激光加工方法及系统与流程

本申请涉及激光加工，具体而言，涉及一种激光加工方法及系统。

背景技术：

1、由于激光加工在超高精度、灵活性、及非接触加工特性对材料精密加工方面具有显著的优势，从而使得利用激光进行材料加工在整个产业的应用领域中越来越广泛。

2、激光加工的本质上是利用激光聚焦后的高能量密度作用于材料表面，使其融化或气化，从而形成一个烧蚀坑，然后再通过辅助的运动系统沿着预设的轨迹移动以形成加工形状。

3、在实际应用领域中，往往需要将激光束聚焦成小的焦点，以便获取精细的激光加工精度及加工质量。然而，激光器输出的高斯型强度分布的光束经过聚焦单元(如透镜、锥透镜、菲涅尔透镜、f-theta场镜、激光加工头等)聚焦后，会在聚焦单元的焦平面处形成具有环形旁瓣的强聚焦光斑。由于该强聚焦光斑也为高斯型强度分布，因此，在激光加工过程中，焦点光斑中心区域由于能量过高而在材料表面产生锥形的烧蚀坑；而焦点边缘区域以及环形旁瓣由于能量较低而难以用于材料去除，只能以热量的形式在材料中堆积，这不仅会造成激光能量的浪费，还会产生不利的热影响，如使材料氧化或融化，从而造成碳化或熔渣等不良影响。

4、现有技术中利用衍射光学元件(doe)、光束整形器、空间光调制器(slm)等对光束进行整形。整形后的光束经过聚焦后可以产生强度分布均匀的平顶光斑。该平顶光斑用于激光加工时可以有效的减小锥度和提高加工质量，然而焦点边缘区域以及环形旁瓣依旧存在，因此不可避免的存在一定的热影响。

5、针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、本申请实施例提供了一种激光加工方法及系统，以至少解决常规激光加工过程中聚焦光斑的环形旁瓣造成的激光能量浪费及热影响的技术问题。

2、根据本申请实施例的一个方面，提供了一种激光加工系统，包括沿光路依次布置的：完美涡旋光束产生系统，用于将高斯型强度分布的激光束转化为第一完美涡旋光束；成像系统，用于将所述第一完美涡旋光束以预设的缩放比例缩放产生光束直径远小于所述第一完美涡旋光束的第二完美涡旋光束，其中，所述第二完美涡旋光束落在加工平台上，用于加工待加工样品。

3、在一个示例中，所述完美涡旋光束产生系统包括沿光路依次布置的∶涡旋相位板，用于对所述激光束加载涡旋相位以形成拉盖尔高斯光束，其中，所述涡旋相位板携带的螺旋相位的拓扑核数等于预设值；贝塞尔光束产生器，用于聚焦所述拉盖尔高斯光束以生成贝塞尔高斯光束；第一聚焦透镜，用于以预设的焦距对所述贝塞尔高斯光束进行聚焦，以在所述第一聚焦透镜的焦平面处产生所述第一完美涡旋光束。

4、在一个示例中，所述贝塞尔光束产生器为：底角小于30°的锥透镜；或者加载了锥透镜相位的空间光调制器，其中，所述空间光调制器用于动态加载不同底角的锥透镜相位分布来调控所述激光束各点处的相位，以至少调节产生所述贝塞尔高斯光束的光斑大小和无衍射距离；或者衍射光学元件。

5、在一个示例中，所述成像系统包括沿光路依次布置的第二聚焦透镜和第三聚焦透镜，其中，所述第二聚焦透镜的前焦平面与所述第一完美涡旋光束所在平面重合，所述第二聚焦透镜的后焦平面与所述第三聚焦透镜的前焦平面重合；所述第三聚焦透镜的后焦平面落在所述加工平台；其中，所述缩放比例为所述第二聚焦透镜的聚焦与所述第三聚焦透镜的焦距的比值。

6、在一个示例中，所述成像系统中沿光路依次布置的第二聚焦透镜和第三聚焦透镜与所述完美涡旋光束产生系统中的所述涡旋相位板、所述贝塞尔光束产生器以及所述第一聚焦透镜的中心光轴重合。

7、在一个示例中，所述第一聚焦透镜、所述第二聚焦透镜和所述第三聚焦透镜的焦距小于1000mm，其中，通过组合不同焦距的所述第一聚焦透镜、所述第二聚焦透镜和所述第三聚焦透镜，能够产生不同大小的所述第一完美涡旋光束及所述第二完美涡旋光束。

8、在一个示例中，该激光加工系统还包括：沿着光路设置在所述激光器和所述完美涡旋光束产生系统之间的：扩束模块，用于将所述高斯型强度分布的激光束扩束至预设的尺寸；反射镜，用于改变扩束后的所述激光束的传播方向，使得所述激光束进入到所述完美涡旋光束产生系统。

9、在一个示例中，该激光加工系统还包括激光器，用于发射高斯型强度分布的所述激光束，其中，所述激光器的波长介于190nm和10600nm之间，功率大于1w。

10、在一个示例中，所述激光器为飞秒激光器、皮秒激光器、纳秒激光器、准连续激光器或连续激光器。

11、在一个示例中，该激光加工系统还包括运动控制系统，用于操纵所述加工平台沿着预定的轨迹相对所述第二完美涡旋光束运动，以在所述待加工样品上加工出所需结构。

12、根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种激光加工方法，包括：将高斯型强度分布的激光束转化为第一完美涡旋光束；将所述第一完美涡旋光束以预设的缩放比例缩放产生光束直径远小于所述第一完美涡旋光束的第二完美涡旋光束，其中，所述第二完美涡旋光束落在加工平台上，用于加工待加工样品。

13、在本申请实施例中，将高斯型强度分布的激光束转化为第一完美涡旋光束；将所述第一完美涡旋光束以预设的缩放比例缩放产生光束直径远小于所述第一完美涡旋光束的第二完美涡旋光束，其中，所述第二完美涡旋光束落在加工平台上，用于加工待加工样品，从而解决了常规激光加工过程中聚焦光斑的环形旁瓣造成的激光能量浪费及热影响的技术问题。

技术特征：

1.一种激光加工系统，其特征在于，包括沿光路依次布置的：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述完美涡旋光束产生系统包括沿光路依次布置的：

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述贝塞尔光束产生器为：

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述成像系统包括沿光路依次布置的第二聚焦透镜和第三聚焦透镜，其中，

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一聚焦透镜、所述第二聚焦透镜和所述第三聚焦透镜的焦距小于1000mm，其中，通过组合不同焦距的所述第一聚焦透镜、所述第二聚焦透镜和所述第三聚焦透镜，能够产生不同大小的所述第一完美涡旋光束及所述第二完美涡旋光束。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：沿着光路设置在激光器和所述完美涡旋光束产生系统之间的：

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括激光器，用于发射高斯型强度分布的所述激光束，其中，所述激光器的波长介于190nm和10600nm之间，功率大于1w。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述激光器为飞秒激光器、皮秒激光器、纳秒激光器、准连续激光器或连续激光器。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括运动控制系统，用于操纵所述加工平台沿着预定的轨迹相对所述第二完美涡旋光束运动，以在所述待加工样品上加工出所需结构。

10.一种激光加工方法，其特征在于，包括：

技术总结
本申请公开了一种激光加工方法及系统。其中，该系统包括：完美涡旋光束产生系统，用于将高斯型强度分布的激光束转化为第一完美涡旋光束；成像系统，用于将所述第一完美涡旋光束以预设的缩放比例缩放产生光束直径远小于所述第一完美涡旋光束的第二完美涡旋光束，其中，所述第二完美涡旋光束落在加工平台上，用于加工待加工样品。本申请解决了常规激光加工过程中聚焦光斑的环形旁瓣造成的激光能量浪费及热影响的技术问题，并能够用于小锥度甚至无锥度激光加工，从而有效提高激光加工质量及加工效率。

技术研发人员：王玉龙,乔磊,曾清宏,张波,张弛
受保护的技术使用者：深圳市单色科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13