一种激光加工装置及方法与流程

1.本发明涉及激光加工技术领域，主要涉及一种激光加工装置及方法


背景技术：

2.激光加工设备利用光学聚焦系统聚焦后的高能量密度的光斑作用于生产对象来进行加工，激光焦点和加工对象的轴向相对位置决定了作用于加工对象上的激光光斑横向能量分布和功率密度的大小，(以激光切割为例)可以显著影响激光横向加工效果，而激光轴向能量分布决定了可切割材料厚度和切割后断面质量，因此激光焦点处轴向和横向的能量分布对加工质量起着至关重要的作用。
3.在现有技术中，都仅对激光能量进行检测、利用同轴光源镜头对待切割材料定位点进行照明，提高切割效率和定位精度，而无法实现激光能量分布检测。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于解决在不额外增加其他设备的情况下，检测激光横向和轴向的能量分布的问题。
5.为解决上述技术问题，本技术提供一种激光加工装置，所述激光加工装置包括：激光输出组件、光束偏转元件、聚焦元件、和图像检测组件；
6.其中所述激光输出组件、所述光束偏转元件、所述聚焦元件形成用于加工产品的激光加工光路，所述激光输出组件输出的激光经所述激光加工光路投射在载物台上的加工位置；
7.所述光束偏转元件、所述聚焦元件、所述图像采集组件形成用于激光能量分布检测的激光检测光路，自所述加工位置处反射的激光经所述激光检测光路被图像采集组件采集和检测。
8.进一步的，所述激光加工装置还包括透镜元件，所述透镜元件位于所述光束偏转元件和所述图像采集组件之间，且所述透镜元件与所述聚焦元件同轴。
9.进一步的，所述激光输出组件包括：激光器和光路传输元件；所述激光器用于产生激光光束，所述光路传输元件用于对所述激光器入射的激光光束转化为加工光束。
10.进一步的，所述光路传输元件包括反射单元、准直单元或整形单元中的一个或多个。
11.进一步的，所述光束偏转元件为分光比小于2：98的分光镜或反射率大于98％的反射镜。
12.进一步的，所述图像采集组件包括ccd相机和计算机，所述ccd相机与所述聚焦元件和所述透镜组件共轴，所述计算机连接于所述ccd相机。
13.进一步的，所述激光加工装置还包括反射元件，所述反射元件设置于所述载物台上的加工位置处，以反射所述激光输出组件输出的激光，反射的激光经过所述激光检测光路被所述图像采集组件采集并检测。
14.进一步的，所述激光加工装置还包括运动装置，连接于所述聚焦元件或载物台上，以用于使所述聚焦元件与载物台相对移动。
15.本技术还提供一种激光加工方法，包括：
16.所述方法采用上述的激光加工装置，所述方法包括以下步骤：
17.激光器发射光束至载物台；
18.经放置在所述载物台上的反射元件或被加工产品的反射，反射光束经过激光检测光路入射至图像采集组件；
19.所述图像采集组件，通过解析所述反射光束，得到激光光斑横向能量分布图像；
20.多次调整所述聚焦元件的位置，每一次调整后通过所述图像采集组件接收并解析一次反射光束，得到不同轴向位置的激光光斑横向能量分布图像，并沿轴向将所述激光光斑横向能量分布图像绘制成曲线得到激光光斑轴向能量分布曲线；
21.根据所述激光光斑轴向能量分布曲线确定所述聚焦元件的位置，以对所述激光加工光路进行调整。
22.进一步的，所述方法还包括：
23.通过调整所述透镜元件的焦距和位置，改变所述聚焦元件和透镜元件组成的光路结构，以使被加工产品或反射元件表面的光斑分布以一定比例放大被图像采集组件采集，其中，放大比例通过调整所述透镜元件的焦距和位置来控制。
24.根据本技术实施例提供的激光加工装置及方法，与现有技术相比至少具有以下有益效果：
25.通过采用上述的激光加工装置及方法，即利用激光输出组件、光束偏转元件、聚焦元件、图像采集组件组成激光加工装置，该激光加工装置可以在不增加其他额外设备的情况下，具体的，聚焦元件既可以在加工光路中起到对加工光束聚焦作用，使焦点可以落在载物台上，又能在检测光路中起到对激光进行成像的作用，便于被后续的图像采集组件采集，并且不需要借助其他辅助光束或额外设备，通过上述的元件的使用能显著降低装置结构的复杂性，不仅可以同时检测激光横向和轴向能量分布，而且还满足光路准直调试的需求，并且还具有结构简单、便于操作，精度高的特点。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术中的方案，下面将对本技术实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明实施例提供的一种激光加工装置示意图；
28.图2为本发明实施例提供的激光光斑横向能量分布仿真图；
29.图3为本发明实施例提供的激光光斑轴向能量分布仿真图；
30.图4为本发明实施例提供的激光光斑横向能量分布实测图；
31.图5为本发明实施例提供的激光光斑轴向能量分布实测图；
32.图6为本发明另一实施例提供的激光光斑横向能量分布仿真图；
33.图7为本发明另一实施例提供的激光光斑轴向能量分布仿真图；
34.图8为本发明另一实施例提供的激光光斑横向能量分布实测图；
35.图9为本发明另一实施例提供的激光光斑轴向能量分布实测图；
36.图10为本发明实施例提供的一种激光加工方法的流程图。
具体实施方式
37.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术；本技术的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本技术的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
38.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
39.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
40.如图1所示，激光加工装置包括：激光输出组件11，光束偏转元件103，聚焦元件104，透镜元件106，图像检测组件12；
41.其中激光输出组件11、光束偏转元件103、聚焦元件104形成用于加工产品的激光加工光路，激光输出组件11输出的激光经激光加工光路投射在载物台10上的加工位置；
42.光束偏转元件103、聚焦元件104、透镜组件106、图像采集组件12形成用于激光能量分布检测的激光检测光路，自所述加工位置处反射的激光经激光检测光路被图像采集组件12采集和检测。
43.具体的，所述激光输出组件11用于产生激光并对激光进行处理，经过激光输出组件11处理后的初始激光光束变为加工光束，所述加工光束的传播方向为由激光输出组件11、光束偏转元件103、聚焦元件104形成的激光加工光路，其经过光束偏转元件103的偏转使其传播方向朝向载物台10上，随后经过聚焦元件104，所述加工光束104经聚焦元件104聚焦后，其焦点将落在载物台10上的加工位置。
44.自所述加工位置处反射的激光经过激光检测光路最后被图像采集组件12采集和检测，聚焦元件104、光束偏转元件103、透镜元件106和图像采集组件12形成激光检测光路，所述有加工位置处反射的激光依次经过光束偏转元件103，聚焦元件104、透镜元件106并最终被图像采集组件12采集并检测。其中所述光束偏转元件103在所述激光检测光路中，主要是利用其透射的特性，不考虑其对光束的偏转。
45.所述聚焦元件104在激光加工光路中起到的是聚焦的作用，同时在激光检测光路中起到的是成像的作用，无需借助其他辅助光束即可确定激光能量分布，显著降低系统结构复杂性，可用于激光自动寻焦和激光光路调试。在具体实施例中，所述聚焦元件104可为单透镜、组合透镜或高倍物镜等，针对不同的激光光束对应使用不同的透镜类型。
46.通过采用上述的激光加工装置，聚焦元件在激光加工光路和激光检测光路中分别起到聚焦作用和成像作用，并且不需要借助其他辅助光束或额外设备，通过上述的元件的
使用能显著降低装置结构的复杂性。不仅可以同时检测激光横向和轴向能量分布，而且还满足光路准直调试的需求，并且还具有结构简单、便于操作，精度高的特点。
47.进一步的，如图1所示，所述激光加工装置还包括透镜元件106，所述透镜元件106为单透镜或组合透镜。所述透镜元件106的安装位置位于激光检测光路上，且位于光束偏转元件与图像采集组件12之间。其原理为透镜表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放大成像。通过透镜元件106的使用，可以使激光成像便于所述图像采集组件12的获取。
48.在本实施例中，通过调节所述聚焦元件104和所述透镜元件106的位置，来使所述聚焦元件104和所述透镜元件106的焦点重合，所述聚焦元件104和所述透镜元件106由此组成4f系统，所述4f系统将加工位置表面的光斑分布以一定比例放大并被图像采集组件12，放大比例可以根据实际需要调节。
49.进一步的，如图1所示，所述激光输出组件11包括：激光器101和光路传输元件102，所述激光器101用于产生激光光束，所述光路传输元件102用于对所述激光器101入射的激光光束进行处理，使其转化为加工光束。
50.具体的，，激光器101产生初始激光光束后入射到光路传输元件102内，通过光路传输元件102的处理使初始激光光束变为加工光束，通过激光器101产生初始激光光束，并利用光路传输元件102对初始激光光束进行处理使其变为加工光束，来满足激光加工的需要。
51.在一些实施例中，光路传输软件102对激光的处理包括反射、准直或整形中的一个或多个处理；所述反射为根据光路结构来实现激光光束的偏转，准直为将产生的初始激光光束进行扩束准直，而整形则为将初始激光光束调制为用于加工的光束。故在可实现的实施例中，所述光路传输元件102可包括反射单元、准直单元或整形单元中的一个或多个；所述反射单元以用于实现对光束的光路偏转，使光束照射到指定地方；所述准直单元用于将入射的初始激光转化为特定大小的准直光束；所述整形单元用于将准直光束调制为用于加工的光束。在本实施例中，激光器101为一种超短脉冲激光器，其产生的初始激光光束波长1030nm，脉冲重复频率1-300khz，脉冲宽度小于10ps。
52.由于所述光路传输元件102可包括反射单元、准直单元或整形单元中的一个或多个，当光路传输元件102的结构不同时，由激光器101产生的激光经过所述光路传输元件102的处理过程将存在不同的情况，不同处理过程得到的激光对于后续形成的加工光束和检测到的激光光束将产生影响。在一些实施例中，所述光路传输元件102的结构也可能引起所述激光加工装置其他部分的结构发生改变。
53.下面以所述光路传输元件102的一些具体结构为例进行示例性说明。
54.在一个实施例中，以光路传输元件102包括准直单元与反射单元为例。此时聚焦元件104可为组合透镜，所述组合透镜用于使入射光束在轴向上呈现细丝；在对激光能量进行检测前，可首先通过计算机108进行仿真，得到仿真的激光光束光斑能量分布，用于对后续实际检测得到的几个光束光斑能量分布进行验证，在本实施例中，激光光束光斑横向能量分布仿真结果如图2所示，激光光束沿光传播方向能量分布仿真结果，即激光光斑轴向能量分布仿真图如图3所示。
55.在实际检测过程中，激光器和光路传输元件组成的激光输出组件11，使输出的加工光束通过光束偏转元件103，激光偏转入射至聚焦元件104，加工光束经过聚焦元件104进
行聚焦后，所述加工光束的焦点落在载物台10上的加工位置上，自加工位置将入射的加工光束反射，依次经过聚焦元件104、光束偏转元件103、透镜元件106，并最终被图像采集组件12采集并检测，在本实施例中，进行成像作用的包括聚焦元件104和透镜元件106，通过调整位置使聚焦元件104和透镜元件106焦点重合，由此组成4f系统，所述4f系统能成比例地地将光斑横向能量分布传递给图像采集组件12；图像采集组件12接收到有聚焦元件104和透镜元件106组成的4f系统传递的光斑横向能量分布如图4所示；图像采集组件12通过将各位置灰度图像做归一化处理并拟合处光斑中心能量量化得到沿光传播方向焦深能量分布，即激光光斑轴向能量分布实测图如图5所示,通过比对激光光束光斑横向能量分布仿真结果如图2所示和实测的激光光斑横向能量分布图像如图4所示，以及比对激光光束沿光传播方向能量分布仿真结果如图3所示和激光轴向能量分布曲线实测图5，可看出在实测图与仿真图是接近的。
56.在另一个实施例中，以光路传输元件102包括准直单元、整形单元和反射单元为例，此时的聚焦单元104可为单透镜，同时可以不需要包括透镜元件106，所述准直单元用于将入射的初始激光光束转化为特定大小的准直光束，所述整形模块用于将准直光束调制为用于加工的贝塞尔光束；此时所述贝塞尔光束光斑横向分布仿真结果如图6所示；沿光传播方向光能量分布仿真结果，即激光光斑轴向能量分布仿真图如图7所示。
57.在实际检测过程中，经在载物台10上的加工位置的反射将入射的加工光束反射后，反射光束依次通过聚焦元件104、光束偏转元件103，最后被图像采集组件12采集并检测；图像采集组件12接收到聚焦元件传递的光斑能量分布，横向光能量分布如图8所示；图像采集组件12采集并检测后通过将各位置灰度图像做归一化处理并拟合处光斑中心能量量化得到沿光传播方向焦深能量分布，即激光光斑轴向能量分布实测图如图9所示。通过比对激光光束光斑横向能量分布仿真结果如图6所示和实测的激光光斑横向能量分布图像如图8所示，以及比对激光光束沿光传播方向能量分布仿真结果如图7所示和激光轴向能量分布曲线实测图9，可看出在实测图与仿真图是接近的。实际上测试焦深内能量分布存在抖动，这是由于加工误差影响实际的轴棱镜的顶角并不是完全理想的尖角，而是具有一定平滑度的圆角。
58.进一步的，所述光束偏转元件103为分光比小于2：98的分光镜或反射大于98％的反射镜。
59.具体的，分光比小于2：98的分光镜，即反射光比例占总体的98％以上，具有较好的反射能力，而反射大于98％的反射镜，同样具有较好的反射能力。在一些实施例中，在光束偏转元件的背部，即在入射光束照射到光束偏转元件上的背面设置有光挡块，其作用在于防止入射光束经光束偏转元件后折射的光束影响激光的检测，也即避免所述折射光束传播。在激光检测光路中，光束偏转元件103主要是利用其透射特性，并不考虑其对光束的偏转。
60.通过所述光束偏转元件103的使用，可以改变激光光束的传播方向，节约装置整体的体积大小，并且设置光挡块，避免折射光束传播，影响装置的激光检测。
61.进一步的，如图1所示，所述图像采集组件12包括ccd相机107和计算机108，所述ccd相机107与所述聚焦元件104和所述透镜元件106共轴，所述计算机108连接于所述ccd相机107。
62.具体的所述采集组件包括：ccd相机107和计算机108，所述ccd相机107其安装位置与所述聚焦元件104和所述透镜元件106共轴，所述ccd相机107连接于所述计算机108，以用于显示并处理得到光束光斑横向分布以及得到光束沿传播方向的能量分布图5。
63.通过ccd相机107和计算机108的设置，ccd相机107将捕捉到光斑分布并通过计算机108来显示并检测处理出来。
64.进一步的，如图1所示，所述激光加工装置还包括反射元件105，所述反射元件105设置于所述载物台10上的加工位置处，以反射所述激光输出组件11输出的激光，反射的激光经过所述激光检测光路被所述图像采集组件12采集并检测。载物台10通过采用反射元件105进行反射处理，可以更精确的得到激光的光斑的横向和轴向的能量分布。
65.进一步的，所述激光加工装置还包括运动装置(图中未示出)，所述运动装置可连接于所述聚焦元件104或载物台10上，以用于带动所述聚焦元件104或载物台10移动，调整所述聚焦元件104和载物台10之间的相对距离，便于入射激光的对焦，使激光的焦点落在载物台10的加工位置或被加工产品上。
66.下面对所述激光加工装置的运行过程进行说明。
67.首先通过激光输出组件11输出激光加工光束，接着激光加工光束经过光束偏转元件103的偏转，使加工光束入射至聚焦元件104，加工光束经聚焦元件104聚焦后，落在载物台10上的加工产品或反射元件105上，经加工产品或反射元件105反射的加工光束，再次入射至聚焦元件104，经聚焦元件104成像后，经过光束偏转元件103后，被图像采集组件12采集并检测，根据检测结果来利用运动装置调整聚焦元件104的位置，以对激光加工光路进行调整。
68.通过采用上述的激光加工装置，利用激光输出组件11、光束偏转元件103、聚焦元件104、图像采集组件12组成激光加工装置，该激光加工装置可以在不增加其他额外设备的情况下，并且不需要借助其他辅助光束或额外设备，通过上述的元件的使用能显著降低装置结构的复杂性，不仅可以同时检测激光横向和轴向能量分布，而且还满足光路准直调试的需求，并且还具有结构简单、便于操作，精度高的特点。具体地，在该装置中聚焦元件104既可以在加工光路中起到对加工光束的聚焦作用，使加工光束焦点落在载物台10上，又能在检测光路中起到对加工光束进行成像的作用。便于被后续的图像采集组件12采集。
69.本技术还提供了另一种实施方式，提供一种激光加工方法，所述方法应用上述实施例提供的激光加工装置中。如图10所示，并结合图1，所述方法包括以下步骤：
70.s1、激光器101发射光束至载物台10；
71.s2、经放置在所述载物台10上的反射元件105或被加工产品的反射，反射光束经过激光检测光路入射至图像采集组件12；
72.s3、所述图像采集组件12，通过解析所述反射光束，得到激光光斑横向能量分布图像；
73.s4、多次调整所述聚焦元件104的位置，每一次调整后通过所述图像采集组件12接收并解析一次反射光束，得到不同轴向位置的激光光斑横向能量分布图像，并沿轴向将所述激光光斑横向能量分布图像绘制成曲线得到激光光斑轴向能量分布曲线；
74.s5、根据所述激光光斑轴向能量分布曲线确定所述聚焦元件104的位置，以对所述激光加工光路进行调整。
75.具体的，通过激光器101发射出激光光束，经过光路传输元件变成加工光束，所述加工光束经过光束偏转元件103进行偏转，使加工光束偏转入射通过聚焦元件104，通过运动装置调整聚焦元件104的位置，使加工光束的焦点落在载物台10的加工表面。通过放置在载物台10表面的反射元件105或加工产品表面将加工光束反射经过聚焦元件104、光束偏转元件103、透镜元件106并最终被图像采集组件12采集并检测处理，即经反射元件105或加工产品表面反射的反射光束经过激光检测光路入射至图像采集组件12；并且通过多次调整反射元件105或加工产品与聚焦元件104的位置，即通过运动装置来调整聚焦元件104与反射元件105或加工产品的位置，从而得到不同轴向位置的光斑横向能量分布图像。图像采集组件12中的ccd相机107将获取到由激光检测光路传递的所述光斑横向能量分布并解析检测，所述计算机108将显示光斑横向能量分布图像。并且图像采集组件12中的计算机108将沿轴向将所述光斑横向能量分布图像绘制成曲线得到光斑轴向能量分布曲线。通过获取的光斑轴向能量分布曲线来确定聚焦元件104的位置，具体的，通过获取光斑轴向能量分布曲线的最高点对应的聚焦元件104的位置，为最终的聚焦元件104的位置，来使加工光束的焦点能落在载物台10表面的反射元件105或加工产品表面，实现对激光加工光路的调整。
76.通过采用上述的方法可以实现在不增加元器件的基础上，实现检测激光横向和轴向能量分布的功能，并且根据光斑轴向能量分布曲线来调整聚焦元件104的位置，使得激光加工光束的焦点能落在载物台10表面的反射元件105或加工产品表面，以实现对激光加工光路的调整，该方法显著降低了激光装置结构的复杂性。
77.进一步的，所述方法还包括：通过调整所述透镜元件106的焦距和位置，改变所述聚焦元件104和透镜元件106组成的光路结构，以使被加工产品或反射元件105表面的光斑分布以一定比例放大被图像采集组件12采集，其中，放大比例通过调整所述透镜元件106的焦距位置来控制。
78.具体的，通过改变透镜元件106的焦距和位置，来使得加工产品或反射元件105表面的光斑分布以一定比例放大被图像采集组件12采集，放大比例为调整透镜元件106的焦距和位置来实现。
79.通过采用上述的方法，可以使得激光光斑能更清楚的被图像采集组件12采集并检测处理。
80.显然，以上所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本技术的较佳实施例，但并不限制本技术的专利范围。本技术可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本技术的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本技术说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本技术专利保护范围之内。