一种激光分束加工方法及装置与流程
本发明涉及激光加工，具体涉及一种激光分束加工方法及装置。
背景技术：
1、如图5，现有技术公开了申请号为cn202111643750.7的一种激光分束加工设备，提供一种激光分束加工设备，涉及激光加工技术领域。激光分束加工设备包括激光器、衍射分束器和f-sinθ聚焦透镜组；衍射分束器接受激光器发射的激光光束，并分成多束子光束；f-sinθ聚焦透镜组接受多束子光束，对子光束进行聚焦，并控制子光束在焦平面上的位置；衍射分束器输出的各级子光束满足布拉格方程：2dsinθ＝mλ，f-sinθ聚焦透镜组满足成像关系：h＝f*sinθ，d为分束器周期常数，θ为入射光束角度，m为衍射光束级次，λ为激光波长，h为聚焦光斑位置；f为f-sinθ聚焦透镜组的焦距。该设备在配合电机进行加工的过程，实现精密多光束加工，保持各个子光束聚焦光斑之间的距离具有很好的精度。
2、上述专利中，衍射分束器为衍射光学元件和可编程的空间光调制器，间距调节模块包括固定倍率的透镜组、可变倍率的透镜组或可编程的空间光调制器中的任意一种。不足之处在于，衍射分束器输出的各子级光束满足布拉格方程：2dsinθ＝mλ，其周期d受限于衍射分束器的最小物理尺寸，导致光束的最大极限衍射角θ较小，在这个受限的衍射角内进行多光束分束，其光束间距随着分束数量的增加而变得更小，如果后续使用固定倍率的透镜组或者可变倍率的透镜组对光束间距进行调节，其调节范围受限，并且在成倍扩大光束间距的同时，各光束的光斑尺寸也会随之扩大，难以获得小尺寸光斑大小的大光束间距的多光束分布，这一点对于激光加工是不利的。
3、因此，本发明提出了一种激光分束加工方法及装置。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种激光分束加工方法及装置。本发明完成多光束分束的三个特征：1.多光束分束；2.多光束之间的间距较大；3.多光束中的每一个光束尺寸较小。
2、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
3、一种激光分束加工方法，包括如下步骤：激光从激光器1射出，经过扩束装置2进行光束扩束，在经过反射镜3照射到空间光调制器4，在空间光调制器4上加载全息图，该全息图将光束分成m×n阵列光束，经过聚光透镜5之后，在聚光透镜(5)的焦平面进行汇聚，可获得m×n的点阵，该点阵经过光束分光阵列模块6上的每个微分光镜进行反射或折射，其中光束分光阵列模块6上的每个微分光镜单独调节，这样即可将光束点阵在空间上进行分开，分开之后的光束分别经过准直透镜模块7中的透镜，对每个光束进行准直，经过准直之后的各光束再分别照射到反射镜阵列模块8中的反射镜，各光束经过反射镜反射后，以不同的角度分别进入到f-theta透镜9中，经过f-theta透镜9的汇聚后，将多光束分别汇聚在放置于样品加工台11上的待加工样品10。
4、经过所述空间光调制器4的光场调制，将光束分束成m×n的多光束阵列，再经过聚光透镜5的汇聚，再聚光透镜5的焦平面处生成m×n的点阵；由于每个微反射镜都是单独调的，所以该m×n多光束点阵分开任意角度，即可实现任意间距的多光束。
5、一种激光分束加工装置，包括依次设置的激光器1、扩束装置2、反射镜3、空间光调制器4、聚光透镜5、光束分光阵列模块6、准直透镜模块7、反射镜阵列模块8和f-theta透镜9。
6、所述空间光调制器4是液晶空间光调制器lcos、数字微镜器件dmd或衍射光学元件doe中的任意一种。此时，受限于空间光调制器的衍射极限角，多光束之间的间距较小。
7、所述光束分光阵列模块6包括:微反射镜(601)、微反射镜阵列基板602和微反射镜调节杆603；其中每个微反射镜601由两根微反射镜调节杆603进行单独调节，并通过两根反射镜调节杆603与微反射镜阵列基板602进行固定连接。
8、所述光束分光阵列模块6汇聚的m×n多光束点阵分别由每个微反射镜601单独调节每一束光的反射角，即可完成m×n多光束点阵在空间中进行分开。
9、经过所述微反射镜601反射的单光束，为了在进入f-theta透镜为准直光，需要在每束被微透镜阵列反射后的光路中加入单一透镜701，并且聚光透镜5到达微反射镜601的距离加上微反射镜601达到单一透镜701的距离，要等于聚光透镜5与单一透镜701的焦距之和。
10、所述聚光透镜(5)和单一透镜(701)即组成一个4f透镜组，在这个透镜组前后的光束直径，会根据聚光透镜5和单一透镜701的焦距的不同而不同，其入射到该4f透镜组前后的光束直径满足以下关系：
11、
12、由上式可知，当聚光透镜5和单一透镜701的焦距的不同，从单一透镜701之后的光束直径，出现：保持原先光束直径大小、光束直径缩小、光束直径扩大这三种可能。
13、各光束经过反射镜反射后，以不同的角度分别进入到f-theta透镜9中，经过f-theta透镜9的汇聚后，将多光束分别汇聚在放置于样品加工台11上的待加工样品10上，其上的间距满足：
14、dx＝f*θ
15、其中，dx为汇聚在样品上的焦点偏离透镜中心的距离，f为f-theta透镜9的焦距，θ为入射到f-theta透镜9的角度。
16、汇聚在待加工样品10上的光束半径大小满足以下公式：
17、
18、其中，λ为激光加工的波长，f为f-theta透镜9的焦距，win为入射到f-theta透镜9的光束半径，wout为汇聚在样品上的光束半径。
19、本发明有益效果如下：
20、本发明利用空间光调制器，在生成多焦点的同时，并通过创新性的设计微反射镜阵列，将多焦点阵列在空间中分开，解决了空间光调制器衍射角小，可生成的光束间距小的问题。并通过在每个焦点的路径上放置单一透镜，保证了在大间距多分束的同时，光束大小不会随着光束间距放大而变大的问题，并可灵活定制最后汇聚在待加工样品上的光束大小。
技术特征：
1.一种激光分束加工方法，其特征在于：包括如下步骤：激光从激光器(1)射出，经过扩束装置(2)进行光束扩束，在经过反射镜(3)照射到空间光调制器(4)，在空间光调制器(4)上加载全息图，该全息图将光束分成m×n阵列光束，经过聚光透镜(5)之后，在聚光透镜(5)的焦平面进行汇聚，可获得m×n的点阵，该点阵经过光束分光阵列模块(6)上的每个微分光镜进行反射或折射，其中光束分光阵列模块(6)上的每个微分光镜单独调节，这样即可将光束点阵在空间上进行分开，分开之后的光束分别经过准直透镜模块(7)中的透镜，对每个光束进行准直，经过准直之后的各光束再分别照射到反射镜阵列模块(8)中的反射镜，各光束经过反射镜反射后，以不同的角度分别进入到f-theta透镜(9)中，经过f-theta透镜(9)的汇聚后，将多光束分别汇聚在放置于样品加工台(11)上的待加工样品(10)。
2.根据权利要求1所述的激光分束加工方法，其特征在于经过所述空间光调制器(4)的光场调制，将光束分束成m×n的多光束阵列，再经过聚光透镜(5)的汇聚，再聚光透镜(5)的焦平面处生成m×n的点阵；由于每个微反射镜都是单独调的，所以该m×n多光束点阵分开任意角度，即可实现任意间距的多光束。
3.一种激光分束加工装置，其特征在于包括依次设置的激光器(1)、扩束装置(2)、反射镜(3)、空间光调制器(4)、聚光透镜(5)、光束分光阵列模块(6)、准直透镜模块(7)、反射镜阵列模块(8)和f-theta透镜(9)。
4.根据权利要求3所述的激光分束加工装置，其特征在于所述空间光调制器(4)是液晶空间光调制器(lcos)、数字微镜器件(dmd)或衍射光学元件(doe)中的任意一种。此时，受限于空间光调制器的衍射极限角，多光束之间的间距较小。
5.根据权利要求3所述的激光分束加工装置，其特征在于所述光束分光阵列模块(6)包括:微反射镜(601)、微反射镜阵列基板(602)和微反射镜调节杆(603)；其中每个微反射镜(601)由两根微反射镜调节杆(603)进行单独调节，并通过两根反射镜调节杆(603)与微反射镜阵列基板(602)进行固定连接。
6.根据权利要求3所述的激光分束加工装置，其特征在于所述光束分光阵列模块(6)汇聚的m×n多光束点阵分别由每个微反射镜(601)单独调节每一束光的反射角，即可完成m×n多光束点阵在空间中进行分开。
7.根据权利要求3所述的激光分束加工装置，其特征在于经过所述微反射镜(601)反射的单光束，为了在进入f-theta透镜为准直光，需要在每束被微透镜阵列反射后的光路中加入单一透镜(701)，并且聚光透镜(5)到达微反射镜(601)的距离加上微反射镜(601)达到单一透镜(701)的距离，要等于聚光透镜(5)与单一透镜(701)的焦距之和。
8.根据权利要求3所述的激光分束加工装置，其特征在于所述聚光透镜(5)和单一透镜(701)即组成一个4f透镜组，在这个透镜组前后的光束直径，会根据聚光透镜(5)和单一透镜(701)的焦距的不同而不同，其入射到该4f透镜组前后的光束直径满足以下关系：
9.根据权利要求3所述的激光分束加工装置，其特征在于各光束经过反射镜反射后，以不同的角度分别进入到f-theta透镜(9)中，经过f-theta透镜(9)的汇聚后，将多光束分别汇聚在放置于样品加工台(11)上的待加工样品(10)上，其上的间距满足：
10.根据权利要求9所述的激光分束加工装置，其特征在于汇聚在待加工样品(10)上的光束半径大小满足以下公式：
技术总结
本发明涉及一种激光分束加工装置，包括依次设置的激光器、扩束装置、反射镜、空间光调制器、聚光透镜、光束分光阵列模块、准直透镜模块、反射镜阵列模块和F‑Theta透镜。本发明的一种激光分束加工方法利用空间光调制器，在生成多焦点的同时，并通过创新性的设计微反射镜阵列，将多焦点阵列在空间中分开，解决了空间光调制器衍射角小，可生成的光束间距小的问题。并通过在每个焦点的路径上放置单一透镜，保证了在大间距多分束的同时，光束大小不会随着光束间距放大而变大的问题，并可灵活定制最后汇聚在待加工样品上的光束大小。
技术研发人员：李昆,龙震,孙言浓
受保护的技术使用者：剑芯光电（苏州）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23