一种激光光束整形装置及激光加工设备的制作方法

1.本实用新型涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光光束整形装置及激光加工设备。


背景技术：

2.激光开槽加工对光斑的精度与质量要求较高，通常需要激光光束整形装置调节激光的形貌及间距。专利cn114029610b的晶圆加工装置中，激光器发出的激光依次经过扩束镜、第一波片传递至第一分光晶体，然后由第一分光晶体分成第一光束和第二光束，其中，第一光束依次经第一光闸、光阑、第一反射镜、第一透镜至第二分光晶体，第二光束依次经第二光闸、第二反射镜后至第二分光晶体；第二分光晶体穿出的光束依次经光束监测分光片、第二波片、渥拉斯顿棱镜、第二光束探测单元后对工件进行加工。该专利的激光整形装置，在偏振分光棱镜的激光入射面前部设置入射波片，通过制调节入射波片角度，使得偏振分光棱镜的激光入射角度发生改变，从而达到调节激光能量分光比例的目的；通过增加激光能量计来判断两束分光能量值，双细线跟宽线使用不同光路；通过设置波片电机带动第二波片转动，配合渥拉斯顿棱镜分光，在光束探测单元中首先测量两个光束的能量之和，再遮挡住一个光束，测量单个光束的能量值，根据两光束的能量大小调整波片的转动角度，以保证两束光的能量分布以满足加工需求。该专利的光路系统复杂，控制系统繁琐，不利于提高设备利用率。
3.因此，亟待需要提供一种激光光束整形装置以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型的一个目的在于提供一种激光光束整形装置，其光路系统简单，便于控制。
5.本实用新型的另一个目的在于提供一种激光加工设备，通过应用上述激光光束整形装置，光路系统简单，便于控制，能够提高设备利用率。
6.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
7.第一方面，提供了一种激光光束整形装置，包括：
8.激光器，用于产生激光光束；
9.扩束镜，设于所述激光器的出射端，用于增大激光光斑的直径；
10.波片，设于所述扩束镜的出射端，用于调节激光光束的线偏振角度；
11.第一分光件，设于所述波片的出射端，用于使激光光束的偏振方向保持水平；
12.空间光调制器，设于所述第一分光件的水平光束出射端，用于使激光光束形成间距可调的至少两个光斑；
13.聚焦组件，设于所述空间光调制器的出射端，用于使激光光束聚焦以进行激光加工。
14.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述激光光束整形装置还包括第二分光
件，所述第二分光件设于所述空间光调制器的出射端，所述第二分光件用于将激光光束分为第一光束和第二光束，所述第一光束用于监测，所述第二光束用于加工，所述聚焦组件设于所述第二分光件的第二光束出射端。
15.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述激光光束整形装置还包括监测组件，所述监测组件设于所述第二分光件的第一光束出射端，所述监测组件用于监测第一光束的能量分布。
16.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述监测组件包括监测透镜和ccd相机，所述监测透镜和所述ccd相机依次设于所述第二分光件的第一光束出射端。
17.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述激光光束整形装置还包括第一调整件，所述第一调整件设于所述第二分光件的第二光束出射端和所述聚焦组件之间，所述第一调整件用于连通或遮挡所述第二分光件的第二光束出射端与所述聚焦组件之间的光路。
18.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述聚焦组件包括加工透镜和聚焦物镜，所述加工透镜和所述聚焦物镜依次设于所述空间光调制器的出射端。
19.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述激光光束整形装置还包括光束透镜，所述光束透镜设于所述空间光调制器的出射端，所述空间光调制器、所述光束透镜、所述加工透镜和所述聚焦物镜共同构成光学4f系统。
20.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述激光光束整形装置还包括空间滤波器和可调光阑，所述光束透镜、所述空间滤波器和所述可调光阑沿同一光轴依次设置。
21.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述可调光阑与所述光束透镜之间的光路距离等于所述光束透镜的焦距，所述可调光阑与所述加工透镜之间的光路距离等于所述加工透镜的焦距。
22.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述激光光束整形装置还包括第一反射镜，所述第一反射镜设于所述空间光调制器的出射端和所述光束透镜之间，激光光束经所述空间光调制器后由所述第一反射镜反射进入所述光束透镜。
23.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述激光光束整形装置还包括能量监控件，所述能量监控件设于所述加工透镜和所述聚焦物镜之间。
24.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述激光光束整形装置还包括第二调整件，所述第二调整件设于所述能量监控件和所述聚焦物镜之间，所述第二调整件用于连通或遮挡所述能量监控件和所述聚焦物镜之间的光路。
25.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述激光光束整形装置还包括第二反射镜，所述第二反射镜设于所述第二分光件的第二光束出射端和所述聚焦组件之间，所述第二分光件的第二光束经所述第二反射镜反射进入所述聚焦组件。
26.作为所述激光光束整形装置的可选方案，所述扩束镜、所述波片、所述第一分光件和所述空间光调制器沿同一光轴依次设置。
27.第二方面，提供了一种激光加工设备，包括如上所述的激光光束整形装置。
28.有益效果：
29.本实用新型提供的激光光束整形装置，相比相应技术，具有以下有益效果：
30.第一、在应用于激光开槽加工时，可以有效避免由于激光本身高斯分布所引起的分束不均性，实现提高宽光斑的均匀性与品质。
31.第二、通过空间光调制器所加载相位的变化，可以自由调节光斑的数量、形貌与分布，具有高度可调节性。
32.第三、通过光束整形，可以一次性加工出高精度的宽光斑阵列，提高效率，同时避免由于机械结构所导致的宽光斑之间的定位误差。
33.第四、通过能量监测件实时监控激光光束能量，实现加工所需能量一致性，确保工艺效果满足加工需求。
34.第五、通过工控机控制全息图的自动切换，并且与激光的重复频率和工作平台的运动配合、实现高速高效、任意形态的激光加工。
35.本实用新型提供的激光加工设备，通过应用上述激光光束整形装置，光路系统简单，便于控制，能够提高设备利用率。
附图说明
36.图1是本实用新型具体实施方式提供的激光光束整形装置的结构示意图；
37.图2是本实用新型具体实施方式提供的光学4f系统的结构示意图。
38.图中：
39.1-待加工工件；2-工作台；
40.101-激光器；102-扩束镜；103-波片；104-第一分光件；105-挡板；106-空间光调制器；107-第一反射镜；108-光束透镜；109-空间滤波器；110-可调光阑；111-第二分光件；112-第一调整件；113第二反射镜；114-聚焦组件；1141-加工透镜；1142-聚焦物镜；115-监测组件；1151-监测透镜；1152-ccd相机；116-能量监控件；117-第二调整件；118-工控机。
具体实施方式
41.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
42.在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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实用新型中的具体含义。
43.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
44.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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实用新型的限制。此
外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
45.如图1-图2所示，本实施例提供了一种激光光束整形装置，包括激光器101、扩束镜102、波片10、第一分光件104、空间光调制器106和聚焦组件114，激光器101用于产生激光光束；扩束镜102设于激光器101的出射端，用于增大激光光斑的直径；波片103设于扩束镜102的出射端，用于调节激光光束的线偏振角度；第一分光件104设于波片103的出射端，用于使激光光束的偏振方向保持水平；空间光调制器106设于第一分光件104的水平光束出射端，用于使激光光束形成间距可调的至少两个光斑；聚焦组件114设于空间光调制器106的出射端，用于使激光光束聚焦以进行激光加工。
46.该激光光束整形装置的工作原理大致如下：根据激光开槽加工的整形需求，对空间光调制器106加载不同的全息图进行相位调制。通过波片103和第一分件104调节激光能量，来保证激光能量密度不会超出空间光调制器106的阈值而损坏空间光调制器106，通过聚焦组件114聚焦后能够达到待加工材料120的损伤阈值从而进行激光开槽加工，光路系统简单，便于控制。
47.利用gs算法迭代操作不断优化全息图，直到生成的全息图符合要求，保存全息图，加载全息图到空间光调制器106进行调制输出。
48.在实际加工中，通过实际加工需求，确定激光束数量、空间分布以及每束光束的能量占比，再利用空间光调制器106的作用原理使激光光束水平射出；激光器101发出的激光经波片103角度调节，使入射到空间光调制器106上的光束为水平偏振，光束经过空间光调制器106后发生衍射，使用空间滤波器109去除零阶光。
49.空间光调制器106中含有许多的独立单元，它们在空间上排列成一维或二维阵列。其中每个单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控制，利用各种物理效应(克尔效应、磁光效应、光折变效应、泡克尔斯效应、声光效应、半导体的自电光效应等)改变自身的光学特性，从而达到对照射在其上的光波进行调制作用。空间光调制器106可以看作是一块透射率或其它光学参数分布能够按照需要进行快速调节的透明片。显然，写入信号应该含有控制调制器各个像素的信息。把这些信息分别传送到相应像素位置上去的过程，称之为“寻址”。其中把控制像素的信号称为“写入光”；把经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”；把照明的整个器件且被调制的输入光波称为“读出光”；把独立的小单元称为空间光调制器的“像素”。
50.示例性地，空间光调制器106可用于将光斑整形为方形或圆形的平顶光束。在其他实施例中，所述空间光调制器106用于将高斯光斑整形为平顶光斑、矩形光斑、椭圆光斑或异形光斑。
51.示例性地，扩束镜102位于所述激光器101和波片103之间，用于调节所述激光器101输出光斑的束腰半径。示例性地，波片103可以为半波片。
52.如图1所示，待加工工件1放置在工作台2上，聚焦组件114使激光光束聚焦后对待加工工件1进行加工。示例性地，工作台2设置有用于移动待加工工件1的运动组件(图中没有显示)。在本实施例中，运动组件可以为x轴直线电机和y轴直线电机运动模组(图中没有显示)，使工控机118与运动组件通讯连接，通过运动组件控制工作平台121运动以使待加工工件1移动。当然，在其他实施例中，还可以是通过设置驱动机构以驱动工作台2整体进行移动，使工控机118与驱动机构通讯连接，从而实现待加工工件1的位置调整，实现自动化激光
加工。
53.优选地，扩束镜102、波片103、第一分光件104和空间光调制器106沿同一光轴依次设置，使得激光器101射出的高斯光以小于10
°
的入射角入射到空间光调制器106上，空间调整器106配合聚焦组件114能够使激光光束成为外圈能量低、内圈能量高的圆形加工区域，外圈能量等于待加工工件1所需的最小切断能量，以便于对待加工工件1进行加工。示例性地，待加工工件1可以是纤维材料。
54.示例性地，第一分光件104可以为分光晶体或分束镜。
55.该激光光束整形装置还包括工控机118，工控机118能够调控激光器101输出的激光光束的参数。
56.该激光光束整形装置还包括挡板105，挡板105遮挡于第一分光件104的另一光束出射端，用于消除垂直偏振方向上的激光光束。
57.该激光光束整形装置还包括第二分光件111，第二分光件111设于空间光调制器106的出射端，第二分光件111用于将激光光束分为第一光束和第二光束，第一光束用于监测，第二光束用于加工，聚焦组件114设于第二分光件111的第二光束出射端。该设计通过第二分光件111将激光光束分为可用于监测的第一光束和用于加工的第二光束，从而便于实时监控激光光束的参数，及时调整激光光束调整装置的状态。
58.示例性地，第二分光件104可以为分光晶体或分束镜。
59.该激光光束整形装置还包括监测组件115，监测组件115设于第二分光件111的第一光束出射端，监测组件115用于监测第一光束的能量分布。
60.监测组件115包括监测透镜1151和ccd相机1152，监测透镜1151和ccd相机1152依次设于第二分光件111的第一光束出射端。示例性地，第二分光件111中10％的光束从第一光束出射端进入所述监测透镜1151成像后进入ccd相机1152采集，ccd相机1152用于获取每束光束的整形图像。
61.激光光束整形装置还包括第一调整件112，第一调整件112设于第二分光件111的第二光束出射端和聚焦组件114之间，第一调整件112用于连通或遮挡第二分光件111的第二光束出射端与聚焦组件114之间的光路。
62.示例性地，第一调整件112为光闸或翻转镜。
63.在本实施例中，工控机118与激光器101、空间光调制器106、第一调整件112、监测组件115和聚焦组件114通讯连接，工控机118用于调控所述激光器101输出激光光束的参数以及根据所述监测组件115的检测结果控制所述第一调整件112连通或遮挡第二分光件111的第二光束出射端与聚焦组件114之间的光路。
64.可选地，聚焦组件114包括加工透镜1141和聚焦物镜1142，加工透镜1141和聚焦物镜1142依次设于空间光调制器106的出射端。在其他实施例中，聚焦物镜1142可以替换为振镜。
65.激光光束整形装置还包括光束透镜108，光束透镜108设于空间光调制器106的出射端，空间光调制器106、光束透镜108、加工透镜1141和聚焦物镜1142共同构成光学4f系统。光束透镜108的焦距为f1，加工透镜1141的焦距为f2，空间光调制器106和光束透镜108之间的距离为f1，光束透镜108和加工透镜1141之间的距离为f1+f2，加工透镜1141和聚焦物镜1142之间的距离为f2。
66.激光光束整形装置还包括空间滤波器109和可调光阑110，光束透镜108、空间滤波器109和可调光阑110沿同一光轴依次设置。
67.可调光阑110与光束透镜108之间的光路距离等于光束透镜108的焦距，可调光阑110与加工透镜1141之间的光路距离等于加工透镜1141的焦距。
68.激光光束整形装置还包括第一反射镜107，第一反射镜107设于空间光调制器106的出射端和光束透镜108之间，激光光束经空间光调制器106后由第一反射镜107反射进入光束透镜108。
69.激光光束整形装置还包括第二反射镜113，第二反射镜113设于第二分光件111的第二光束出射端和聚焦组件114之间，第二分光件111的第二光束经第二反射镜113反射进入聚焦组件114。
70.激光光束整形装置还包括能量监控件116，能量监控件116设于加工透镜1141和聚焦物镜1142之间。能量监控件116用于监测通过加工透镜1141的激光光束能量，保证加工效果。
71.示例性地，能量监控件116可以为功率计，功率计用于实时监控激光光束能量。
72.激光光束整形装置还包括第二调整件117，第二调整件117设于能量监控件116和聚焦物镜1142之间，第二调整件117用于连通或遮挡能量监控件116和聚焦物镜1142之间的光路。工控机118与能量监控件116和第二调整件117通讯连接，能够根据能量监控件116的检测结果，使第二调整件117连通或遮挡能量监控件116和聚焦物镜1142之间的光路。
73.示例性地，第二调整件117为光闸或翻转镜。能量监控件116用于实时监测用于加工前的激光光束能量值，直到满足所需要求的激光光束能量值后，打开第二调整件117，光束进入聚焦物镜1142，进行材料加工。
74.为了监测整形后光斑能量分布，在光束透镜108后依次设置空间滤波器109、可调光阑110、第二分光件111至监测透镜1151，ccd相机1152可监测经过监测透镜1151的激光光束能量分布。在本实施例中，激光光束的光路为：激光器101发出的激光光束依次经过扩束镜102、波片103、第一分光件104至空间光调制器106，空间光调制器106将激光光束整形为多个光斑；经空间光调制器106后的激光光束由第一反射镜107反射进入光束透镜108，然后依次经过空间滤波器109、可调光阑110至第二分光件111；首先，关闭第一调整件112，经第二分光件111分出的10％的光束经监测透镜1151成像入射到ccd相机1152中，获取每束光束的整形图像，再利用gs算法迭代操作不断优化全息图，直到生成的全息图符合要求，保存全息图，加载全息图到空间光调制器进行调制输出；然后，打开第一调整件112，使优化后的光束经过第二反射镜113、加工透镜1141，经过能量监控件116进行激光光束能量监测，直到满足所需要求的激光光束能量值后，打开第二调整件117，光束进入聚焦物镜1142并聚焦在待加工工件1的表面，开始加工。
75.为了方便理解，本实施例提供的激光光束整形装置，其中的工控机118通过程序设置统一控制激光器101、空间光调制器106、第一调整件112、ccd相机1152、能量监控件116、第二调整就件117、工作台2及其上的运动组件，工控机118可根据激光光束的实时参数相应调整各个元器件的状态，保证加工精度。该激光光束整形装置的工作过程如下：
76.按照如下的加工条件对材料进行开槽加工：波长：532nm；重复频率＜500khz；脉冲宽度：10ps；光斑直径：3mm；光场分布：高斯分布。
77.示例一：将各光学器件按图1所示放置光学平台进行光路搭建，调节光路准直。完成光路调节后，设定激光器的激光脉冲重复频率为500khz，经扩束镜102的两倍扩束后，φ6mm的高斯光束入射到空间光调制器106的液晶屏上。在空间光调制器106上加载对应全息图，接着，通过ccd相机1152监测整形光束的能量分布，获取每束光束的整形图像，再利用gs算法迭代操作不断优化全息图，直到生成的全息图符合要求，保存全息图，加载全息图到空间光调制器进行调制输出；经过空间光调制器106所加载优化后的全息图，将该光场通过4f系统无衍射地传播到聚焦物镜1142上方，最后，通过聚焦物镜1142将整形光斑作用于固定在工作台2上的待加工工件1，以实现激光开槽加工的双细线划切。
78.示例二：将各光学器件按图1所示放置光学平台进行光路搭建，调节光路准直。完成光路调节后，设定激光器的激光脉冲重复频率为250khz，经扩束镜102的两倍扩束后，φ6mm的高斯光束入射到空间光调制器106的液晶屏上。在空间光调制器106上加载对应全息图，接着，通过ccd相机1152监测整形光束的能量分布，获取每束光束的整形图像，再利用gs算法迭代操作不断优化全息图，直到生成的全息图符合要求，保存全息图，加载全息图到空间光调制器进行调制输出；经过空间光调制器106所加载优化后的全息图，将该光场通过4f系统无衍射地传播到聚焦物镜1142上方，此时高斯光束已整形为正方形平顶光斑，且其光斑大小在30um-150um范围内可调。最后，通过聚焦物镜1142将整形光斑作用于固定在工作台2上的待加工工件1，以实现宽光斑开槽加工。
79.本实施例提供的激光光束整形装置至少具有以下有益效果：
80.1)本实用新型的基于空间光调制器激光光束整形装置，在应用于激光开槽加工时，可以有效避免由于激光本身高斯分布所引起的分束不均性，实现提高宽光斑的均匀性与品质。
81.2)通过空间光调制器106所加载相位的变化，可以自由调节光斑的数量、形貌与分布，具有高度可调节性。
82.3)通过光束整形，可以一次性加工出高精度的宽光斑阵列，提高效率，同时避免由于机械结构所导致的宽光斑之间的定位误差。
83.4)通过工控机118控制全息图的自动切换，并且与激光的重复频率和工作平台的运动配合、实现高速高效、任意形态的激光加工。
84.5)通过能量监控件116实时监控激光光束能量，实现加工所需能量一致性，确保工艺效果满足加工需求。
85.本实施例还提供了一种激光加工设备，包括如上所述的激光光束整形装置。该激光加工设备通过应用上述激光光束整形装置，光路系统简单，便于控制，有利于提高设备利用率。
86.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。