(19)中华人民共和国国家知识产权局

• (21)申请号 202010783928.7

• (22)申请日 2020.08.06

• (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 112025088 A

(12)发明专利

(10)授权公告号 CN 112025088 B (45)授权公告日 2022.04.15

B23K 26/073(2006.01) B23K 26/70(2014.01)

审查员 彭绍

• (43)申请公布日 2020.12.04

• (73)专利权人 武汉华工激光工程有限责任公司 地址 430223 湖北省武汉市东湖开发区华 中科技大学科技园激光产业园

• (72)发明人 王雪辉 冯新康 雷桂明 喻浩 王建刚

• (74)专利代理机构 北京汇泽知识产权代理有限 公司 11228

代理人 代婵

(51)Int.Cl.

B23K 26/064(2014.01)

权利要求书2页 说明书6页 附图3页

(54)发明名称

一种激光光束像散补偿方法及激光加工系

统

(57)摘要

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。

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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

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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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一种激光光束像散补偿方法及激光加工系统

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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

[0004] 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。

[0005] 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： [0006] 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；

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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

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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。

• [0010] 进一步地，所述像散补偿装置采用平板玻璃。

• [0011] 进一步地，所述像散补偿装置采用单片光楔。

[0012] 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；

[0013] 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。

[0014] 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；

[0015] 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；

• [0016] 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；

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 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。

[0020] 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。

• [0021] 进一步地，所述像散补偿装置采用平板玻璃。

• [0022] 进一步地，所述像散补偿装置采用单片光楔。

[0023] 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。

[0024] 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。

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附图说明

• [0025] 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；

• [0026] 图2为像散补偿前聚焦及离焦光斑模拟图；

• [0027] 图3为像散补偿后聚焦及离焦光斑模拟图；

• [0028] 图4为平板玻璃像散示意图；

• [0029] 图5为本发明的3种像散补偿装置示意图；

• [0030] 图6为本发明聚焦后加像散补偿装置示意图；

• [0031] 图7为本发明聚焦前加像散补偿装置示意图；

• [0032] 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。

[0033] 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

[0034] 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。

[0035] 实施例一

• [0036] 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：

[0037] 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；

[0038] 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。

[0039] 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。

[0040] 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。

[0041] 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。

[0042] 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。

[0043] 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

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