本發(fā)明涉及激光控制，尤其是涉及一種成絲切割頭、激光切割系統(tǒng)及成絲切割頭設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電子行業(yè)的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品的面板等材料大部分為硬脆材料，例如藍(lán)寶石、玻璃和陶瓷等。不同電子產(chǎn)品的硬脆材料部分有厚有薄，需要合適且可控的加工方法對(duì)其進(jìn)行加工，這給硬脆材料加工行業(yè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，采用激光對(duì)硬脆材料進(jìn)行切割等加工時(shí)，聚焦光斑處光斑大小、焦深范圍等受衍射極限、光學(xué)像差的限制，存在光束無(wú)法貫穿硬脆材料的現(xiàn)象，導(dǎo)致難以達(dá)到理想的加工效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種成絲切割頭、激光切割系統(tǒng)及成絲切割頭設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)高能量利用率、高均勻性的成絲光束，提高加工效果。

2、第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種成絲切割頭，包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的整形元件、準(zhǔn)直元件和聚焦元件；

3、整形元件為非球面鏡片；整形元件具有第一面型，用于將輸入的非平頂光束轉(zhuǎn)換成平頂光束輸出；第一面型是基于整形元件的輸入面上的第一光束能量分布信息、以及期望光束傳播距離和期望平頂光束能量分布信息確定的；

4、準(zhǔn)直元件用于對(duì)輸入的平頂光束進(jìn)行準(zhǔn)直；準(zhǔn)直元件與整形元件之間的距離與期望光束傳播距離一致；

5、聚焦元件為非球面鏡片；聚焦元件具有第二面型，用于將準(zhǔn)直后的平頂光束匯聚成目標(biāo)成絲光束；第二面型是基于聚焦元件的輸入面上的平頂光束直徑信息和第二光束能量分布信息、以及期望焦深和焦深范圍內(nèi)沿光軸方向上的峰值能量分布信息確定的。

6、進(jìn)一步地，成絲切割頭還包括控制器、光束分析儀和傳動(dòng)裝置；光束分析儀和傳動(dòng)裝置分別與控制器連接；

7、光束分析儀用于檢測(cè)聚焦元件的焦深范圍內(nèi)的光束質(zhì)量信息，并發(fā)送至控制器；其中，光束質(zhì)量信息包括光斑能量分布信息；

8、控制器用于基于接收到的光斑能量分布信息，控制傳動(dòng)裝置調(diào)節(jié)整形元件與準(zhǔn)直元件之間的距離。

9、進(jìn)一步地，控制器還用于將接收到的光斑能量分布信息與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)能量分布信息進(jìn)行一致性對(duì)比，當(dāng)對(duì)比結(jié)果為不一致時(shí)，向傳動(dòng)裝置發(fā)送調(diào)節(jié)指令；

10、傳動(dòng)裝置用于當(dāng)接收到調(diào)節(jié)指令時(shí)，帶動(dòng)整形元件移動(dòng)，以調(diào)節(jié)整形元件與準(zhǔn)直元件之間的距離。

11、進(jìn)一步地，傳動(dòng)裝置包括固定座、電機(jī)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、鏡座和導(dǎo)軌；

12、電機(jī)與導(dǎo)軌固定在固定座上，鏡座滑動(dòng)連接在導(dǎo)軌上，鏡座用于安裝整形元件和/或準(zhǔn)直元件；電機(jī)通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)與鏡座連接，帶動(dòng)鏡座在導(dǎo)軌上滑動(dòng)。

13、進(jìn)一步地，光束質(zhì)量信息還包括光斑尺寸信息和焦深信息；控制器還用于基于接收到的光斑尺寸信息和焦深信息，對(duì)成絲切割頭的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

14、第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種激光切割系統(tǒng)，包括激光器以及第一方面的成絲切割頭；激光器朝向成絲切割頭發(fā)射激光光束。

15、第三方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種成絲切割頭設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用于第一方面的成絲切割頭；該方法包括：

16、獲取成絲切割頭對(duì)應(yīng)的整形元件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和聚焦元件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；其中，整形元件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包括整形元件的輸入面上的第一光束能量分布信息、以及期望光束傳播距離和期望平頂光束能量分布信息，聚焦元件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包括聚焦元件的輸入面上的平頂光束直徑信息和第二光束能量分布信息、以及期望焦深和焦深范圍內(nèi)沿光軸方向上的峰值能量分布信息；

17、根據(jù)整形元件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，確定整形元件的第一面型；

18、根據(jù)聚焦元件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，確定聚焦元件的第二面型。

19、進(jìn)一步地，根據(jù)整形元件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，確定整形元件的第一面型，包括：

20、根據(jù)期望光束傳播距離和期望平頂光束能量分布信息，確定整形元件的輸出面上的第三光束能量分布信息；

21、根據(jù)第三光束能量分布信息、第一光束能量分布信息和預(yù)設(shè)的多個(gè)第一面型參數(shù)，確定整形元件的第一面型。

22、進(jìn)一步地，根據(jù)聚焦元件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，確定聚焦元件的第二面型，包括：

23、根據(jù)期望焦深和峰值能量分布信息，確定聚焦元件的輸出光束中多條出射光線與光軸的夾角信息；

24、根據(jù)夾角信息、平頂光束直徑信息、第二光束能量分布信息和預(yù)設(shè)的多個(gè)第二面型參數(shù)，確定聚焦元件的第二面型。

25、進(jìn)一步地，第一光束能量分布信息包括以矩陣形式表示的高斯光束在每個(gè)位置處的能量強(qiáng)度；所述第一面型和所述第二面型對(duì)應(yīng)的面型公式為：

26、

27、其中，z為固定y下的非球面示高，y為以鏡片平面的中心往任意水平方向延伸的距離，r、k、a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16為面型參數(shù)。

28、本發(fā)明實(shí)施例提供的成絲切割頭、激光切割系統(tǒng)及成絲切割頭設(shè)計(jì)方法中，成絲切割頭包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的整形元件、準(zhǔn)直元件和聚焦元件；整形元件為非球面鏡片；整形元件具有第一面型，用于將輸入的非平頂光束轉(zhuǎn)換成平頂光束輸出；第一面型是基于整形元件的輸入面上的第一光束能量分布信息、以及期望光束傳播距離和期望平頂光束能量分布信息確定的；準(zhǔn)直元件用于對(duì)輸入的平頂光束進(jìn)行準(zhǔn)直；準(zhǔn)直元件與整形元件之間的距離與期望光束傳播距離一致；聚焦元件為非球面鏡片；聚焦元件具有第二面型，用于將準(zhǔn)直后的平頂光束匯聚成目標(biāo)成絲光束；第二面型是基于聚焦元件的輸入面上的平頂光束直徑信息和第二光束能量分布信息、以及期望焦深和焦深范圍內(nèi)沿光軸方向上的峰值能量分布信息確定的。這樣激光器發(fā)出的激光光束，通過(guò)整形元件轉(zhuǎn)換成平頂光束，再通過(guò)準(zhǔn)直元件的準(zhǔn)直控制其發(fā)散角，最后由聚焦元件匯聚成高能量利用率高均勻性的目標(biāo)成絲光束，這種成絲光束能夠?qū)崿F(xiàn)硬脆材料的激光切割，提高加工效果；同時(shí)該成絲切割頭采用全折射元件，不僅擁有設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、鏡片加工難度低、及可應(yīng)對(duì)多種材料的優(yōu)勢(shì)，還可以將高斯光束全部轉(zhuǎn)化為平頂光束，將輸入能量全部利用于成絲光束。

技術(shù)特征：

1.一種成絲切割頭，其特征在于，包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的整形元件、準(zhǔn)直元件和聚焦元件；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成絲切割頭，其特征在于，所述成絲切割頭還包括控制器、光束分析儀和傳動(dòng)裝置；所述光束分析儀和所述傳動(dòng)裝置分別與所述控制器連接；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成絲切割頭，其特征在于，所述控制器還用于將接收到的所述光斑能量分布信息與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)能量分布信息進(jìn)行一致性對(duì)比，當(dāng)對(duì)比結(jié)果為不一致時(shí)，向所述傳動(dòng)裝置發(fā)送調(diào)節(jié)指令；

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成絲切割頭，其特征在于，所述傳動(dòng)裝置包括固定座、電機(jī)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、鏡座和導(dǎo)軌；

5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的成絲切割頭，其特征在于，所述光束質(zhì)量信息還包括光斑尺寸信息和焦深信息；所述控制器還用于基于接收到的所述光斑尺寸信息和所述焦深信息，對(duì)所述成絲切割頭的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

6.一種激光切割系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器以及權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的成絲切割頭；所述激光器朝向所述成絲切割頭發(fā)射激光光束。

7.一種成絲切割頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，應(yīng)用于權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的成絲切割頭；所述方法包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述整形元件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，確定所述整形元件的第一面型，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述聚焦元件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，確定所述聚焦元件的第二面型，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一光束能量分布信息包括以矩陣形式表示的高斯光束在每個(gè)位置處的能量強(qiáng)度；所述第一面型和所述第二面型對(duì)應(yīng)的面型公式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種成絲切割頭、激光切割系統(tǒng)及成絲切割頭設(shè)計(jì)方法，涉及激光控制技術(shù)領(lǐng)域，成絲切割頭包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的整形元件、準(zhǔn)直元件和聚焦元件；激光器發(fā)出的激光光束，通過(guò)具有第一面型的整形元件轉(zhuǎn)換成平頂光束，通過(guò)準(zhǔn)直元件的準(zhǔn)直控制其發(fā)散角，最后由具有第二面型的聚焦元件匯聚成高能量利用率高均勻性的目標(biāo)成絲光束，這種成絲光束能夠?qū)崿F(xiàn)硬脆材料的激光切割，提高加工效果；同時(shí)該成絲切割頭采用全折射元件，不僅擁有設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、鏡片加工難度低、及可應(yīng)對(duì)多種材料的優(yōu)勢(shì)，還可以將高斯光束全部轉(zhuǎn)化為平頂光束，將輸入能量全部利用于成絲光束。

技術(shù)研發(fā)人員：王建剛,庫(kù)東峰,操文澤,曹思洋,楊強(qiáng),李曾卓,蔣新立
受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢華工激光工程有限責(zé)任公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23