基于波前调制的可控激光加工装置

摘要

本发明涉及一种基于波前调制的可控激光加工装置，包括激光加工头、照射模块、光电检测分析模块，照射模块和光电检测分析模块分别位于激光激光加工头激光出射机械边缘不同位置，照射模块的出射光束覆盖到激光加工头激光加工工作区域及周边区域，且照射模块出射光束覆盖区域内的光场入射光电检测分析模块;在激光加工光路上设置有光场波前调制元件，实现聚焦光斑整形，提高激光加工性能，并将光学物质分析技术和光电位置检测技术相结合，照射模块出射光照射激光加工头激光加工及周边区域，光电检测分析模块检测被照区域内物质成分信息和运动位置信息，避免非代加工物体进入激光加工区域，实现激光加工装置的激光安全可控。

权利要求

1.一种基于波前调制的可控激光加工装置，包括激光加工头(1)、照射模块(2)、光电检测分析模块(3)，其特征在于：所述激光加工头(1)由电源部件(101)、激光器(102)、波前调制元件(103)、聚焦元件(104)和窗口片(105)构成，电源部件(101)与激光器(102)相连接，提供电力能源，所述激光器(102)出射光路上依次设置有波前调制元件(103)、聚焦元件(104)和窗口片(105)，窗口片(105)将激光系统与加工区域进行物质交换隔离；所述照射模块(2)和光电检测分析模块(3)分别位于激光加工头激光出射机械边缘不同位置，照射模块(2)的出射光束覆盖到激光加工头(1)激光加工工作区域及周边区域，且照射模块(2)出射光束覆盖区域内的光场入射光电检测分析模块(3)；所述照射模块(2)由检测光源(201)和照射光学部件(202)构成，照射光学部件(202)设置在检测光源(201)出射光路上，用于实现光束整形；所述光电检测分析模块(3)由检测光学组件(301)、分光元件(302)、二维光电探测器(303)、滤光元件(304)、成分光电探测器(305)构成，检测光学组件(301)设置在光电检测分析模块(3)光场入射光路上，检测光学组件(301)透射光路上设置分光元件(302)，分光元件(302)将光路分成第一路光路和第二路光路，第一路光路上设置有二维光电探测器(303)，第二路光路上依次设置有滤光元件(304)、成分光电探测器(305)。

2.根据权利要求1所述的基于波前调制的可控激光加工装置，其特征在于：所述的电源部件(101)为独立电源或电源转接部件。

3.根据权利要求1所述的基于波前调制的可控激光加工装置，其特征在于：所述的波前调制元件(103)为液晶型波前调制元件或晶体波前调制元件或微纳结构波前调制元件中的任一种。

4.根据权利要求1所述的基于波前调制的可控激光加工装置，其特征在于：所述的检测光源(201)为半导体激光器或固体激光器或二极管激光器中的任一种。

5.根据权利要求1所述的基于波前调制的可控激光加工装置，其特征在于：所述的二维光电探测器(303)为电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体电传感器。

6.根据权利要求1所述的基于波前调制的可控激光加工装置，其特征在于：所述的成分光电探测器(305)为光电二极管或雪崩管或光电倍增管中的任一种。

说明书

基于波前调制的可控激光加工装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种激光聚焦装置，特别是一种基于波前调制的可控激光聚焦装置，主要用于激光切割、激光打标、激光打孔、激光焊接、激光热处理、激光成型、激光3D打印、激光光刻、光信息存储、光学微操纵、光电检测等领域中的可控激光加工。

背景技术

[0002] 激光加工装置广泛存在于激光光刻、光信息存储、光学微操纵、光电检测、激光加工等领域。例如，在激光加工系统中，利用聚焦激光束进行材料的热加工或冷加工，按照具体加工动作可以分为激光焊接、激光切割、激光打标、激光打孔、激光热处理、激光成型、激光3D打印等，已经广泛应用于材料、汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造、轻工业等行业。

[0003] 在先技术中，存在激光加工装置，参见意大利PRIMA公司激光切割机、深圳大族公司激光焊接机和激光切割机、武汉金运公司的激光雕花打孔机，武汉楚天公司、武汉团结、华工科技等公司的激光加工装置，均在多领域有很好使用，在激光加工领域起着重要的推动作用，具有相当的优点，但是，仍然存在一些不足：1）激光加工采用激光出射光束直接进行加工，或者经过聚焦后利用焦点区域进行加工，未发挥波前调制对聚焦光斑进行调控的作用，没有使用波前偏振和相位调控技术，充分发挥激光加工装置的加工特性潜力；2）激光加工装置在安全防护方面采用的措施，是针对于装置使用过程和使用流程中的各个环节进行人员行为规范，如果使用人员未按照规范进行造作或者使用过程中存在误操作，仍然存在受到安全方面威胁的可能；3）激光安全控制方面，在激光加工装置本身使用的方法为提示警告标示，在设备上设置安全警告标示，同样需要人员对标示有认识，并且具有一定知识背景，需要过程中的人机交互，对装置靠近人员有要求，存在安全控制漏洞；4）缺乏激光加工装置自身激光安全控制措施，安全保证等级低，并且激光加工装置没有实现安全识别和分析的功能、智能化程度低、灵活性差、激光安全控制响应速度慢。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种基于波前调制的可控激光加工装置，具有波前调制、光束质量高、焦斑横向尺寸小、焦深长、加工效果好、方法简单、便于构建、客观可靠、智能化程度高、主动安全控制、控制响应速度快、模块化程度高、灵活性强、功能易于扩充、应用范围广等特点。

[0005] 本发明的技术方案是： 一种基于波前调制的可控激光加工装置，包括激光加工头、照射模块、光电检测分析模块，所述激光加工头由电源部件、激光器、波前调制元件、聚焦元件和窗口片构成，电源部件与激光器相连接，提供电力能源，所述激光器出射光路上依次设置有波前调制元件、聚焦元件和窗口片，窗口片将激光系统与加工区域进行物质交换隔离；所述照射模块和光电检测分析模块分别位于激光激光加工头激光出射机械边缘不同位置，照射模块的出射光束覆盖到激光加工头激光加工工作区域及周边区域，且照射模块出射光束覆盖区域内的光场入射光电检测分析模块；所述照射模块由检测光源和照射光学部件构成，照射光学部件设置在检测光源出射光路上，用于实现光束整形；所述光电检测分析模块由检测光学组件、分光元件、二维光电探测器、滤光元件、成分光电探测器构成，检测光学组件设置在光电检测分析模块光场入射光路上，检测光学组件透射光路上设置分光元件，分光元件将光路分成第一路光束和第二路光路，第一路光束上设置有二维光电探测器，第二路光路上依次设置有滤光元件、成分光电探测器。

[0006]  所述的电源部件为独立电源或电源转接部件。所述的波前调制元件为液晶型波前调制元件或晶体波前调制元件或微纳结构波前调制元件中的任一种。所述的检测光源为半导体激光器或固体激光器或二极管激光器中的任一种。所述的二维光电探测器为电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体电传感器。 所述的成分光电探测器为光电二极管或雪崩管或光电倍增管中的任一种。

[0007] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0008] 1）在先技术激光加工装置采用激光出射光束直接进行加工，或者经过聚焦后利用焦点区域进行加工，未发挥波前调制对聚焦光斑进行调控的作用，没有使用波前偏振和相位调控技术，充分发挥激光加工装置的加工特性潜力。本发明基于激光波前调制技术和光电检测原理在激光加工光路上设置有光场波前调制元件，实现聚焦光斑整形，充分发挥波前偏振和相位调控技术，发挥激光加工装置的加工特性潜力，提高激光加工性能。

[0009] 2）在先技术安全防护方法针对于装置使用过程和使用流程中的各个环节进行人员行为规范，如果使用人员未按照规范进行造作或者使用过程中存在误操作，流程繁琐，并且仍然存在受到安全方面威胁和作用的可能。本发明基于光电检测原理，将光学物质分析技术和光电位置检测技术相结合，在激光激光加工头激光出射机械边缘刚性加装照射模块和光电检测分析模块，通过判断区域内是否存在非待加工物体，实现激光加工装置的激光安全防护，具有方法简单、便于构建、不受人员本身因素限制、客观可靠等特点；

[0010] 3）在先技术激光加工装置本身使用的方法为提示警告标示，根据激光设备使用激光的特性进行安全等级评估，在设备上设置安全警告标示，同样需要人员对标示有认识，并且具有一定知识背景，需要过程中的人机交互，对装置靠近人员有要求，导致安全防护存在漏洞。本发明针对激光加工装置中激光安全核心部件激光加工头进行模块化增装，照射模块出射光照射激光加工头激光加工及周边区域，光电检测分析模块检测被照区域的物质成分信息和运动位置信息，无安全隐患；

[0011] 4）在先技术本质上缺乏激光加工装置自身激光安全防护措施，安全保证等级低，并且激光加工装置没有实现安全识别和分析的功能，智能化程度低，激光安全防护方法相应速度慢。本发明采用直接检测物质成分信息和运动位置信息，判断是否为非被加工物体进入加工区域，通过硬件物理关闭激光输出，具有主动防护、响应速度快、模块化程度高、灵活性强、功能易于扩充、应用范围广等特点。

附图说明

[0012] 图1为本发明的基于波前调制的可控激光加工装置结构示意图。

具体实施方式

[0013] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0014] 如图1所示，一种基于波前调制的可控激光加工装置，包括：激光加工头1、照射模块2和光电检测分析模块3；激光加工头1由电源部件101、激光器102、波前调制元件103、聚焦元件104和窗口片105构成，电源部件101与激光器102相连接，提供电力能源，激光器102出射光路上依次设置有波前调制元件103、聚焦元件104和窗口片105，窗口片105将激光系统与加工区域进行物质交换隔离；照射模块2和光电检测分析模块3分别位于激光激光加工头激光出射机械边缘不同位置，照射模块2的出射光束可以覆盖到激光加工头1激光加工工作区域及周边区域，照射模块2出射光束可以覆盖区域内的光场可以入射光电检测分析模块3；照射模块2由检测光源201和照射光学部件202构成照射光学部件202设置在检测光源201出射光路上，实现光束整形；光电检测分析模块3由检测光学组件301、分光元件302、二维光电探测器303、滤光元件303、成分光电探测器305构成，检测光学组件301设置在光电检测分析模块3光场入射光路上，检测光学组件301透射光路上设置有分光元件302，分光元件
302将光路分成第一路光束和第二路光路，第一路光束设置有二维光电探测器303，第二路光路上依次设置有滤光元件304、成分光电探测器305。

[0015] 本实施例中，电源部件101为电源转接部件，波前调制元件103为微纳结构波前调制元件，检测光源201为二极管激光器，二维光电探测器303为电荷耦合器件，305成分光电探测器为雪崩管，成分分析为血红蛋白特征分析。

[0016] 本实施例的工作过程：照射模块2和光电检测分析模块3分别位于激光激光加工头激光出射机械边缘不同位置，照射模块2的出射光束可以覆盖到激光加工头1激光加工工作区域及周边区域，照射模块2出射光束可以覆盖区域内的光场可以入射光电检测分析模块3；激光器102出射光路上依次设置有波前调制元件103、聚焦元件104和窗口片105，窗口片
105将激光系统与加工区域进行物质交换隔离，避免内容激光系统在加工过程中受到污染，波前调制元件103对激光器102出射光束进行波前偏振态和相位分布进行调制，调制后的光束经过聚焦元件104聚焦，透射窗口片105到激光加工区域，实现聚焦光斑整形，充分发挥波前偏振和相位调控技术，实现小加工特征尺寸和长焦深的特性。照射模块2中的检测光源
201出射光束，经过照射光学部件202整形后，照射到激光加工头1激光加工工作区域及周边区域，当非被加工物体接近加工工作区域过程中，检测光源201出射光束照射在非被加工物体4的上表面402上发生光散射效应；散射光场经过检测光学组件301入射光电检测分析模块3，被分光元件302将光路分成第一路光束和第二路光路，第一路光束设置有二维光电探测器303采集散斑分布图，通过分析散斑图演化过程得到非被加工物体4位置和移动信息，第二路光路上依次设置有滤光元件304将能够体现生命特征的物质光谱线透过，由成分光电探测器305实现光电转化，得到生命体征物质信息信号，实施例中，生命特征为血红蛋白特征，光电检测分析模块3检测到被照区域的物质信息和非被加工物体4上表面402运动位置信息，在非被加工物体4尚未接近激光加工焦点401前，硬件上停止激光输出和激光加工活动，实现激光加工装置的激光安全控制。

[0017] 本实施例在激光切割和激光打标两种激光加工模式下进行实验个，采用波前相位和偏振调制，实现了200纳米激光切割加工特征尺寸，在光敏感膜层材料，实现了95纳米的激光打标加工特征尺寸；生命体征通过血红蛋白浓度来辨别，当操作人员的手进入激光加工头激光加工区域外的附近时，本方法检测到血红蛋白浓度显示存在并且具有一定浓度值，激光散斑检测也显示手在靠近激光加工头，以免发生安全事故，装置立即采取关闭激光输出，实现了激光加工装置的激光安全控制，具有波前调制、光束质量高、焦斑横向尺寸小、焦深长、加工效果好、方法简单、便于构建、客观可靠、智能化程度高、主动安全控制、控制响应速度快、模块化程度高、灵活性强、功能易于扩充、应用范围广等特点。

[0018] 本发明中激光加工装置使用、激光加工头机械连接、传感器电子电路、散斑行为分析等均为成熟技术。本发明的发明点在于基于激光波前调制技术和光电检测原理，在激光加工光路上设置有光场波前调制元件，提高激光加工性能，并将光学物质分析技术和光电位置检测技术相结合，在激光加工头激光出射机械边缘刚性加装照射模块和光电检测分析模块，光电检测分析模块检测被照区域内物质成分信息和运动位置信息，避免非代加工物体进入激光加工区域，实现激光加工装置的激光安全可控。