光束变换装置及激光加工装置的制作方法

本发明涉及光学技术领域，尤其是涉及一种光束变换装置及激光加工装置。

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temoo单模激光束进行激光加工，但是，这种激光束遵循高斯分布特性，激光束的中心强度高而边缘强度弱，会使得激光加工时被刻划的线条、文字、图案等的轮廓不清、边缘模糊，因而无法满足超精微加工的要求。

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及激光加工装置，以缓解现有技术中存在的激光加工时被刻划的线条、文字、图案等的轮廓不清、边缘模糊，无法满足超精微加工的要求的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种光束变换装置，包括反射镜、第一锥形镜和第二锥形镜；

所述反射镜上开设有供光束进入的第一开口；

所述第一锥形镜为凸反射锥镜，所述第二锥形镜为凹反射锥镜；

所述第一锥形镜位于所述第二锥形镜所在区域内，且所述第一锥形镜的顶点和所述第二锥形镜的顶点连线过所述第一开口的中心，所述反射镜与所述连线所成的角度为非90°；

所述反射镜和所述第二锥形镜之间还设置有供光束射出的第二开口；

经由所述第一开口进入所述光束变换装置内的光束，先后经过所述第一锥形镜、所述第二锥形镜和所述反射镜后，经由所述第二开口射出。

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，所述第一锥形镜和所述第二锥形镜之间的距离可调。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，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，所述光束变换装置还包括导轨，所述第一锥形镜与所述导轨滑动连接，以使所述第一锥形镜和所述第二锥形镜之间的距离可调。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，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，所述光束变换装置还包括传动装置，所述传动装置用于带动所述第一锥形镜移动，以使所述第一锥形镜和所述第二锥形镜之间的距离可调。

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，所述传动装置包括固定座、电机、曲柄连杆机构、镜座和导轨；

所述电机与所述导轨固定在所述固定座上，所述镜座滑动连接在所述导轨上，所述镜座用于安装所述第一锥形镜；所述电机通过所述曲柄连杆机构与所述镜座连接，带动所述镜座在所述导轨上滑动。

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，所述光束变换装置还包括外壳，所述外壳的内部设置有插槽，所述插槽用于插接所述反射镜、所述第一锥形镜和所述第二锥形镜。

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，所述插槽的数量为多个，且多个所述插槽沿入射光轴方向设置，所述第一锥形镜和所述第二锥形镜可选择的插接在所述插槽内，以使所述第一锥形镜和所述第二锥形镜之间的距离可调。

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，所述光束变换装置还包括准直组件，所述准直组件设置于所述反射镜远离所述第一锥形镜的一侧，所述准直组件用于将入射光束变换为平行光束。

结合上述第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述第一锥形镜的过所述第一锥形镜的顶点的对称轴和所述第二锥形镜的过所述第二锥形镜的顶点的对称轴均与所述连线重合；

所述第一锥形镜和所述第二锥形镜的面形均为圆锥形，且所述第一锥形镜和所述第二锥形镜的锥尖角度均为90°；

所述反射镜与所述连线所成的角度为45°。

第二方面，本发明实施例还提供一种激光加工装置，包括激光发生器、聚焦组件，以及如第一方面所述的光束变换装置；

所述光束变换装置设置于所述激光发生器和所述聚焦组件之间，所述激光发生器靠近所述反射镜一侧。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例中，光束变换装置包括反射镜、第一锥形镜和第二锥形镜，反射镜上开设有供光束进入的第一开口，第一锥形镜为凸反射锥镜，第二锥形镜为凹反射锥镜；第一锥形镜位于第二锥形镜所在区域内，且第一锥形镜的顶点和第二锥形镜的顶点连线过第一开口的中心，反射镜与该连线所成的角度为非90°；反射镜和第二锥形镜之间还设置有供光束射出的第二开口；经由第一开口进入光束变换装置内的光束，先后经过第一锥形镜、第二锥形镜和反射镜后，经由第二开口射出。由于光束经过该光束变换装置，将发生连续的反射，从而改变该光束的组成结构，距离入射光轴较近的中心光束将变换成距离出射光轴较远的边缘光束，而距离入射光轴较远的边缘光束将变换成距离出射光轴较近的中心光束，这样经该光束变换装置后光束的内外能量将发生对调，提高了光束的边缘能量，进而提高了通过该光束进行刻画、标记等加工的加工精细度，缓解了现有技术中存在的激光加工时被刻划的线条、文字、图案等的轮廓不清、边缘模糊，无法满足超精微加工的要求的技术问题。

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光束变换装置沿入射光轴方向的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光束变换装置的光路原理图；

图3(a)为本发明实施例提供的聚焦后的圆形光束的能量分布示意图；

图3(b)为本发明实施例提供的聚焦后的环形光束的能量分布示意图；

图4为本发明实施例提供的激光加工装置的结构示意图。

图标：

100-反射镜；101-第一开口；200-第一锥形镜；300-第二锥形镜；10-光束变换装置；20-激光发生器；30-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。

目前现有的激光束的中心强度高而边缘强度弱，会使得激光加工时被刻划的线条、文字、图案等的轮廓不清、边缘模糊。基于此，本发明实施例提供的一种光束变换装置及激光加工装置，可以提高光束的边缘能量，进而提高通过该光束进行刻画、标记等加工的加工精细度。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种光束变换装置方法进行详细介绍。

实施例一：

图1为本发明实施例提供的光束变换装置沿入射光轴方向的剖面结构示意图，如图1所示，该光束变换装置包括反射镜100、第一锥形镜200和第二锥形镜300。反射镜100上开设有供光束进入的第一开口101，第一锥形镜200为凸反射锥镜，第二锥形镜300为凹反射锥镜。反射镜100和第二锥形镜300之间还设置有供光束射出的第二开口(图1中未示意)，其中，入射光轴为入射光束的光轴，从第一开口101处进入的光束为平行光束，平行光束包括但不限于圆形光束和环形光束。

第一锥形镜200位于第二锥形镜300所在区域内，且第一锥形镜200的顶点和第二锥形镜300的顶点连线过第一开口101的中心，反射镜100与该连线所成的角度为非90°。

经由第一开口101进入该光束变换装置内的光束，先后经过第一锥形镜200、第二锥形镜300和反射镜100后，经由第二开口射出。

图2为本发明实施例提供的光束变换装置的光路原理图，如图2所示，入射的平行光束以圆形光束为例，从第一开口101处入射的圆形光束中标示有1、2、3、4四条光线，光线1和光线2之间的各个光线经第一锥形镜200入射在第二锥形镜300的a区域范围内，经a区域反射后到达反射镜100的c区域范围内，再经c区域反射后射出；光线3和光线4之间的各个光线经第一锥形镜200入射在第二锥形镜300的b区域范围内，经b区域反射后到达反射镜100的d区域范围内，再经d区域反射后射出。

显然，该圆形光束先后经过第一锥形镜200、第二锥形镜300和反射镜100的反射后，变成了环形光束射出，且距离入射光轴较近的中心光束(光线2和光线3)会变换成距离出射光轴较远的边缘光束，而距离入射光轴较远的边缘光束(光线1和光线4)会变换成距离出射光轴较近的中心光束，其中，入射光轴为圆形光束的光轴，出射光轴为环形光束的光轴。因而，该光束变换装置可以将圆形光束变换成内外能量翻转的环形光束，使得环形光束的外侧能量大于内侧能量。

图2中第一锥形镜200、第二锥形镜300之间的距离可以根据需要调整，通过调整该距离可以调整出射的环形光束的直径大小。若入射的平行光束为环形光束，则经过该光束变换装置出射的光束仍为环形光束，但是环形光束的直径变大。反射镜100与入射光轴的夹角也可以根据需要调整，通过调整该夹角可以调整环形光束的出射角度。

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；经该光束变换装置可形成环形激光光束，该环形激光光束边缘能量较强，在用于进行激光加工时，加工效果好，边缘位置的加工更加精细、精确，所刻画的线条轮廓更加清晰。

图3(a)为本发明实施例提供的聚焦后的圆形光束的能量分布示意图，图3(b)为本发明实施例提供的聚焦后的环形光束的能量分布示意图。如图3(a)所示，从第一开口101处入射的圆形光束，经聚焦后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；如图3(b)所示，经该光束变换装置形成的环形光束，经聚焦后其能量分布变得更加集中，当应用于激光加工时，刻画的线条更细、更深。

优选地，如图1和图2所示(图2中未标示各个角度)，第一锥形镜200的过第一锥形镜200的顶点的对称轴和第二锥形镜300的过第二锥形镜300的顶点的对称轴均与上述连线重合，第一锥形镜200和第二锥形镜300的面形均为圆锥形，且第一锥形镜200和第二锥形镜300的锥尖角度均为90°，反射镜100与该连线所成的角度为45°。这样，使得从第一开口101处入射的圆形光束先后经第一锥形镜200、第二锥形镜300反射后，所形成的环形光束互相平行，且沿与原入射方向相反的方向射出到反射镜100上，此时该环形光束与反射镜100所成的角度为45°，从而经反射镜100反射后，沿与原入射方向垂直的方向射出。因此，当该光束变换装置应用于激光加工时，在垂直方向的加工操作更加灵活。

进一步地，反射镜100、第一锥形镜200和第二锥形镜300的表面均镀有全反射膜，该全反射膜的工作波长与入射光束的波长相匹配。例如，入射光束的波长为1064nm，则该全反射膜的工作波长即为1064nm。该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。需要说明的是，该全反射膜的材质和厚度可以根据需要选择，在此不作限制。该方式可以保证入射光束波长的光线全部反射出去，进一步降低了该光束变换装置的能量吸收率，即减少了该光束变换装置造成的能量损耗。

本发明实施例中，光束变换装置包括反射镜、第一锥形镜和第二锥形镜，反射镜上开设有供光束进入的第一开口，第一锥形镜为凸反射锥镜，第二锥形镜为凹反射锥镜；第一锥形镜位于第二锥形镜所在区域内，且第一锥形镜的顶点和第二锥形镜的顶点连线过第一开口的中心，反射镜与该连线所成的角度为非90°；反射镜和第二锥形镜之间还设置有供光束射出的第二开口；经由第一开口进入光束变换装置内的光束，先后经过第一锥形镜、第二锥形镜和反射镜后，经由第二开口射出。由于光束经过该光束变换装置，将发生连续的反射，从而改变该光束的组成结构，距离入射光轴较近的中心光束将变换成距离出射光轴较远的边缘光束，而距离入射光轴较远的边缘光束将变换成距离出射光轴较近的中心光束，这样经该光束变换装置后光束的内外能量将发生对调，提高了光束的边缘能量，进而提高了通过该光束进行刻画、标记等加工的加工精细度，缓解了现有技术中存在的激光加工时被刻划的线条、文字、图案等的轮廓不清、边缘模糊，无法满足超精微加工的要求的技术问题。

进一步地，上述光束变换装置还包括准直组件，准直组件设置于反射镜100远离第一锥形镜200的一侧，准直组件用于将入射光束变换为平行光束。

具体地，准直组件可以由多个透镜组成，用于形成平行光束，例如，准直组件包括一个凹透镜和一个凸透镜，沿输入光的传播方向，依次为凹透镜、凸透镜，凹透镜可以起到扩束的作用，凸透镜可以形成平行光束。

优选地，第一锥形镜200和第二锥形镜300之间的距离可沿着入射光轴方向调节，从而可以改变输出光的焦深，这样在加工的时候，可以满足不同加工材料的调整需求。比如切割厚的材料，需要较长的焦深，薄的材料，需要较短的焦深。通过改变第一锥形镜200和第二锥形镜300之间的距离，可以改变射出的环形光束直径的大小，从而改变会聚后的环形光束的焦深。具体地，当第一锥形镜200和第二锥形镜300之间的距离变大时，射出的环形光束直径变大，焦深变小，此时形成的光束适用于更薄更精细的加工。

在一个实施例中，上述光束变换装置还包括导轨，第一锥形镜200与导轨滑动连接，以使第一锥形镜200和第二锥形镜300之间的距离可调。其中，导轨的长度方向与入射光轴平行。通过调整第一锥形镜200的位置，调节第一锥形镜200和第二锥形镜300之间的距离；当然也可以将第二锥形镜300与导轨滑动连接，通过调整第二锥形镜300的位置，调节第一锥形镜200和第二锥形镜300之间的距离；还可以同时将第一锥形镜200和第二锥形镜300与导轨滑动连接，通过调整第一锥形镜200的位置和/或第二锥形镜300的位置，调节第一锥形镜200和第二锥形镜300之间的距离。

在另一个实施例中，该光束变换装置还包括传动装置，传动装置用于带动第一锥形镜200移动和/或第二锥形镜300，以使第一锥形镜200和第二锥形镜300之间的距离可调。

具体地，上述传动装置包括固定座、电机、曲柄连杆机构、镜座和导轨，电机与导轨固定在固定座上，镜座滑动连接在导轨上，镜座用于安装第一锥形镜200和/或第二锥形镜300。电机通过曲柄连杆机构与镜座连接，带动该镜座在导轨上滑动，以使第一锥形镜200和第二锥形镜300之间的距离可调。

进一步地，上述光束变换装置还包括外壳。在一个可选的实施例中，外壳的内部设置有插槽，该插槽用于插接反射镜100、第一锥形镜200和第二锥形镜300。

具体地，上述插槽的数量为多个，且多个插槽沿入射光轴方向设置，第一锥形镜200和第二锥形镜300可选择的插接在插槽内，以使第一锥形镜200和第二锥形镜300之间的距离可沿着入射光轴方向调节。

在实际实现时，为了便于操作，可以将第二锥形镜300固定于一个插槽内，通过选择第一锥形镜200的插槽位置，调节第一锥形镜200和第二锥形镜300之间的距离。

实施例二：

图4为本发明实施例提供的激光加工装置的结构示意图，如图4所示，该激光加工装置包括激光发生器20、聚焦组件30，以及如实施例一的光束变换装置10。光束变换装置10设置于激光发生器20和聚焦组件30之间，激光发生器20靠近反射镜100一侧。

具体地，激光发生器20用于提供激光光源，聚焦组件30可以由多个透镜组成，聚焦组件30用于将光束聚焦。激光发生器20发出的圆形光束经光束变换装置10后变为环形光束，该环形光束再通过聚焦组件30进行聚焦后，即可用于激光加工。该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。

本发明实施例中，光束变换装置包括反射镜、第一锥形镜和第二锥形镜，反射镜上开设有供光束进入的第一开口，第一锥形镜为凸反射锥镜，第二锥形镜为凹反射锥镜；第一锥形镜位于第二锥形镜所在区域内，且第一锥形镜的顶点和第二锥形镜的顶点连线过第一开口的中心，反射镜与该连线所成的角度为非90°；反射镜和第二锥形镜之间还设置有供光束射出的第二开口；经由第一开口进入光束变换装置内的光束，先后经过第一锥形镜、第二锥形镜和反射镜后，经由第二开口射出。由于光束经过该光束变换装置，将发生连续的反射，从而改变该光束的组成结构，距离入射光轴较近的中心光束将变换成距离出射光轴较远的边缘光束，而距离入射光轴较远的边缘光束将变换成距离出射光轴较近的中心光束，这样经该光束变换装置后光束的内外能量将发生对调，提高了光束的边缘能量，进而提高了通过该光束进行刻画、标记等加工的加工精细度，缓解了现有技术中存在的激光加工时被刻划的线条、文字、图案等的轮廓不清、边缘模糊，无法满足超精微加工的要求的技术问题。

本发明实施例提供的激光加工装置，与上述实施例提供的光束变换装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

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。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的激光加工装置的具体工作过程，可以参考前述光束变换装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。

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。