过第一锥形镜100的反射，变换成环形光束后射出。

参见图2(a)所示的圆形光束的能量分布示意图，以及图2(b)所示的汇聚后的环形光束的能量分布示意图；经由上述第一锥形镜的开口入射的圆形光束，其能量分布符合高斯分布，即光束中心处能量最强，光束边缘处能量最弱；该圆形光束先后经过上述光束变换装置中的第二锥形镜和第一锥形镜变换后，将圆形光束的内外能量翻转，形成环形光束，该环形光束经外部的聚焦装置聚焦后，形成的光束的能量汇聚性较强。

参见图3所示的一种光束变换装置的光路原理图；如图3所示，入射光束靠近光束中心处的光线经第一锥形镜和第二锥形镜折射后，该光线会处于环形光束的靠近外侧的位置，因而，该光束变换装置可以将圆形光束的内外能量翻转，使得光束的外侧能量大于光束内侧能量。

以激光光束为例，圆形激光光束由于光束边缘能量较弱，在进行激光刻画、标记等加工时，会导致加工效果较差，例如轮廓不清、边缘模糊等；经环形激光光束汇聚后的光束，其边缘能量较强，在进行激光加工时，加工效果更佳精细，轮廓清晰，因而，经环形激光光束汇聚后的光束可以应用于更为精细、复杂的加工流程中。

本发明实施例提供的一种光束变换装置，第一锥形镜和第二锥形镜均为凹反射锥镜；经由第一锥形镜凹面的顶点处的开口进入光束变换装置内的圆形光束，先经过第二锥形镜的反射，再经过第一锥形镜的反射，变换成环形光束后射出；该方式将圆形光束的内外能量翻转，形成环形光束，该环形光束经外部的聚焦装置聚焦后，形成的光束的能量汇聚性较强，提高了光束边缘能量，进而提高了通过光束进行刻画、标记等加工的加工精细度。

进一步地，上述第一锥形镜和第二锥形镜的锥尖角度相同；如图1所示，第一锥形镜的锥尖角度为θ，第二锥形镜的锥尖角度为α，其中，θ＝α；通过该方式可以使射出的环形光束中的光线相互平行。

在实际实现时，为了不阻挡经第一锥形镜反射的光线射出光束变换装置，上述第一锥形镜的直径大于第二锥形镜的直径；该方式可以便于光线的射出，避免使光线在装置内反复多次反射造成的能量浪费。

进一步地，上述第一锥形镜和第二锥形镜的凹面的表面镀有全反射膜；该全反射膜的系数与入射的光束波长相匹配；例如，如果入射的光束的波长为1064nm，则该全反射膜的系数即为1064nm；同时，该全反射膜的材质和厚度可以根据需要选择，在此不做限制；该方式可以保证入射的光束波长的光线全部反射，进一步降低了光束变换装置的能量吸收率。

上述全反射膜的材料包括zns、zro2、tio2、mgf2、sio2等，以及混合的膜材料，例如，tio2+ta2o5或ta2o5+zro2等。不同的材料，其折射率等系数不同，可以根据实际需要进行选择。

实施例二

对应于上述实施例一中提供的一种光束变换装置，本发明实施例提供了另一种光束变换装置，该装置包括上述第一锥形镜和第二锥形镜，还包括外壳，该外壳内部设置有插槽，该插槽用于插接第一锥形镜和第二锥形镜。

进一步地，上述插槽的数量为多个，且多个插槽沿光轴方向设置，第一锥形镜和第二锥形镜可选择的插接在插槽内，以使第一锥形镜和第二锥形镜之间的距离可沿着光轴方向调节。

在实际实现时，为了便于操作，可以将第一锥形镜固定于一个插槽内，通过选择第二锥形镜的插槽位置，进而调节第一锥形镜和第二锥形镜之间的距离。

上述第一锥形镜和第二锥形镜之间的距离可沿着光轴方向调节。通过调节第一锥形镜和第二锥形镜之间的距离，可以改变射出的环形光束的大小，从而改变汇聚后的环形光束的焦深；具体地，当第一锥形镜和第二锥形镜之间的距离变大，射出的环形光束变大，焦深变小，此时，形成的光束可进行更薄更精细的加工流程。

上述焦深，是焦点深度的简称，工程材料领域常称为景深，即在使用显微镜时，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。

进一步地，上述光束变换装置还包括导轨，第一锥形镜和第二锥形镜分别与导轨滑动连接，以使第一锥形镜和第二锥形镜之间的距离可沿着光轴方向调节。

本发明实施例提供的一种光束变换装置，第一锥形镜和第二锥形镜均为凹反射锥镜；经由第一锥形镜凹面的顶点处的开口进入光束变换装置内的圆形光束，先经过第二锥形镜的反射，再经过第一锥形镜的反射，变换成环形光束后射出；该方式将圆形光束的内外能量翻转，形成环形光束，该环形光束经外部的聚焦装置聚焦后，形成的光束的能量汇聚性较强，提高了光束边缘能量，进而提高了通过光束进行刻画、标记等加工的加工精细度。

进一步地，本实施例提供的光束变换装置，第一锥形镜和第二锥形镜之间的距离可沿着光轴方向调节；该方式可以获得不同大小、不同焦深的光束，扩大了装置的应用范围，实现更为精细的加工操作流程。

实施例三

对应于上述实施例一和实施例二中提供的光束变换装置，参见图4所示的一种激光加工装置的结构示意图，该激光加工装置包括上述光束变换装置40；

进一步地，上述激光加工装置还包括激光发生器41和聚焦组件42；上述光束变换装置40设置于激光发生器和聚焦组件之间；该激光发生器41用于提供激光光源；该聚焦组件42用于将光束变换装置射出的环形光束汇聚。

具体地，上述聚焦组件可以为聚焦透镜；该聚焦透镜用于将环形光束汇聚；该汇聚后的环形光束可以应用于实际的加工流程中，例如，汇聚后的环形激光光束应用于雕刻、标记等流程中。

具体地，上述激光加工装置还包括握持部，用于使用者握持，对待加工工件进行雕刻，握持部上设置有绝缘橡胶层。

本发明实施例提供的激光加工装置，第一锥形镜和第二锥形镜均为凹反射锥镜；经由第一锥形镜凹面的顶点处的开口进入光束变换装置内的圆形光束，先经过第二锥形镜的反射，再经过第一锥形镜的反射，变换成环形光束后射出；该方式将圆形光束的内外能量翻转，形成环形光束，该环形光束经外部的聚焦装置聚焦后，形成的光束的能量汇聚性较强，提高了光束边缘能量，进而提高了通过光束进行刻画、标记等加工的加工精细度。

实施例四

对应于上述实施例一和实施例二中提供的光束变换装置，以及实施例三中提供的激光加工装置，本发明实施例提供了一种光束变换方法，该方法通过上述光束变换装置完成，该方法包括如下步骤：

步骤1：用户根据光束变换需求设置光束变换装置中的第一锥形镜和第二锥形镜之间沿着光轴方向的距离；

步骤2：由第一锥形镜的开口进入光束变换装置内的圆形光束，经过第二锥形镜反射；

步骤3：由第二锥形镜反射的光线，再经第一锥形镜反射，变换成环形光束后射出；

步骤4：将射出后的环形光束通过汇聚透镜汇聚。

本发明实施例提供的光束变换方法，经由第一锥形镜凹面的顶点处的开口进入光束变换装置内的圆形光束，先经过第二锥形镜的反射，再经过第一锥形镜的反射，变换成环形光束后射出；该方式将圆形光束的内外能量翻转，形成环形光束，该环形光束经外部的聚焦装置聚焦后，形成的光束的能量汇聚性较强，提高了光束边缘能量，进而提高了通过光束进行刻画、标记等加工的加工精细度。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。