一种激光扫描加工系统及方法与流程

1.本发明涉及激光精密扫描加工技术领域，尤其涉及到一种激光扫描加工系统与一种激光扫描加工方法。


背景技术：

2.目前，激光加工技术中，通常使用基模高斯光束，利用聚焦和扫描系统将激光束聚焦成为圆形高斯光斑。这种光斑的特点是光斑总体呈圆形，能量分布中心强，边缘弱。对于某些具有精密加工需求的场合，要求激光光斑尺寸小，光斑能量分布均匀，普通的高斯光斑将无法满足加工的需求，为此，通常采用整形器件将激光束整形成匀化光束。
3.但是，为了保证良好的均匀性，通常认为得到的整形光斑尺寸不小于1.5倍衍射极限。当目标光斑尺寸接近1.5倍衍射极限时，受到衍射效应的制约，系统衍射效率受限，光斑四周将不可避免产生次级衍射峰，实际加工时会在主光斑四周产生旁瓣，当激光加工精度要求低时，尚可接受，但是当激光加工精度要求高时，会对加工效果产生一定的影响。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺陷，本发明实施例提供了一种激光扫描加工系统与一种激光扫描加工方法，其可以解决现有激光扫描系统的整形光斑尺寸接近衍射极限时光斑四周出现次级衍射峰，加工出现旁瓣，影响加工效果的问题。
5.具体的，本发明提供一种基于激光扫描加工系统，包括：沿光路依次设置的激光器、扩束镜、整形器、空间滤波系统、扫描聚焦系统；其中，所述激光器出射基模高斯光束；所述扩束镜将所述高斯光束扩束至预设直径后入射到所述整形器；所述整形器作为衍射器件对扩束后的所述高斯光束进行相位调制，以整形得到能量均匀分布的平顶光束；所述空间滤波系统对相位调制后的光束进行成像、低通滤波和准直，以除去平顶光斑能量分布的次级衍射峰；所述扫描聚焦系统对所述空间滤波系统出射的光束进行扫描和聚焦，得到无旁瓣的加工光斑；其中，所述空间滤波系统包括依次设置的：第一傅里叶透镜，对相位调制后的光束进行傅里叶变换，在其焦平面上得到带旁瓣的平顶光斑；精密针孔，对所述带旁瓣的平顶光束进行低通滤波；第二傅里叶透镜，对所述低通滤波后的光束进行傅里叶逆变换，得到准直光束；所述第一傅里叶透镜的后焦平面与所述第二傅里叶透镜的前焦平面重合，所述精密针孔位于重合的所述焦平面处，且所述精密针孔的中心与所述光束的中心重合；所述第一傅里叶透镜在使用的光束直径以内聚焦光斑的斯特列尔比＞90％；所述第二傅里叶透镜准直后的光束波前畸变＜0.25λ。
6.在本发明的一个实施例中，所述第二傅里叶透镜与所述第一傅里叶透镜的焦距之比为f2/f1＝m，其中m》0。
7.在本发明的一个实施例中，所述第一傅里叶透镜和所述第二傅里叶透镜具有相同的光学结构参数，二者相对所述精密针孔镜像设置。
8.在本发明的一个实施例中，所述精密针孔尺寸范围为(1
±
10％)l，l＝2.54λf1/d，
其中，λ为所述高斯光束的波长，f1为所述第一傅里叶透镜的焦距，d为所述扩束后的高斯光束的直径。
9.在本发明的一个实施例中，所述精密针孔的形状与所述平顶光斑形状相同。
10.在本发明的一个实施例中，所述第一傅里叶透镜的焦距f1的范围为50-500mm。
11.另外，本发明实施例提出一种激光扫描加工方法，包括：将激光器出射的基模高斯光束进行扩束；将扩束后的所述高斯光束入射到衍射器件整形器进行相位调制，以整形得到能量均匀分布的平顶光束；通过空间滤波系统对相位调制后的光束进行成像、低通滤波和准直，以除去平顶光斑的次级衍射峰；对所述空间滤波系统出射的光束进行扫描和聚焦，得到无旁瓣的加工光斑；其中，所述对相位调制后的光束进行成像、低通滤波和准直，以除去所述平顶光束能量分布的次级衍射峰，包括：由第一傅里叶透镜对相位调制后的光束进行傅里叶变换，在其焦平面上得到带旁瓣的平顶光斑；由精密针孔对带旁瓣的平顶光束进行低通滤波；以及由第二傅里叶透镜对所述低通滤波后的光束进行傅里叶逆变换，得到准直光束；其中，所述第一傅里叶透镜的后焦平面与所述第二傅里叶透镜的前焦平面重合，所述精密针孔位于重合的所述焦平面处，且所述精密针孔的中心与平顶光斑的中心重合；所述第一傅里叶透镜在使用的光束直径以内聚焦光束的斯特列尔比＞90％；所述第二傅里叶透镜准直后的光束波前畸变＜0.25λ。
12.在本发明的一个实施例中，所述由精密针孔对所述带旁瓣的平顶光束进行低通滤波，包括：设置精密针孔尺寸范围为(1
±
10％)l，l＝2.54λf1/d，以对所述高斯光束进行低通滤波，其中，λ为所述高斯光束的波长，f1为所述第一傅里叶透镜的焦距，d为所述扩束后的高斯光束的直径。
13.在本发明的一个实施例中，所述第二傅里叶透镜与所述第一傅里叶透镜的焦距之比为f2/f1＝m，其中m》0。
14.在本发明的一个实施例中，所述精密针孔的形状与所述平顶光斑形状相同。
15.由上可知，本发明的上述实施例可以具有以下一个或多个有益效果：
16.(1)通过整形器对高斯光束进行相位调制得到能量均匀分布的平顶光束，设置满足该高斯光束衍射极限性能的空间滤波系统，对整形后的光束进行低通滤波，以除去平顶光束能量分布的次级衍射峰，能够得到无旁瓣的光斑，提高材料精密加工质量；
17.(2)设置的空间滤波系统通过第一傅里叶透镜对入射的光束进行傅里叶变换，在焦平面处得到带有次级衍射峰的像，精密针孔对焦平面处的像进行低通滤波，将次级衍射峰对应的高频分量滤掉，仅使中心的均匀光束通过，第二傅里叶透镜对像面过来的均匀光束进行傅里叶逆变换，以输出准直光束，整体系统结构简单、紧凑、且成本较低；
18.(3)精密针孔尺寸范围根据公式l＝2.54λf1/d确定，其中λ为所述高斯光束的波长，f1为所述第一傅里叶透镜的焦距，d为所述高斯光束的直径，当其尺寸范围满足(1
±
10％)l时，既可以去除高频旁瓣，也不影响低频部分整形光斑的能量分布。
附图说明
19.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1为本发明实施例提供的一种激光扫描加工系统的结构示意图；
21.图2为本发明实施例提供的基模高斯光束的能量分布示意图；
22.图3为本发明实施例提供的整形光斑的能量分布示意图；
23.图4为本发明实施例提供的空间滤波系统的结构示意图；
24.图5为本发明实施例提供的滤波后的光斑能量分布示意图；
25.图6为本发明实施例提供的一种激光扫描加工方法的流程图。
具体实施方式
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相组合。下面将参考附图并结合实施例来说明本发明。
27.为了使本领域普通技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，都应当属于本发明的保护范围。
28.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等适用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外。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，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备国有的其它步骤或单元。
29.还需要说明的是，本发明中多个实施例的划分仅是为了描述的方便，不应构成特别的限定，各种实施例中的特征在不矛盾的情况下可以相结合，相互引用。
30.本发明的实施例提供一种激光扫描加工系统与一种激光扫描加工方法，旨在解决现有激光扫描系统的整形光斑尺寸接近衍射极限时光斑四周出现次级衍射峰，加工出现旁瓣，影响加工效果的问题。
31.如图1所示，本发明第一实施例提出一种激光扫描加工系统，例如包括：沿光路依次设置的激光器、扩束镜、整形器、空间滤波系统、扫描聚焦系统。
32.其中，激光器出射的基模高斯光束，其能量分布如图2所示。由扩束镜将所述高斯光束扩束至预设直径入射到所述整形器。由整形器作为衍射器件对扩束后的高斯光束进行相位调制，以整形得到能量均匀分布的平顶光束，其能量分布如图3所示。由满足衍射极限光学性能的空间滤波系统对整形后的所述平顶光束进行低通滤波，以除去所述平顶光束能量分布的次级衍射峰。扫描聚焦系统包括振镜和场镜，用于对所述空间滤波系统出射的光束进行扫描和聚焦，得到无旁瓣的加工光斑。
33.进一步的，如图4所示，空间滤波系统位于作为衍射器件的整形器和振镜、场镜构成的扫描聚焦系统之间，其例如包括：第一傅里叶透镜、精密针孔及第二傅里叶透镜。其中，第一傅里叶透镜与第二傅里叶透镜的焦平面重合，精密针孔放置在所述的焦平面处，针孔的中心与光束的中心重合，且针孔的形状及方位与所述高斯光束相同。
34.并且，第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜的光学性能满足衍射极限光学性能，以保证在焦平面处得到无畸变的像。满足衍射极限光学性能即：第一傅里叶透镜在使用的光束直径以内聚焦光束的斯特列尔比＞90％；第二傅里叶透镜准直后的光束波前畸变＜0.25
λ。其可以使用平凸透镜、双凸透镜、非球面透镜、或者透镜组等。作为一种非限制的实施例，在本发明中，采用非球面或者正负透镜组合。优选的，第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜例如采用非球面透镜或透镜组，更易于达到衍射极限光学性能，以进行无像差地成像和准直。
35.进一步的，第二傅里叶透镜与第一傅里叶透镜的焦距之比为f2/f1＝m，其中m》0。作为一种优选的实施方式，第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜例如具有相同的光学结构参数，二者相对精密针孔镜像放置，其中，第一傅里叶透镜的后焦平面与第二傅里叶透镜的前焦平面重合。
36.具体的，该空间滤波系统的工作原理如下：
37.由第一傅里叶透镜对经过衍射器件调制后的入射光束进行傅里叶变换，在焦平面处得到如图3所示带有次级衍射峰的像。
38.精密针孔对焦平面处的像进行低通滤波，将次级衍射峰对应的高频分量滤掉，仅使中心的均匀光束通过。
39.第二傅里叶透镜对像面过来的匀化光束进行傅里叶逆变换，并输出准直光束，入射到扫描聚焦系统中，得到如图5所示的无次级衍射峰的能量分布用于加工。
40.另外，优选的，由振镜和场镜组成扫描聚焦系统，配合上述光学系统，可以在特定范围内得到尺寸一致、能量分布均匀的加工光斑。
41.在一个实施方式中，第一傅里叶透镜与精密针孔之间的焦距范围例如为50-500mm，更优范围为100-300mm，由于空间滤波系统的总长为两片傅里叶透镜焦距之和，设置上述范围可避免焦距过大导致系统结构增大，同时避免焦距过小，保证成像质量、并且同精密针孔的加工精度相匹配。
42.在一个实施方式中，所述精密针孔的形状与所述整形光斑形状相同。值得一提的时，整形光斑及其对应的精密针孔的形状可以为圆形、方形等形状，本技术并不以此为限制。
43.在一个实施方式中，精密针孔尺寸范围例如根据公式l＝2.54λf/d进行确定，其中，λ为所述高斯光束的波长，f为所述第一傅里叶透镜的焦距，d为所述高斯光束的直径。具体的，所述精密针孔尺寸范围为(1
±
10％)l，既可以去除高频旁瓣，也不影响低频部分整形光斑的能量分布，以确保良好的滤波效果。
44.在一个具体的实施方式中，例如高斯光束的波长为355nm，光束直径为4mm，经过doe器件整形，利用二轴扫描振镜和焦距为255mm的场镜，在160
×
160幅面上获得45μm方形无旁瓣的方形光斑。系统衍射极限为27.6μm，目标光斑尺寸为系统衍射极限的1.63倍，可以预见的是，直接得到的整形光斑能量分布如图3所示，光斑的旁瓣将会影响加工效果。
45.承上所述，例如使用一组空间滤波系统系统，第一傅里叶透镜的焦距为100mm，第二傅里叶透镜的焦距为100mm；第一傅里叶透镜在焦平面上的像，主峰宽度为17.6μm，针孔的形状为方形，边长为20
±
1μm，将主峰两侧的次级衍射峰滤掉，从而在场镜焦平面上获得如图4中所示的45μm的无旁瓣光斑。
46.综上所述，本发明实施例提出的一种激光扫描加工系统，通过整形器对高斯光束进行相位调制得到能量均匀分布的平顶光束，设置满足该高斯光束衍射极限性能的空间滤波系统，对整形后的光束进行低通滤波，以除去平顶光束能量分布的次级衍射峰，能够得到无旁瓣的光束，提高材料精密加工质量；设置的空间滤波系统通过第一傅里叶透镜对入射
的平顶光束进行傅里叶变换，在焦平面处得到带有次级衍射峰的像，精密针孔对焦平面处的像进行低通滤波，将次级衍射峰对应的高频分量滤掉，仅使中心的均匀光束通过，第二傅里叶透镜对像面过来的均匀光束进行傅里叶逆变换，以输出准直光束，整体系统结构简单、紧凑、且成本较低；精密针孔尺寸范围根据公式l＝2.54λf/d确定，其中λ为所述高斯光束的波长，f1为所述第一傅里叶透镜的焦距，d为所述高斯光束的直径，当尺寸范围满足(1
±
5％)m或者(1
±
10％)l时，既可以去除高频旁瓣，也不影响低频部分整形光斑的能量分布。
47.如图4所示，本发明第二实施例还提出一种激光扫描加工方法，例如包括步骤s1至s4。其中，步骤s1，将激光器出射的基模高斯光束进行扩束；步骤s2，将扩束后的所述高斯光束入射到作为衍射器件的整形器进行相位调制，以整形得到能量均匀分布的平顶光束；步骤s3，通过达到衍射极限光学性能的空间滤波系统对相位调制后的光束进行成像、低通滤波和准直，以除去所述平顶光束的次级衍射峰；步骤s4，对所述空间滤波系统出射的光束进行扫描和聚焦，得到无旁瓣的光斑。
48.进一步的，所述对相位调制后的光束进行成像、低通滤波和准直，以除去所述平顶光束能量分布的次级衍射峰，包括：由第一傅里叶透镜对相位调制后的光束进行傅里叶变换，在其焦平面上得到带旁瓣的平顶光斑；由精密针孔对所述带旁瓣的平顶光斑进行低通滤波；以及由第二傅里叶透镜对所述低通滤波后的光束进行傅里叶逆变换，得到准直光束。
49.其中，所述第一傅里叶透镜的后焦平面与所述第二傅里叶透镜的前焦平面重合，所述精密针孔位于重合的焦平面处，且所述精密针孔的中心与所述平顶光斑的中心重合。
50.所述第一傅里叶透镜在使用的光束直径以内聚焦光束的斯特列尔比＞90％；所述第二傅里叶透镜准直后的光束波前畸变＜0.25λ。
51.在一个实施方式中，所述由精密针孔对所述带旁瓣的平顶光束进行低通滤波例如包括：设置精密针孔尺寸范围为(1
±
10％)l，l＝2.54λf/d，以对所述高斯光束进行低通滤波，其中，λ为所述高斯光束的波长，f1为所述第一傅里叶透镜的焦距，d为所述扩束后的高斯光束的直径。
52.在一个实施方式中，所述第二傅里叶透镜与所述第一傅里叶透镜的焦距之比为f2/f1＝m，其中m》0。
53.在一个实施方式中，所述精密针孔的形状与所述平顶光斑形状相同。
54.值得一提的是，本发明第二实施例提出激光扫描加工方法适用于前述第一实施例中提出的激光扫描加工系统，具体的激光扫描加工系统的结构和功能可参考第一实施例所述的系统，为了简洁在此不再赘述，且本实施例提供激光扫描加工方法的有益效果与第一实施例提供的激光扫描加工系统的有益效果相同。
55.此外，可以理解的是，前述各个实施例仅为本发明的示例性说明，在技术特征不冲突、结构不矛盾、不违背本发明的发明目的前提下，各个实施例的技术方案可以任意组合、搭配使用。
56.最后应说明的是：以上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精神和范围。

技术特征：
1.一种激光扫描加工系统，其特征在于，包括：沿光路依次设置的激光器、扩束镜、整形器、空间滤波系统、扫描聚焦系统；其中，所述激光器出射基模高斯光束；所述扩束镜将所述高斯光束扩束至预设直径后入射到所述整形器；所述整形器为衍射器件，对扩束后的所述高斯光束进行相位调制，以整形得到能量均匀分布的平顶光束；所述空间滤波系统对相位调制后的平顶光束进行成像、低通滤波和准直，以除去平顶光斑能量分布的次级衍射峰；所述扫描聚焦系统对所述空间滤波系统出射的光束进行扫描和聚焦，得到无旁瓣的加工光斑；其中，所述空间滤波系统包括沿光路依次设置的：第一傅里叶透镜，对相位调制后的光束进行傅里叶变换，在其焦平面上得到带旁瓣的平顶光斑；精密针孔，对带旁瓣的平顶光束进行低通滤波；第二傅里叶透镜，对所述低通滤波后的光束进行傅里叶逆变换，得到准直光束；其中，所述第一傅里叶透镜的后焦平面与所述第二傅里叶透镜的前焦平面重合，所述精密针孔位于重合的焦平面处，且所述精密针孔的中心与所述光束的中心重合；所述第一傅里叶透镜在使用的光束直径以内聚焦光斑的斯特列尔比＞90％；所述第二傅里叶透镜准直后的光束波前畸变＜0.25λ。2.根据权利要求1所述的激光扫描加工系统，其特征在于，所述第二傅里叶透镜与所述第一傅里叶透镜的焦距之比为f2/f1＝m，其中m>0。3.根据权利要求2所述的激光扫描加工系统，其特征在于，所述第一傅里叶透镜和所述第二傅里叶透镜具有相同的光学结构参数，二者相对所述精密针孔镜像设置。4.根据权利要求1所述的激光扫描加工系统，其特征在于，所述精密针孔尺寸范围为(1
±
10％)l，l＝2.54λf1/d，其中，λ为所述高斯光束的波长，f1为所述第一傅里叶透镜的焦距，d为所述扩束后的高斯光束的直径。5.根据权利要求1所述的激光扫描加工系统，其特征在于，所述精密针孔的形状与所述平顶光斑形状相同。6.根据权利要求1所述的激光扫描加工系统，其特征在于，所述第一傅里叶透镜的焦距f1的范围为50-500mm。7.一种激光扫描加工方法，其特征在于，包括：将激光器出射的基模高斯光束进行扩束；将扩束后的所述基模高斯光束入射到衍射器件整形器进行相位调制，以整形得到能量均匀分布的平顶光束；通过空间滤波系统对相位调制后的平顶光束进行成像、低通滤波和准直，以除去平顶光斑的次级衍射峰；对所述空间滤波系统出射的光束进行扫描和聚焦，得到无旁瓣的加工光斑；其中，所述对相位调制后的平顶光束进行成像、低通滤波和准直，以除去所述平顶光束能量分布的次级衍射峰，包括：
由第一傅里叶透镜对相位调制后的平顶光束进行傅里叶变换，在其焦平面上得到带旁瓣的平顶光斑；由精密针孔对带旁瓣的平顶光束进行低通滤波；以及由第二傅里叶透镜对低通滤波后的光束进行傅里叶逆变换，得到准直光束；其中，所述第一傅里叶透镜的后焦平面与所述第二傅里叶透镜的前焦平面重合，所述精密针孔位于重合的焦平面处，且所述精密针孔的中心与所述平顶光斑的中心重合；所述第一傅里叶透镜在使用的光束直径以内聚焦光束的斯特列尔比＞90％；所述第二傅里叶透镜准直后的光束波前畸变＜0.25λ。8.根据权利要求7所述的激光扫描加工方法，其特征在于，所述由精密针孔对所述带旁瓣的平顶光束进行低通滤波，包括：设置精密针孔尺寸范围为(1
±
10％)l，l＝2.54λf1/d，以对所述带旁瓣的平顶光束进行低通滤波，其中，λ为所述高斯光束的波长，f1为所述第一傅里叶透镜的焦距，d为所述扩束后的高斯光束的直径。9.根据权利要求7所述的激光扫描加工方法，其特征在于，所述第二傅里叶透镜与所述第一傅里叶透镜的焦距之比为f2/f1＝m，其中m>0。10.根据权利要求7所述的激光扫描加工方法，其特征在于，所述精密针孔的形状与所述平顶光斑形状相同。

技术总结
本发明公开了一种基于激光扫描加工系统，包括：沿光路依次设置的激光器、扩束镜、整形器、空间滤波系统、扫描加工系统；其中，激光器出射基模高斯光束；扩束镜将所述高斯光束扩束至预设直径后入射到所述整形器；整形器为衍射器件对扩束后的高斯光束进行相位调制，以整形得到能量均匀分布的平顶光束；空间滤波系统达到衍射极限光学性能，其对相位调制后的光束进行成像、低通滤波和准直，以除去所述平顶光束能量分布的次级衍射峰；扫描加工系统对空间滤波系统出射的光束进行扫描和聚焦，得到无旁瓣的光斑。其可以解决现有激光扫描系统使用整形光斑加工，当光斑尺寸接近衍射极限时光斑四周出现次级衍射峰，加工出现旁瓣，影响加工效果的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：程晓伟 朱凡 陆红艳
受保护的技术使用者：帝尔激光科技（无锡）有限公司
技术研发日：2022.08.22
技术公布日：2023/8/24