CN112025088B - 一种激光光束像散补偿方法及激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光光束像散补偿方法及激光加工系统，通过在激光加工系统的外光路中加入像散补偿装置，激光光束经过像散补偿装置后，产生像散；调节像散补偿装置中的光学元件的旋转角度，改变像散补偿装置产生像散的大小和方向，使像散补偿装置产生的像散与原激光加工系统的像散大小相等、方向相反，对整个激光加工系统的像散进行反向补偿。本发明可以减小最终到达加工台面的激光光束的像散，使聚焦及离焦光斑均为一个圆形光斑，在离焦状态下进行激光加工时任意方向的划线宽度和深度一致性提高，消除激光光束的像散问题可以显著提高激光加工质量，提升加工效果，提高良率，降低加工成本。

Description

一种激光光束像散补偿方法及激光加工系统

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种激光光束像散补偿方法及激光加工系统。

背景技术

随着激光加工技术的不断发展，其应用范围越来越广，相应的激光加工工艺效果对激光束本身质量的要求也越来越高。激光光束由激光器产生配合设计的外光路来对样品进行加工，外光路常见的光学元件如全反射镜、扩束镜、分光元件、振镜、场镜等，激光在传输过程中，由于光学元件本身制造工艺上或者安装结构过程中的一些缺陷如面型、镀膜质量等不能达到理想状态，会对激光光束质量产生不利的影响，其中较为突出的就是激光光束的像散问题。

对于很多激光应用，采取的工艺方法是进行离焦加工，对离焦加工时的线宽一致性、深度一致性等指标影响最大的就是离焦光斑的圆度。图1为激光加工中产生像散的示意图及表现出像散的聚焦光斑形态，若激光光束有明显的像散问题，当对激光光束进行聚焦时，虽然聚焦光斑是一个圆形，但在离焦状态下会是一个明显的椭圆光斑，用这样的光斑对材料进行离焦加工会导致在不同方向划线时的线宽和深度不一致，严重影响激光加工质量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供一种激光光束像散补偿方法及激光加工系统，通过在外光路中增加一个像散补偿装置，可以减小最终到达加工台面的激光光束的像散，使离焦光斑的圆度增加，提高了在离焦状态下进行激光加工时任意方向的划线宽度和深度一致性，达到提高激光加工质量的目的。

本发明是这样实现的：本发明公开了一种激光光束像散补偿方法，包括如下步骤：

在激光加工系统的外光路中加入像散补偿装置，激光光束经过像散补偿装置后，产生像散；

调节像散补偿装置中的光学元件的旋转角度，改变像散补偿装置产生像散的大小和方向，使像散补偿装置产生的像散与原激光加工系统的像散大小相等、方向相反，对整个激光加工系统的像散进行反向补偿。

进一步地，通过光束质量分析仪观察最终的光斑在离焦状态下的椭圆度来调节像散补偿装置，当离焦状态下光斑最大程度为一个圆形光斑时，对应的像散补偿装置旋转角度即为需要的角度，此时像散补偿装置的补偿量即为像散补偿值。

进一步地，通过一带位置反馈的步进电机带动像散补偿装置中的光学元件旋转，光束质量分析仪自动测量光斑椭圆度，并通过计算机将椭圆度数据进行记录和判断，若没有达到预设的椭圆度数值，则给步进电机发出旋转调节的信号，步进电机旋转后光束质量分析仪重新测量和记录光斑椭圆度数据，并再次进行判断，形成闭环，直至最终得到一个符合预设椭圆度的光斑，此时步进电机旋转的角度即为像散补偿元件的最优调节量。

进一步地，所述像散补偿装置采用平板玻璃。

进一步地，所述像散补偿装置采用单片光楔。

进一步地，所述像散补偿装置采用两片光楔，调节两片光楔的旋转角度，改变两片光楔组合产生像散的大小和方向；

调节两片光楔的旋转角度，改变两片光楔组合产生像散的大小和方向，具体包括：当第一片光楔不动时，旋转第二片光楔的角度，对两片光楔组合产生的像散的大小进行调整，当第二片光楔旋转到与第一片光楔呈180°时，两片光楔组合产生的像散为0，像散补偿装置正好不存在像散。

本发明公开了一种激光加工系统，包括激光器、振镜、场镜、像散补偿装置，所述激光器用于产生及发出激光光束；

所述振镜用于接收激光光束，通过电机带动反射镜片摆动以改变激光束加工路径；

所述场镜用于将通过振镜后的激光束聚焦到待加工样品表面进行加工；

所述像散补偿装置位于聚焦前或聚焦后的光路上，所述像散补偿装置用于产生与原激光加工系统的像散等值的反向的像散，补偿激光加工系统中激光器和整个外光路综合形成的像散。

进一步地，激光加工系统还包括计算机，所述计算机用于控制激光器出光以及控制振镜电机按照设定的加工路径来运动并对材料进行加工。

进一步地，激光加工系统还包括光束质量分析仪，所述光束质量分析仪用于观察和记录最终到达加工台面上的激光光束的光斑形态，包括焦点位置和正负离焦位置，给像散调节装置的调节量做出参考和反馈，像散调节装置根据光束质量分析仪观察到的光斑形态进行旋转调节，直到在焦点及正负离焦位置光斑最大程度呈现出圆形，保证像散补偿装置调节到位完成像散补偿。

进一步地，激光加工系统还包括反射镜，所述反射镜用于外光路中改变激光光束的传播方向，使激光束按照需要的方向进行传输。

进一步地，所述像散补偿装置采用平板玻璃。

进一步地，所述像散补偿装置采用单片光楔。

进一步地，所述像散补偿装置包括两片光楔，通过调节两片光楔的旋转角度，改变两片光楔组合产生像散的大小和方向，当两片光楔呈180°时，两片光楔组合产生的像散为0，像散补偿装置正好不存在像散。

本发明的有益效果为：本发明通过在激光加工系统的外光路中增加一个像散补偿装置，通过光束质量分析仪观察记录聚焦光斑在焦点位置、离焦位置的光斑形态和椭圆度，调节像散补偿装置中的光学元件的旋转角度，使像散补偿装置产生的像散与原激光加工系统的像散大小相等、方向相反，对整个激光加工系统的像散进行反向补偿，可以减小最终到达加工台面的激光光束的像散，使聚焦及离焦光斑均为一个圆形光斑，在离焦状态下进行激光加工时任意方向的划线宽度和深度一致性提高，消除激光光束的像散问题可以显著提高激光加工质量，提升加工效果，提高良率，降低加工成本。

附图说明

图1为激光加工中产生像散的示意图及表现出像散的聚焦光斑形态；

图2为像散补偿前聚焦及离焦光斑模拟图；

图3为像散补偿后聚焦及离焦光斑模拟图；

图4为平板玻璃像散示意图；

图5为本发明的3种像散补偿装置示意图；

图6为本发明聚焦后加像散补偿装置示意图；

图7为本发明聚焦前加像散补偿装置示意图；

图8为本发明的激光加工系统的激光加工光路的典型案例示意图。

附图中，1为激光器，2为反射镜，3为振镜，4为场镜，5为像散补偿装置，6为光束质量分析仪，7为计算机。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

本实施例公开了一种激光光束像散补偿方法，包括如下步骤：

在激光加工系统的外光路中加入像散补偿装置，激光光束经过像散补偿装置后，产生像散；

调节像散补偿装置中的光学元件的旋转角度，改变像散补偿装置产生像散的大小和方向，使像散补偿装置产生的像散与原激光加工系统的像散大小相等、方向相反，对整个激光加工系统的像散进行反向补偿。

本专利可以手动调整散补偿光学元件的旋转角度，也可以自动调整散补偿光学元件的旋转角度。在实际调试过程中，需要在场镜下加光束质量分析仪，再采用计算机对光路的像散数据进行测量及调节。

进一步地，通过光束质量分析仪观察最终的光斑在离焦状态下的椭圆度来调节像散补偿装置，当离焦状态下光斑最大程度为一个圆形光斑时，对应的像散补偿装置旋转角度即为需要的角度，此时像散补偿装置的补偿量即为像散补偿值。

进一步地，通过一带位置反馈的步进电机带动像散补偿装置中的光学元件旋转，光束质量分析仪自动测量光斑椭圆度，并通过计算机将椭圆度数据进行记录和判断，若没有达到预设的椭圆度数值，则给步进电机发出旋转调节的信号，步进电机旋转后光束质量分析仪重新测量和记录光斑椭圆度数据，并再次进行判断，形成闭环，直至最终得到一个符合预设椭圆度的光斑，此时步进电机旋转的角度即为像散补偿元件的最优调节量。

像散补偿装置为一个独立的机械光学装置，对于不同的光学系统、不同的累积像散大小可以安装在不同位置、采用不同的安装方式、根据需要灵活调节补偿量，适用性更广。

本发明提出多种像散补偿装置，如图5所示，第一种使用平板玻璃进行补偿；第二种使用一个光楔进行补偿；第三种使用两个相同的光楔进行补偿；像散补偿方法或者装置主要特征为，平行光束或者会聚光束在经过像散补偿装置后，其会产生像散，并且通过调节像散补偿装置内的一些器件，可以改变产生像散的大小，从而可以完成对外光路或者激光主光路中的不确定性的像散进行补偿，将装置的方向旋转90°，可以产生与原方向的像散等值的反向的像散。

进一步地，所述像散补偿装置包括平板玻璃；如图4所示，在光路中加入倾斜的平板玻璃时，其子午面和弧矢面的聚焦平面不在同一位置，可产生一个像散值Xts1，其像散Xts1的大小与其玻璃的厚度T、主光线入射角度θ及玻璃折射率n有关；

平板玻璃产生的像散值为Xts1，Xts1≈T*sinθ*sin(θ-Asin(sinθ)/n)/cos(Asin(sinθ)/n)≈T/3*sinθ，当θ＝0时，Xts1＝0；Asin指反正弦，即arcsin。

所以平板玻璃可以对激光光路进行-Xts1～Xts1的像散进行补偿。

进一步地，所述像散补偿装置包括单片光楔；单片光楔产生的像散值为Xts2，

Xts2≈f*(tan²α+k*sinθ)+T/3*sinθ；

其中，α为光楔楔角，f为激光加工系统(或聚焦系统)中的聚焦镜焦距，T指光楔的厚度(即指主光线入射点处光楔的厚度，本实施例指光楔中心点的厚度)，θ为主光线入射角度，k为理论的校正系数，取值范围0～1之间。

单光楔可校正的像散范围为-Xts2～Xts2，即-f*tan²α～f*tan²α之间。

进一步地，所述像散补偿装置采用两片光楔，调节两片光楔的旋转角度，改变两片光楔组合产生像散的大小和方向；

调节两片光楔的旋转角度，改变两片光楔组合产生像散的大小和方向，具体包括：当第一片光楔不动时，旋转第二片光楔的角度，对两片光楔组合产生的像散的大小进行调整，当第二片光楔旋转到与第一片光楔呈180°时，两片光楔组合产生的像散为0，像散补偿装置正好不存在像散。

两片光楔组合产生的像散值为Xts3，Xts3最大值为2*f*tan²α，其中，α为光楔楔角，f为激光加工系统中的聚焦镜焦距，光楔组合产生的像散在0～Xts3之间，可校正的像散范围是-Xts3～Xts3，即-2f*tan²α～2f*tan²α。

以上三种像散补偿技术方案均存在像散，并且像散大小可以进行调节，如平板玻璃对入射角度θ进行像散大小的调整，或者旋转90°安装，可以调整像散的方向；单光楔可以更换不同的光楔楔角，或者对入射角度进行调整，均可以对像散进行大小的调整，或者旋转90°安装，同样可以调整像散的方向；光楔组合可以更换不同的光楔楔角，或者第一片光楔不动，旋转第二片光楔的角度，均可以对像散的大小进行调整，或者第一片光楔旋转90°安装，同样可以调整像散的方向。

平行光束或者会聚光束在经过像散补偿装置后，其会产生像散，并且通过调节像散补偿装置内的一些器件，可以改变产生像散的大小，从而可以完成对外光路或者激光主光路中的不确定性的像散进行补偿，将装置的方向旋转90°，可以产生与原方向的像散等值的反向的像散，均可以完成激光光路中的像散补偿。

在激光加工系统的外光路中，像散补偿装置可以安装在任意位置，对任意光学元件的像散进行补偿。像散补偿装置中补偿量的调节方式有很多种，在原理上都是一样的。本发明提出的像散补偿装置使用旋转装置来调节补偿量，通过调节像散补偿装置中的光学元件的旋转角度来对像散进行补偿。像散补偿量的大小，由像散补偿装置中光学元件旋转角度的大小来决定，像散补偿装置中光学元件旋转角度的大小可通过光束质量分析仪观察最终的光斑在离焦状态下的椭圆度来调整，当离焦状态下光斑最大程度为一个圆形光斑时，对应的像散补偿装置旋转角度即为需要的角度，此时像散补偿装置的补偿量即为像散补偿值，可以最大程度减小光学系统中的像散。

对于激光加工系统，消除整个外光路的累积像散，最佳选择是在聚焦场镜之后插入一个像散补偿装置，使激光光束在经过场镜后从像散补偿装置的一个面入射，再从另一个面出射，完成像散补偿的过程。对于一个确定的激光加工系统，整个光学系统的像散也是确定的，因此对于使用旋转装置来调节补偿量的像散补偿装置，存在一个确定的旋转角度，使从场镜出射的激光光束在入射进入这个确定旋转角度的像散补偿装置后，其像散能够得到最大程度的补偿，使到达加工台面的激光光束的像散减小，离焦光斑圆度增加，提升加工质量。

对本发明这种像散补偿方法的效果，申请人应用光学模拟软件进行了模拟，模拟结果显示插入像散补偿装置后可以很好的对像散进行补偿，提高了离焦光斑的圆度。附图2显示的是未增加像散补偿装置时的聚焦光斑和离焦光斑结果，附图3显示的是增加了像散补偿装置后的聚焦光斑和离焦光斑结果。

本发明的上述像散补偿方法可以广泛应用到激光加工光路中，如图6和图7所示，两种典型的应用案例，既可以在聚焦前的平行光路上加入像散补偿装置，也可以在聚焦后加入像散补偿装置。

实施例二

图8所示的是一种常见的激光加工光路应用调试示意图，本实施例公开了一种激光加工系统，包括激光器1、振镜3、场镜4、像散补偿装置5，所述激光器1用于产生及发出激光光束；

所述振镜3用于接收激光光束，通过电机带动反射镜片摆动以改变激光束加工路径；

所述场镜4用于将通过振镜后的激光束聚焦到待加工样品表面进行加工；

所述像散补偿装置5位于聚焦前或聚焦后的光路上，所述像散补偿装置用于产生与原激光加工系统的像散等值的反向的像散，补偿激光加工系统中激光器和整个外光路综合形成的像散。

进一步地，激光加工系统还包括计算机7，所述计算机用于控制激光器出光以及控制振镜电机按照设定的加工路径来运动并对材料进行加工，连接光束质量分析仪对聚焦光斑进行观察和记录。

进一步地，激光加工系统还包括光束质量分析仪6，所述光束质量分析仪用于观察和记录最终到达加工台面上的激光光束的光斑形态，包括焦点位置和正负离焦位置，给像散调节装置的调节量做出参考和反馈，像散调节装置根据光束质量分析仪观察到的光斑形态进行旋转调节，直到在焦点及正负离焦位置光斑最大程度呈现出圆形，防止补偿不足及补偿过量，保证像散补偿装置调节到位完成像散补偿。

像散补偿装置包括像散补偿光学元件，像散补偿光学元件设置在旋转调节装置上，带有像散补偿光学元件的旋转调节装置可以安装在振镜安装板上，使通过场镜的激光光束从一面以特定的角度入射进像散补偿光学元件并从另一面出射，像散补偿光学元件可根据不同像散大小进行适当的调节。

本专利可以手动调整散补偿光学元件的旋转角度，也可以自动调整散补偿光学元件的旋转角度，旋转调节装置根据需要进行相应调整。

本专利通过旋转调节装置改变像散补偿元件(平板玻璃、光楔等)接收主光线光束的角度来调节补偿量。如果旋转调节装置采用电机等自动装置，配合相关软件和反馈功能可以实现自动调节功能。例如，通过一带位置反馈的步进电机带动像散补偿元件旋转，光束质量分析仪所用的软件具有自动测量光斑椭圆度的功能，并通过计算机将椭圆度数据进行记录和判断，若没有达到预设的椭圆度数值，会给步进电机发出旋转调节的信号，步进电机旋转后光束质量分析仪及软件重新测量和记录光斑椭圆度数据，并再次进行判断，形成闭环，直至最终得到一个符合预设椭圆度的光斑，此时步进电机旋转的角度即为像散补偿元件的最优调节量。

进一步地，激光加工系统还包括反射镜2，所述反射镜用于外光路中改变激光光束的传播方向，使激光束按照需要的方向进行传输。本实施例的反射镜采用了两个全反射镜，两个全反射镜平行且倾斜设置。

进一步地，所述像散补偿装置采用平板玻璃。

进一步地，所述像散补偿装置采用单片光楔。

进一步地，所述像散补偿装置包括两片光楔，通过调节两片光楔的旋转角度，改变两片光楔组合产生像散的大小和方向，当两片光楔呈180°时，两片光楔组合产生的像散为0，像散补偿装置正好不存在像散。

光学系统中整个外光路使用的光学元件的种类、型号、数量等，激光光束的一些特征参数如波长、直径、光束质量等，像散补偿装置中使用的光学元件的种类、材料、数量、厚度、镀膜等，以及像散补偿装置在光路中的安装位置、安装方法、像散补偿的具体调节方法等，会影响像散补偿的效果及可行性，但在像散补偿原理上都是一致的，这些都在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种激光光束像散补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

在激光加工系统的外光路中加入像散补偿装置，激光光束经过像散补偿装置后，产生像散；

调节像散补偿装置中的光学元件的旋转角度，改变像散补偿装置产生像散的大小和方向，使像散补偿装置产生的像散与原激光加工系统的像散大小相等、方向相反，对整个激光加工系统的像散进行反向补偿；

通过光束质量分析仪观察最终的光斑在离焦状态下的椭圆度来调节像散补偿装置，当离焦状态下光斑最大程度为一个圆形光斑时，对应的像散补偿装置旋转角度即为需要的角度，此时像散补偿装置的补偿量即为像散补偿值；

通过一带位置反馈的步进电机带动像散补偿装置中的光学元件旋转，光束质量分析仪自动测量光斑椭圆度，并通过计算机将椭圆度数据进行记录和判断，若没有达到预设的椭圆度数值，则给步进电机发出旋转调节的信号，步进电机旋转后光束质量分析仪重新测量和记录光斑椭圆度数据，并再次进行判断，形成闭环，直至最终得到一个符合预设椭圆度的光斑，此时步进电机旋转的角度即为像散补偿元件的最优调节量。

2.根据权利要求 1 所述的激光光束像散补偿方法，其特征在于：所述像散补偿装置采用平板玻璃。

3.根据权利要求 1 所述的激光光束像散补偿方法，其特征在于：所述像散补偿装置采用单片光楔。

4.根据权利要求 1 所述的激光光束像散补偿方法，其特征在于：所述像散补偿装置采用两片光楔，调节两片光楔的旋转角度，改变两片光楔组合产生像散的大小和方向；

调节两片光楔的旋转角度，改变两片光楔组合产生像散的大小和方向，具体包括：当第一片光楔不动时，旋转第二片光楔的角度，对两片光楔组合产生的像散的大小进行调整，当第二片光楔旋转到与第一片光楔呈180°时，两片光楔组合产生的像散为0，像散补偿装置正好不存在像散。

5.一种激光加工系统，其特征在于：包括激光器、振镜、场镜、像散补偿装置，所述激光器用于产生及发出激光光束；

所述振镜用于接收激光光束，通过电机带动反射镜片摆动以改变激光束加工路径；

所述场镜用于将通过振镜后的激光束聚焦到待加工样品表面进行加工；

所述像散补偿装置位于聚焦前或聚焦后的光路上，所述像散补偿装置用于产生与原激光加工系统的像散等值的反向的像散，补偿激光加工系统中激光器和整个外光路综合形成的像散。

6.根据权利要求5所述的激光加工系统，其特征在于：还包括计算机，所述计算机用于控制激光器出光以及控制振镜电机按照设定的加工路径来运动并对材料进行加工。

7.根据权利要求5或6所述的激光加工系统，其特征在于：还包括光束质量分析仪，所述光束质量分析仪用于观察和记录最终到达加工台面上的激光光束的光斑形态，包括焦点位置和正负离焦位置，给像散调节装置的调节量做出参考和反馈，像散调节装置根据光束质量分析仪观察到的光斑形态进行旋转调节，直到在焦点及正负离焦位置光斑最大程度呈现出圆形，保证像散补偿装置调节到位完成像散补偿。

8.根据权利要求5所述的激光加工系统，其特征在于：还包括反射镜，所述反射镜用于外光路中改变激光光束的传播方向，使激光束按照需要的方向进行传输。

9.根据权利要求5所述的激光加工系统，其特征在于：所述像散补偿装置采用平板玻璃。

10.根据权利要求5所述的激光加工系统，其特征在于：所述像散补偿装置采用单片光楔。

11.根据权利要求5所述的激光加工系统，其特征在于：所述像散补偿装置包括两片光楔，通过调节两片光楔的旋转角度，改变两片光楔组合产生像散的大小和方向，当两片光楔呈180°时，两片光楔组合产生的像散为0，像散补偿装置正好不存在像散。

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