CN114932307A - 可控生成多激光束的分光元件及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控生成多激光束的分光元件及其应用。所述分光元件的表面具有一圆形的工作区域，所述工作区域包括圆形的第一区域和环形的第二区域，所述第一区域与所述工作区域同几何中心设置，所述第二区域环绕所述第一区域设置，所述第二区域设置有多个透光孔，多个所述透光孔组合形成至少一个透光孔组，每一透光孔组所包含的多个透光孔均环绕所述第一区域设置。本发明公开了一种可控生成多激光束的分光元件的透光区域具有多层级结构和分布，不限于二层结构和分布；其中的透光孔的分布模式可采用中心不透光的设置、中心透光且偏心设置以及中心透光且同心的设置等，透光孔的形状包括圆形、多边形或弧形等。

Description

可控生成多激光束的分光元件及其应用

技术领域

本发明涉及一种平行激光束设计与应用方法，特别涉及可实现可控产生平行光束、光束形状灵活性大、高分辨率加工平行光束设计与应用方法，属于激光精密加工技术领域。

背景技术

目前，常规激光加工中的激光器产生的光束经透镜聚焦后，加工光斑尺寸可调范围窄，激光能量密度的调控一般取决于激光功率和光斑尺寸，可调形式有限；低功率下高速扫描加工存在困难，因为低功率下常规光斑尺寸对应的激光能量密度有限，如果达不到材料去除的烧蚀阈值，将无法完成材料加工；而脉宽较大时，高功率加工，激光能量密度可以达到材料的烧蚀阈值，但同时会引入热影响较大的问题。

因此，低功率高速扫描高效精密加工需要与加工对象烧蚀阈值匹配的激光能量密度，这对光斑尺寸的调控提出了技术要求；常规激光束用于材料去除时，较难控制加工分辨率，原因在于激光束聚焦束腰附近的一定空间范围都有材料加工能力，材料的激光加工分辨率不高。因此，提高激光束形成的光斑尺寸，改进激光能量密度的调控形式，提高材料加工分辨率，是促进激光精密加工的关键问题和技术需求。

激光加工材料时，功率密度达到材料烧蚀阈值时，材料将被烧蚀去除。激光束经透镜聚焦后在束腰处功率密度最大，但轴向一定范围内功率密度变化极小，从而存在一定空间范围的加工能量域，导致加工分辨率较低。

为提高加工分辨率，CN110091073A公开了一种多光束耦合激光加工系统及方法，提出了将光束耦合交叉来形成加工能量域，且指出所述第一激光束的功率密度小于待加工工件材料的烧蚀阈值，所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值，在此发明基础上，本发明提出了一种平行激光束分光设计方法、器件及其加工应用方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可控生成多激光束的分光元件及其应用，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例一方面提供了一种可产生平行光束的分光元件，所述分光元件的表面具有一圆形的工作区域，所述工作区域包括圆形的第一区域和环形的第二区域，所述第一区域与所述工作区域同几何中心设置，所述第二区域环绕所述第一区域设置，所述第二区域设置有多个透光孔，多个所述透光孔组合形成至少一个透光孔组，每一透光孔组所包含的多个透光孔均环绕所述第一区域设置。

本发明实施例一方面还提供了一种可产生平行光束的分光元件，所述分光元件的表面具有一圆形的工作区域，所述工作区域包括圆形的第一区域和环形的第二区域，所述第一区域与所述工作区域同几何中心设置，所述第二区域环绕所述第一区域设置，

所述第二区域设置有多个圆形的第二透光孔，多个所述第二透光孔组合形成至少一个第二透光孔组，每一第二透光孔组所包含的多个第二透光孔均环绕所述第一区域设置。

本发明实施例一方面还提供了一种用于实现激光加工的激光光源，包括：

激光器，至少用于提供第一激光束；

扩束器件，设置在所述第一激光束的光路上，并至少用于将所述第一激光束扩束形成直径扩大的第二激光束；

分光元件，设置在所述第二激光束的光路上，并至少用于将所述第二激光束分束形成多个平行的第三激光束，其中，所述分光元件为所述的分光元件。

本发明实施例一方面还提供了一种激光加工系统，包括：

所述的用于实现激光加工的激光光源，其至少用于提供多个平行的激光束；

聚焦透镜，设置在所述多个平行的激光束的光路上，其中，多个平行的激光束可被控制地在经所述聚焦透镜聚焦后交叉重叠，并在交叉重叠区域形成加工能量域，所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。

本发明实施例一方面还提供了一种激光加工方法，包括：提供所述的激光加工系统，使多个平行的激光束垂直或倾斜入射于聚焦透镜，且使多个平行的激光束穿过所述聚焦透镜后交叉重叠，并在交叉重叠区域形成加工能量域；

将待加工工件的局部置于所述加工能量域内，进而实现对所述待加工工件的加工处理；其中，任一单一的激光束的功率密度小于待加工工件材料的烧蚀阈值，所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。

与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明实施例提供的一种可控生成多激光束的分光元件，结构简单，加工和使用方便；以及，本发明实施例提供的一种可控生成多激光束的分光元件，通过中心同轴大通量比和圆周阵列透光的设计，可以对激光光束进行分光处理，进而可以调控聚焦光斑的尺寸，提高激光的功率密度，改善加工效果，最终实现对工件的高分辨率加工，具有调控灵活、可控性高、加工效果好等优点。

附图说明

图1a、图1b是本发明实施例1中提供的一种分光元件的结构示意图；

图2a、图2b是本发明实施例2中提供的一种分光元件的结构示意图；

图3a、图3b是本发明实施例3中提供的一种分光元件的结构示意图；

图4a、图4b是本发明实施例4中提供的一种分光元件的结构示意图；

图5a、图5b是本发明实施例5中提供的一种分光元件的结构示意图；

图6a、图6b是本发明实施例6中提供的一种分光元件的结构示意图；

图7a、图7b是本发明实施例7中提供的一种分光元件的结构示意图；

图8a、图8b是本发明实施例8中提供的一种分光元件的结构示意图；

图9a、图9b是本发明实施例9中提供的一种分光元件的结构示意图；

图10a、图10b是本发明实施例10中提供的一种分光元件的结构示意图；

图11是本发明实施例11中提供的一种分光元件的结构示意图；

图12是本发明实施例12中提供的一种分光元件的结构示意图；

图13是本发明实施例13中提供的一种分光元件的结构示意图；

图14是本发明实施例14中提供的一种分光元件的结构示意图；

图15是本发明实施例15中提供的一种分光元件的结构示意图；

图16是本发明实施例16中提供的一种分光元件的结构示意图；

图17是本发明实施例17中提供的一种分光元件的结构示意图；

图18是本发明实施例18中提供的一种分光元件的结构示意图；

图19是本发明实施例19中提供的一种分光元件的结构示意图；

图20是本发明一典型是实施案例中提供的一种激光束扩束的示意图；

图21a、图21b、图21c、图21d是本发明一典型是实施案例中提供的扩束后的激光束通过各类分光元件后形成的多激光束的示意图；

图22是本发明一典型是实施案例中提供的通过分光元件可控生成的多激光束经过透镜的聚焦示意图；

图23是本发明一典型是实施案例中提供的通过分光元件可控生成的多激光束经过透镜聚焦后的刻线加工效果。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

从几何学设计的角度，分光元件的设计原则之一是：在有限面积内，提高透光面积比有利于提高激光能量利用率，实现更大的聚焦激光能量密度，其中，透光面积比(Lighttransmission area ratio)＝透光面积(几部分之和)/整个分光片的表面积x100％。

需要说明的是，本发明实施例中所述的几何中心为圆形图形或结构的圆心、正多边形图形或结构中多条对角线的交点。

本发明实施例一方面提供了一种可产生平行光束的分光元件，用于将至少一束激光束分束形成多个平行的激光束，其特征在于：所述分光元件的表面具有一圆形的工作区域，所述工作区域包括圆形的第一区域和环形的第二区域，所述第一区域与所述工作区域同几何中心设置，所述第二区域环绕所述第一区域设置，所述第二区域设置有多个透光孔，多个所述透光孔组合形成至少一个透光孔组，每一透光孔组所包含的多个透光孔均环绕所述第一区域设置。

在一些具体的实施方案中，同一所述透光孔组所包含的多个透光孔的几何中心位于同一圆周上，所述圆周与所述工作区域的几何中心重合，

或者，所述圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向和/或Y轴方向相偏离；所述圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向上的偏离距离为X1≤(D-A-d)/2且大于0，所述圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于Y轴方向上的偏离距离为Y1≤(D-A-d)/2且大于0，

其中，D为分光元件的直径；A为透光孔的几何中心至第一区域几何中心的距离的2倍；d为第一区域的直径。

在一些具体的实施方案中，多个所述透光孔组合形成多个透光孔组，多个所述透光孔组沿所述第二区域的径向方向依次间隔设置。

在一些具体的实施方案中，同一所述透光孔组所包含的多个透光孔的面积、形状相同或不同。

在一些具体的实施方案中，所述第一区域为不透光的区域，或者，所述第一区域还设置有至少一个透光孔，位于所述第一区域的透光孔的几何中心位于所述第一区域的几何中心重合。

在一些具体的实施方案中，所述透光孔的形状包括圆形、多边形或弧形。

本发明实施例一方面还提供了一种可产生平行光束的分光元件，所述分光元件的表面具有一圆形的工作区域，所述工作区域包括圆形的第一区域和环形的第二区域，所述第一区域与所述工作区域的几何中心重合，所述第二区域环绕所述第一区域设置，

所述第二区域设置有多个第二透光孔和/或多个第三透光孔，多个所述第二透光孔组合形成至少一个第二透光孔组，每一第二透光孔组所包含的多个第二透光孔均环绕所述第一区域设置，多个所述第三透光孔组合形成至少一个第三透光孔组，每一第三透光孔组所包含的多个第三透光孔均环绕所述第一区域设置，所述第二透光孔组和第三透光孔组沿所述工作区域的径向方向依次设置。

在一些具体的实施方案中，同一所述第二透光孔组所包含的多个第二透光孔的几何中心位于同一第二圆周上，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心重合，

或者，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向和/或Y轴方向相偏离，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向上的偏离距离为X2≤(D-A-d)/2，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于Y轴方向上的偏离距离为Y2≤(D-A-d)/2；

其中，D为分光元件的直径；A为第二透光孔的几何中心至第一区域几何中心的距离的2倍；d为第一区域的直径。

在一些具体的实施方案中，每一所述第二透光孔组所包含的多个第二透光孔的形状尺寸相同，或者，每一所述第二透光孔组所包含的多个第二透光孔的直径不同，多个所述第二透光孔的直径于所在第二圆周方向呈等差数列变化。

在一些具体的实施方案中，所述第二透光孔的形状包括圆形、多边形，尤其是圆形和正多边形。

在一些具体的实施方案中，同一所述第三透光孔组所包含的多个第三透光孔的几何中心位于同一第三圆周上，所述第三圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心重合，或者，所述第三圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向和/或Y轴方向相偏离。

在一些具体的实施方案中，所述第三透光孔包括弧形孔，所述第三透光孔具有沿所述工作区域的径向方向依次设置的第一弧形轮廓和第二弧形轮廓，同一第三透光孔组所包含的多个第三透光孔的多个第一弧形轮廓和/或多个第二弧形轮廓位于同一圆周上，所述圆周与所述第三圆周的几何中心同心设置；

所述第三圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向上的偏离距离为X3＝D/2-R，所述第三圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于Y轴方向上的偏离距离为Y3＝D/2-R，其中，D是分光元件直径，R是第三透光孔的第二弧形轮廓所在圆周的半径。

在一些具体的实施方案中，每一所述第三透光孔组所包含的多个第三透光孔的形状尺寸相同。

在一些具体的实施方案中，所述第三透光孔组与第二透光孔组于所述工作区域的径向方向依次间隔交替设置。

在一些具体的实施方案中，所述分光元件为镜像对称结构。

在一些具体的实施方案中，所述第一区域能够阻止光通过，或者，所述第一区域还设置有第一透光孔，所述第一透光孔的几何中心与所述工作区域的几何中心重合。

在一些具体的实施方案中，所述第一透光孔的形状包括圆形、多边形，尤其是圆形和正多边形。

在一些具体的实施方案中，所述分光元件为圆形构件，所述工作区域的直径与所述分光元件的直径相等。

本发明实施例一方面还提供了一种用于实现激光加工的激光光源，包括：

激光器，至少用于提供第一激光束；

扩束器件，设置在所述第一激光束的光路上，并至少用于将所述第一激光束扩束形成直径扩大的第二激光束；

分光元件，设置在所述第二激光束的光路上，并至少用于将所述第二激光束分束形成多个平行的第三激光束，其中，所述分光元件为所述的分光元件。

本发明实施例一方面还提供了一种激光加工系统，包括：

所述的用于实现激光加工的激光光源，其至少用于提供多个平行的激光束；

聚焦透镜，设置在所述多个平行的激光束的光路上，其中，多个平行的激光束可被控制地在经所述聚焦透镜聚焦后交叉重叠，并在交叉重叠区域形成加工能量域，所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。

本发明实施例一方面还提供了一种激光加工方法，包括：提供所述的激光加工系统，使多个平行的激光束垂直或倾斜入射于聚焦透镜，且使多个平行的激光束穿过所述聚焦透镜后交叉重叠，并在交叉重叠区域形成加工能量域；

将待加工工件的局部置于所述加工能量域内，进而实现对所述待加工工件的加工处理；其中，任一单一的激光束的功率密度小于待加工工件材料的烧蚀阈值，所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。

本发明公开的一种可控生成多激光束的分光元件的透光区域具有多层级结构和分布，不限于二层结构和分布；其中的透光孔的分布模式可采用中心不透光的设置、中心透光且偏心设置以及中心透光且同心的设置等，透光孔的形状包括圆形、多边形或弧形等。

如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中所采用的分光元件的材质可以是本领域技术人员已知，其中所采用的激光器、扩束器件、聚焦透镜等均可以通过市购获得，在此不对其具体的结构进行限定。

实施例1

请参阅图1a和图1b，一种可产生平行光束的分光元件100，所述分光元件100为圆形，所述分光元件100的圆形表面整体作为工作区域，所述工作区域包括第一区域和第二区域，所述第一区域位于工作区域的中心区域，即与工作区域同心设置，所述第二区域环绕第一区域设置，所述第一区域不透光，所述分光元件100的表面的第二区域设置有四个圆形的第二透光孔120，四个第二透光孔120的圆心位于同一圆周上且等间距设置，所述圆周与所述分光元件(工作区域)同圆心设置，其中，所述第二透光孔120的直径与所述分光元件100直径之比为6；25，所述四个第二透光孔120的圆心所在圆周的直径与分光元件100的直径之比为10∶25。

实施例2

请参阅图2a和图2b，一种可产生平行光束的分光元件100，所述分光元件100为圆形，所述分光元件100的圆形表面整体作为工作区域，所述工作区域包括第一区域和第二区域，所述第一区域位于工作区域的中心区域，即与工作区域同心设置，所述第二区域环绕第一区域设置，所述第一区域设置有一个圆形的第一透光孔110，所述第二区域设置有六个圆形的第二透光孔120，六个第二透光孔120的圆心位于同一圆周上且等间距设置，所述圆周与所述分光元件(工作区域)同圆心设置，其中，所述第一透光孔110的直径与第二透光孔120的直径相同，所述第一透光孔110或第二透光孔120的直径与分光元件100的直径之比为5∶25，六个所述第二透光孔120的圆心所在圆周的直径与分光元件100的直径之比为11∶25。

实施例3

请参阅图3a和图3b，一种可产生平行光束的分光元件100，所述分光元件100为圆形，所述分光元件100的圆形表面整体作为工作区域，所述工作区域包括第一区域和第二区域，所述第一区域位于工作区域的中心区域，即与工作区域同心设置，所述第二区域环绕第一区域设置，所述第一区域设置有一个圆形的第一透光孔110，所述第二区域设置有八个圆形的第二透光孔120，八个第二透光孔120的圆心位于同一圆周上且等间距设置，所述圆周与所述分光元件(工作区域)同圆心设置，其中，所述第一透光孔110的直径、第二透光孔120的直径与分光元件100的直径之比为7∶4∶25，八个所述第二透光孔120的圆心所在圆周的直径与分光元件100的直径之比为12∶25。

实施例4

请参阅图4a和图4b，一种可产生平行光束的分光元件100，所述分光元件100为圆形，所述分光元件100的圆形表面整体作为工作区域，所述工作区域包括第一区域和第二区域，所述第一区域位于工作区域的中心区域，即与工作区域同心设置，所述第二区域环绕第一区域设置，所述第一区域设置有一个圆形的第一透光孔110，所述第二区域设置有十二个圆形的第二透光孔120，十二个第二透光孔120的圆心位于同一圆周上且等间距设置，所述圆周与所述分光元件(工作区域)同圆心设置，其中，所述第一透光孔110的直径、第二透光孔120的直径与分光元件100的直径之比为9∶3∶25，十二个所述第二透光孔120的圆心所在圆周的直径与分光元件100的直径之比为13∶25。

实施例5

请参阅图5a和图5b，一种可产生平行光束的分光元件100，所述分光元件100为圆形，所述分光元件100的圆形表面整体作为工作区域，所述工作区域包括第一区域和第二区域，所述第一区域位于工作区域的中心区域，即与工作区域同心设置，所述第二区域环绕第一区域设置，所述第一区域设置有一个圆形的第一透光孔110，所述第二区域设置有一组第二透光孔组和一组第三透光孔组，所述第三透光孔组和第二透光孔组在所述分光元件(工作区域)的径向方向上沿远离第一区域的方向依次间隔设置；

所述第三透光孔组包括间隔设置在第三圆周上的两个弧形的第三透光孔130，所述第三透光孔130具有沿分光元件(工作区域)的径向方向相对设置的第一弧形轮廓131和第二弧形轮廓132，所述第一弧形轮廓131位于靠近第一区域的一侧，所述第一弧形轮廓131和第二弧形轮廓132均为圆弧形轮廓，两个所述第三透光孔130的两个第一弧形轮廓131位于第四圆周上，两个所述第三透光孔130的两个第二弧形轮廓132分别位于四五圆周上，所述第四圆周、第五圆周均与所述分光元件(工作区域)同圆心设置；

所述第二透光孔组包括沿分光元件(工作区域)的周向方向依次等间距设置的十二个圆形的第二透光孔120，十二个第二透光孔120的圆心位于第二圆周上，所述第二圆、第三圆周均与所述分光元件(工作区域)同圆心设置，

其中，所述第一透光孔110的直径、第二透光孔120的直径与分光元件100的直径之比为5∶3∶25，所述第二圆周、第四圆周、第五圆周的直径与分光元件100的直径之比为13∶3.5∶4.5∶25。

实施例6

请参阅图6a和图6b，一种可产生平行光束的分光元件100，所述分光元件100为圆形，所述分光元件100的圆形表面整体作为工作区域，所述工作区域包括第一区域和第二区域，所述第一区域位于工作区域的中心区域，即与工作区域同心设置，所述第二区域环绕第一区域设置，所述第一区域设置有一个圆形的第一透光孔110，所述第二区域设置有一组第二透光孔组和两组第三透光孔组，第一组第三透光孔组、第二透光孔组、第二组第三透光组在所述分光元件(工作区域)的径向方向上沿远离第一区域的方向依次间隔设置；

每一所述第三透光孔组包括间隔设置在第三圆周上的两个弧形的第三透光孔130，所述第三透光孔130具有沿分光元件(工作区域)的径向方向相对设置的第一弧形轮廓131和第二弧形轮廓132，所述第一弧形轮廓131位于靠近第一区域的一侧，所述第一弧形轮廓131和第二弧形轮廓132均为圆弧形轮廓，两个所述第三透光孔130的两个第一弧形轮廓131、两个第二弧形轮廓132分别位于一圆周上，例如，第一组第三透光孔组的两个所述第三透光孔130的两个第一弧形轮廓131位于第四圆周上，第一组第三透光孔组的两个所述第三透光孔130的两个第二弧形轮廓132位于第五圆周上，第二组第三透光孔组的两个所述第三透光孔130的两个第一弧形轮廓131位于第六圆周上，第二组第三透光孔组的两个所述第三透光孔130的两个第二弧形轮廓132位于第七圆周上，所述第四圆周、第五圆周、第六圆周、第七圆周均与所述分光元件(工作区域)同圆心设置；

所述第二透光孔组包括沿分光元件(工作区域)的周向方向依次等间距设置的八个圆形的第二透光孔120，八个第二透光孔120的圆心位于第二圆周上，所述第二圆周与所述分光元件(工作区域)同圆心设置，

其中，所述第一透光孔110的直径、第二透光孔120的直径与分光元件100的直径之比为3∶3∶25，所述第二圆周、第四圆周、第五圆周、第六圆周、第七圆周的直径与分光元件100的直径之比为10∶4∶6∶14∶16∶25。

实施例7

请参阅图7a和图7b，一种可产生平行光束的分光元件100，所述分光元件100为圆形，所述分光元件100的圆形表面整体作为工作区域，所述工作区域包括第一区域和第二区域，所述第一区域位于工作区域的中心区域，即与工作区域同心设置，所述第二区域环绕第一区域设置，所述第一区域不透光，所述第二区域设置有两组第二透光孔组和两组第三透光孔组，第一组第二透光孔组、第一组第三透光孔组、第二组第二透光孔组、第二组第三透光组在所述分光元件(工作区域)的径向方向上沿远离第一区域的方向依次间隔设置；

每一所述第三透光孔组包括间隔设置在第三圆周上的两个弧形的第三透光孔130，所述第三透光孔130具有沿分光元件(工作区域)的径向方向相对设置的第一弧形轮廓131和第二弧形轮廓132，所述第一弧形轮廓131位于靠近第一区域的一侧，所述第一弧形轮廓131和第二弧形轮廓132均为圆弧形轮廓，两个所述第三透光孔130的两个第一弧形轮廓131、两个第二弧形轮廓132分别位于一圆周上，例如，第一组第三透光孔组的两个所述第三透光孔130的两个第一弧形轮廓131位于第四圆周上，第一组第三透光孔组的两个所述第三透光孔130的两个第二弧形轮廓132位于第五圆周上，第二组第三透光孔组的两个所述第三透光孔130的两个第一弧形轮廓131位于第六圆周上，第二组第三透光孔组的两个所述第三透光孔130的两个第二弧形轮廓132位于第七圆周上，所述第四圆周、第五圆周、第六圆周、第七圆周均与所述分光元件(工作区域)同圆心设置；

第一组第二透光孔组包括沿分光元件(工作区域)的周向方向依次等间距设置的四个圆形的第二透光孔120，第二组第二透光孔组包括沿分光元件(工作区域)的周向方向依次间隔设置的十五个圆形的第二透光孔120，每一组第二透光孔组包含的多个第二透光孔均位于与分光元件同心设置的圆周上，例如，第一组第二透光孔组的四个圆形的第二透光孔120的圆心位于第二圆周上，第二组第二透光孔组的十五个圆形的第二透光孔120的圆心位于第八圆周上，所述第二圆周、第八圆周与所述分光元件(工作区域)同圆心设置，

其中，两组第二透光孔组所包含的第二透光孔的形状、直径均相同，所述第二透光孔120的直径与分光元件100的直径之比为2∶25，所述第二圆周、第四圆周、第五圆周、第八圆周、第六圆周、第七圆周的直径与分光元件100的直径之比为3∶8∶8∶11∶12∶16∶25。

实施例8

请参阅图8a和图8b，一种可产生平行光束的分光元件100，所述分光元件100为圆形，所述分光元件100的圆形表面整体作为工作区域，所述工作区域包括第一区域和第二区域，所述第一区域位于工作区域的中心区域，即与工作区域同心设置，所述第二区域环绕第一区域设置；

所述第一区域设置有一个圆形的第一透光孔110，所述第二区域设置有一组第三透光孔组，所述第三透光孔组包括沿分光元件100的周向方向依次间隔设置的多个第三透光孔130，所述第三透光孔130为扇形孔，所述第三透光孔130具有沿分光元件(工作区域)的径向方向相对设置的第一弧形轮廓131和第二弧形轮廓132，所述第一弧形轮廓131位于靠近第一区域的一侧，所述第一弧形轮廓131和第二弧形轮廓132均为圆弧形轮廓，两个所述第三透光孔130的两个第一弧形轮廓131位于第四圆周H1上，两个第二弧形轮廓132位于第五圆周H2上，且该第四圆周H1、第五圆周H2与第一透光孔110、分光元件100同心设置，图中α为一个第三透光孔130对应的圆心角，L为相邻两个第三透光孔之间的间距。

实施例9

请参阅图9a和图9b，本实施例中的一种可产生平行光束的分光元件100的结构与实施例8中的结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的第三透光孔130为类似月牙形的弧形透光孔，多个第三透光孔130的多条第一弧形轮廓131位于与第一透光孔110、分光元件100同心设置的第四圆周H1上，图中的α为两个第三透光孔130的中心线之间部分对应的圆心角。

实施例10

请参阅图10a和图10b，本实施例中的一种可产生平行光束的分光元件100的结构与实施例9中的结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的第三透光孔130为类似月牙形的弧形透光孔，多个第三透光孔130的多条第一弧形轮廓132位于与第一透光孔110、分光元件100同心设置的第五圆周H2上。

实施例11

请参阅图11，本实施例中的一种可产生平行光束的分光元件100的结构与实施例2中的结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的第一透光孔110和第二透光孔120均为正六边形结构。

实施例12

请参阅图11，本实施例中的一种可产生平行光束的分光元件100的结构与实施例2中的结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的第二透光孔120为正六边形结构。

实施例13

请参阅图13，本实施例中的一种可产生平行光束的分光元件100的结构与实施例2中的结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的第二透光孔120均为正方形结构。

实施例14

请参阅图14，本实施例中的一种可产生平行光束的分光元件100的结构与实施例2中的结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的第一透光孔110和第二透光孔120均为正三角形结构。

实施例15

请参阅图15，本实施例中的一种可产生平行光束的分光元件100的结构与实施例4中的结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的第一区域是不透光的。

实施例16

请参阅图16，本实施例中的一种可产生平行光束的分光元件100的结构与实施例10中的结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的第一区域是不透光的。

实施例17

请参阅图17，本实施例中的一种可产生平行光束的分光元件100的结构与实施例3中的结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的第一区域是不透光的，本实施例中的多个第二透光孔120的圆心所在的第二圆周与分光元件100是偏心设置的，并且，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向、Y轴方向相偏离，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向上的偏离距离为X2≤(D-A-d)/2，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于Y轴方向上的偏离距离为Y2≤(D-A-d)/2；其中，D为分光元件的直径；A为第二透光孔的几何中心至第一区域几何中心的距离的2倍；d为第一区域的直径。

实施例18

请参阅图18，本实施例中的一种可产生平行光束的分光元件100的结构与实施例17中的结构基本相同，不同之处在于：本实施例中第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向、Y轴方向相偏离，且偏离距离不同。

实施例19

请参阅图19，本实施例中的一种可产生平行光束的分光元件100的结构与实施例17中的结构基本相同，不同之处在于：本实施例中第二透光孔的数量和孔径不同。

本发明实施例提供的一种用于产生平行光束的方法，包括：

在具有一定厚度和直径的圆形薄片的平面内加工出若干按一定规则排布的第二透光孔，第二透光孔的分布方式可以包括但不限于：第二透光孔的几何中心构成一个圆，该圆与圆形薄片为同心圆；同时，可在该圆形薄片器件的中心位置设计制造出一个第一透光孔；

或者，圆形薄片的中心位置也可不设计加工出第一透光孔，保持隔光效果；

或者，在圆形薄片上设置直径大小不同的第二透光孔，第二透光孔的直径为d0到dn，第二透光孔的几何中心构成一个圆，且与圆形薄片的几何中心重合；

或者，在圆形薄片上设置直径大小不同的第二透光孔，第二透光孔直径为d0到dn，第二透光孔的几何中心构成一个圆，且与圆形薄片的几何中心处于偏离状态，沿两条垂直直径方向的偏离分别为X、Y；

或者，在圆形薄片上设置尺寸大小不同的透光孔，透光孔的形状可以是如三角形、正方形、棱形、长方形、平行四边形、多边形、直线与曲线组合的结构等；进一步，将透光孔按一定规律排布，形成光束透过的区域；圆形薄片的几何中心处也可设计制造出不同的形状尺寸以透光形成光束或将圆形薄片的几何中心处保持为隔光状态。

分光元件100在本实施例中，所述分光元件100的透光面积比可以为：

其中，d₁为第二透光孔的直径、n为第二透光孔数量，d₂为第一透光孔的直径。

从能量利用率的角度设计，结合高斯光束能量分布特点，可知光束中心区域激光能量最强，沿径向递减，分光元件100中心透光区域(即第一透光孔110，下同)的设计尺寸直接影响透光后的激光能量，通过增大中心透光区域的尺寸，可明显提高光束中心区的能量利用率；同时，在第一区域的外围按圆周分布的第二透光孔和/或第三透光孔形成光束阵列或光束环带可实现光束不同形式的耦合效果。

请参阅图20-图22，一种可产生平行光束的器件与加工应用方法，其包括：

将激光器光源发射的激光经扩束镜放大，经过设计的分光元器件后，形成若干束平行光束；进而，平行光束进一步垂直入射于聚焦透镜形成聚焦的光斑，通过调控激光参数，实现该光斑与材料的相互作用；或者平行光束倾斜入射于聚焦透镜，形成聚焦的光斑，通过调控激光参数，实现该光斑与材料的相互作用，通过分光元件可控生成的多激光束经过透镜聚焦后的刻线加工效果如图23所示。

经过扩束-分光-聚焦的激光光斑在激光功率4W，重复频率10kHz，扫描速度3000mm/min的工艺参数下在不锈钢表面划出宽度40μm左右的槽，较传统方式将激光直接聚焦于工件表面加工而言，形成的光斑的直径更小，激光能量密度更高，加工效果更好。

本发明提出中心同轴大通量比和圆周阵列透光设计方法，通过一种平行激光束分光设计及其应用，可以对激光光束进行分光处理，调控聚焦光斑尺寸，提高激光功率密度，改善加工效果，实现高分辨率加工，具有调控灵活、可控性高、加工效果好等优点。

经过测试发现，若采用中心不透光的分光元件时，如果圆周阵列的第二透光孔的直径过小，且圆周阵列的角度间距过大，则分光元件的透光面积比过小，能量利用率过低，且存在难以达到材料损伤阈值的情况，不利于激光加工；采用中心不透光的分光元件时，可将外圆周阵列分布的第二透光孔直径增大，保证分光元件的透光面积比，以此提高激光光束的能量利用率；采用中心透光且与圆周阵列的第二透光孔所在圆周同心设置时，中心第一透光孔的面积越大，激光能量利用率越高，聚焦后的加工区域激光能量密度越高，且易控制聚焦后的光束位姿与加工表面的相对位置关系，适用于高能量密度微尺度加工；采用中心透光且与圆周阵列的第二透光孔所在圆周偏心设置时，聚焦后的耦合激光束的位姿相对加工表面会存在一定的角度关系，结合振镜摆动、机械运动等控制，可用于某些典型场合，比如消锥度加工、反锥度加工等；透光面积比的确定需结合激光光源的能量特点、耦合光束的应用场合、加工对象/材料的性能等因素，综合考虑，择优进行技术实践。

需要说明的是，本发明实施例中的分光元件的第一区域的直径、第二透光孔的直径、第三透光孔的结构/尺寸、第二透光孔几何中心所在圆周和第一区域的几何中心在XY上的偏移距离等参数之间的具体关系可结合不同的应用场景灵活调控优化。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可产生平行光束的分光元件，用于将至少一束激光束分束形成多个平行的激光束，其特征在于：所述分光元件的表面具有一圆形的工作区域，所述工作区域包括圆形的第一区域和环形的第二区域，所述第一区域与所述工作区域同几何中心设置，所述第二区域环绕所述第一区域设置，所述第二区域设置有多个透光孔，多个所述透光孔组合形成至少一个透光孔组，每一透光孔组所包含的多个透光孔均环绕所述第一区域设置。

2.根据权利要求1所述的分光元件，其特征在于：同一所述透光孔组所包含的多个透光孔的几何中心位于同一圆周上，所述圆周与所述工作区域的几何中心重合，

或者，所述圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向和/或Y轴方向相偏离；所述圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向上的偏离距离为X1≤(D-A-d)/2且大于0，所述圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于Y轴方向上的偏离距离为Y1≤(D-A-d)/2且大于0，

其中，D为分光元件的直径；A为透光孔的几何中心至第一区域几何中心的距离的2倍；d为第一区域的直径；

和/或，多个所述透光孔组合形成多个透光孔组，多个所述透光孔组沿所述第二区域的径向方向依次间隔设置；

优选的，同一所述透光孔组所包含的多个透光孔的面积、形状相同或不同；

优选的，所述第一区域为不透光的区域，或者，所述第一区域还设置有至少一个透光孔，位于所述第一区域的透光孔的几何中心位于所述第一区域的几何中心重合；

优选的，所述透光孔的形状包括圆形、多边形或弧形。

3.一种可产生平行光束的分光元件，其特征在于：所述分光元件的表面具有一圆形的工作区域，所述工作区域包括圆形的第一区域和环形的第二区域，所述第一区域与所述工作区域的几何中心重合，所述第二区域环绕所述第一区域设置，

所述第二区域设置有多个第二透光孔和/或多个第三透光孔，多个所述第二透光孔组合形成至少一个第二透光孔组，每一第二透光孔组所包含的多个第二透光孔均环绕所述第一区域设置，多个所述第三透光孔组合形成至少一个第三透光孔组，每一第三透光孔组所包含的多个第三透光孔均环绕所述第一区域设置，所述第二透光孔组和第三透光孔组沿所述工作区域的径向方向依次设置。

4.根据权利要求3所述的分光元件，其特征在于：同一所述第二透光孔组所包含的多个第二透光孔的几何中心位于同一第二圆周上，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心重合，

或者，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向和/或Y轴方向相偏离，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向上的偏离距离为X2≤(D-A-d)/2，所述第二圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于Y轴方向上的偏离距离为Y2≤(D-A-d)/2；

其中，D为分光元件的直径；A为第二透光孔的几何中心至第一区域几何中心的距离的2倍；d为第一区域的直径；

优选的，每一所述第二透光孔组所包含的多个第二透光孔的形状尺寸相同，或者，每一所述第二透光孔组所包含的多个第二透光孔的直径不同，多个所述第二透光孔的直径于所在第二圆周方向呈等差数列变化；

优选的，所述第二透光孔的形状包括圆形、多边形。

5.根据权利要求3所述的分光元件，其特征在于：同一所述第三透光孔组所包含的多个第三透光孔的几何中心位于同一第三圆周上，所述第三圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心重合，或者，所述第三圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向和/或Y轴方向相偏离。

6.根据权利要求5所述的分光元件，其特征在于：所述第三透光孔包括弧形孔，所述第三透光孔具有沿所述工作区域的径向方向依次设置的第一弧形轮廓和第二弧形轮廓，同一第三透光孔组所包含的多个第三透光孔的多个第一弧形轮廓和/或多个第二弧形轮廓位于同一圆周上，所述圆周与所述第三圆周的几何中心同心设置；

优选的，所述第三圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于X轴方向上的偏离距离为X3＝D/2-R，所述第三圆周的几何中心与所述工作区域的几何中心于Y轴方向上的偏离距离为Y3＝D/2-R，其中，D是分光元件直径，R是第三透光孔的第二弧形轮廓所在圆周的半径；

优选的，每一所述第三透光孔组所包含的多个第三透光孔的形状尺寸相同；

优选的，所述第三透光孔组与第二透光孔组于所述工作区域的径向方向依次间隔交替设置。

7.根据权利要求3所述的分光元件，其特征在于：所述第一区域能够阻止光通过，或者，所述第一区域还设置有第一透光孔，所述第一透光孔的几何中心与所述工作区域的几何中心重合；

优选的，所述第一透光孔的形状包括圆形、多边形；

优选的，所述分光元件为圆形构件，所述工作区域的直径与所述分光元件的直径相等。

8.一种用于实现激光加工的激光光源，其特征在于包括：

激光器，至少用于提供第一激光束；

扩束器件，设置在所述第一激光束的光路上，并至少用于将所述第一激光束扩束形成直径扩大的第二激光束；

分光元件，设置在所述第二激光束的光路上，并至少用于将所述第二激光束分束形成多个平行的第三激光束，其中，所述分光元件为权利要求1-7中任一项所述的分光元件。

9.一种激光加工系统，其特征在于包括：

权利要求8所述的用于实现激光加工的激光光源，其至少用于提供多个平行的激光束；

聚焦透镜，设置在所述多个平行的激光束的光路上，其中，多个平行的激光束可被控制地在经所述聚焦透镜聚焦后交叉重叠，并在交叉重叠区域形成加工能量域，所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。

10.一种激光加工方法，其特征在于包括：提供权利要求9所述的激光加工系统，使多个平行的激光束垂直或倾斜入射于聚焦透镜，且使多个平行的激光束穿过所述聚焦透镜后交叉重叠，并在交叉重叠区域形成加工能量域；

将待加工工件的局部置于所述加工能量域内，进而实现对所述待加工工件的加工处理；其中，任一单一的激光束的功率密度小于待加工工件材料的烧蚀阈值，所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。

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