基于艾里光束的切割系统及方法与流程

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1.本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于艾里光束的切割系统及方法。

背景技术：

2.激光切割是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的(如0.1mm左右)切缝，完成对材料的切割。
3.在现有的激光切割中，通常将激光的光斑位置固定，而通过精确控制三轴位移台在各方向的位移来实现对被切割对象的塑形。

技术实现要素：

4.本发明目的在于公开一种基于艾里光束的切割系统及方法，以实现对切割光斑的精准定位及灵活进行位置切换。
5.为达上述目的，本发明公开的基于艾里光束的切割系统包括：
6.激光光源；
7.共光轴的偏振片、偏振光栅旋转组件和透镜；
8.所述偏振光栅旋转组件，包括偏振艾里光束发生器和能分别绕光轴360
°
旋转的第一偏振光栅和第二偏振光栅；
9.所述第一偏振光栅用于将入射的线性偏振光经一次偏转后分成左旋圆偏高斯光和右旋圆偏高斯光；
10.所述第二偏振光栅用于将左旋圆偏高斯光经二次偏转后转换成出射至所述偏振艾里光束发生器的右旋圆偏高斯光，以及将右旋圆偏高斯光经二次偏转后转换成出射至所述偏振艾里光束发生器的左旋圆偏高斯光；
11.所述偏振艾里光束发生器具有偏振敏感属性，用于将左旋圆偏高斯光转换成右旋圆偏艾里光束、以及将右旋圆偏高斯光转换成左旋圆偏艾里光束；
12.其中，所述第一偏振光栅、所述第二偏振光栅与所述偏振艾里光束发生器三者紧贴以能将入射的线性偏振光分离成两束基于光轴对称的艾里光束、且随所述第一偏振光栅和/或所述第二偏振光栅旋转而改变偏转方向的各出射的艾里光束能视为同一出射点；
13.控制所述第一偏振光栅和第二偏振光栅旋转角度的控制主机；
14.所述控制主机用于通过控制所述第一偏振光栅和所述第二偏振光栅的旋转角度来定位及切换出透镜后各个艾里光束焦点在定焦平面上的位置坐标，所述定焦平面与光轴垂直并部署有置于切割台上的被切割对象。
15.优选地，本实施例系统还包括：能动态插拔式部署于所述偏振片与所述偏振光栅旋转组件之间的1/4波片，所述1/4波片快轴与所述偏振片透光方向顺时针或逆时针成45
°
，以将入射的线性偏振光转换成出射的左旋圆偏高斯光或右旋圆偏高斯光；与之配套的，所述第一偏振光栅还用于将左旋圆偏高斯光经一次偏转后转换成出射至所述偏振艾里光束
发生器的右旋圆偏高斯光，以及将右旋圆偏高斯光经一次偏转后转换成出射至所述偏振艾里光束发生器的左旋圆偏高斯光。
16.优选地，在本实施例系统中：所述1/4波片还连接有旋转驱动组件，所述旋转驱动组件用于驱动所述1/4波片在与所述偏振片透光方向成顺时针45
°
及逆时针成45
°
两种状态之间切换，以实现在所述偏振艾里光束发生器出射的基于光轴对称的艾里光束之间的动态择一切换。
17.为达上述目的，本发明还公开一种基于艾里光束的切割方法，包括：
18.部署如上所述的基于艾里光束的切割系统；
19.所述控制主机通过控制所述第一偏振光栅和所述第二偏振光栅的旋转角度来定位及切换出透镜后各个艾里光束焦点在定焦平面上的位置坐标，然后实现相应的切割。
20.优选地，本发明方法还包括：将所述1/4波片动态插拔式部署于所述偏振片与所述偏振光栅旋转组件之间，以实现在双艾里光束光斑与单艾里光束光斑之间的切换。
21.优选地，本发明方法还包括：以所述旋转驱动组件驱动述1/4波片在与所述偏振片透光方向成顺时针45
°
及逆时针成45
°
两种状态之间切换，以实现在所述偏振艾里光束发生器出射的基于光轴对称的艾里光束之间的动态择一切换。
22.本发明具有以下有益效果：
23.1、当入射偏振光栅旋转组件的是线性偏振光时，能形成出射的两束艾里光束，并最终在定焦平面上也形成两个对称的艾里光斑，从而使得在切割过程中，能同时作用于两个对称的位置，提高了切割效率。
24.2、当入射偏振光栅旋转组件的是线性偏振光时，基于本发明的两个对称的艾里光斑，其能量密度大的尖角部分随着旋转，要么同时朝外，要么同时朝里，从而使得最终切割的弧面也具有对称性，尤其适用于对条状物体的切割。
25.3、由于光束在第一偏振光栅和第二偏振光栅的作用下经过两次偏转，从而使得最终在定焦平面上的艾里光斑的位移范围能遍布一个完整的面。在位置切换过程中，切割台上被切割对象的位置固定不变，可通过反向推导，准确计算出第一偏振光栅和第二偏振光栅所对应的旋转角度，定位精度可控制在纳米级。换言之，即本发明第一偏振光栅与第二偏振光栅两个旋转角度与定焦平面上的二维坐标一一对应，从而能便捷高效地通过旋转第一偏振光栅和/或第二偏振光栅来切换艾里光斑在定焦平面上的对准坐标。
26.4、在部分时间点的切割过程中，存在只需要单个艾里光斑进行作业等情况，本发明可通过在偏振片与偏振光栅旋转组件之间添加1/4波片的方式屏蔽掉一个艾里光斑；从而可灵活便捷地在单个艾里光斑与双艾里光斑之间进行切换。
27.5、更进一步地，通过旋转调整上述1/4波片与偏振片透光方向成顺时针45
°
及逆时针成45
°
两种状态之间切换，可以实现所选用的单个艾里光斑在左旋圆偏艾里光斑与右旋圆偏艾里光斑之间的灵活且便捷地切换。
28.下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
29.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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：
30.图1是本发明实施例公开的基于艾里光束的切割系统结构框图。
31.图2是本发明实施例公开的对称艾里光斑尖角的一种状态示意图。
32.图3是本发明实施例公开的对称艾里光斑尖角的另一种状态示意图。
33.图4是本发明实施例公开的对称艾里光斑所形成一种弧形切割面的示意图。
34.图5是本发明实施例公开的对称艾里光斑所形成另一种弧形切割面的示意图。
35.图6是本发明实施例公开的基于艾里光束的切割方法流程示意图。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
37.实施例1
38.本实施例公开一种基于艾里光束的切割系统，如图1所示，包括：激光光源100、共光轴的偏振片200、偏振光栅旋转组件300和透镜400。
39.本实施例中，偏振光栅旋转组件包括偏振艾里光束发生器30和能分别绕光轴360
°
旋转的第一偏振光栅10和第二偏振光栅20。其中：
40.第一偏振光栅用于将入射的线性偏振光经一次偏转后分成左旋圆偏高斯光和右旋圆偏高斯光。
41.第二偏振光栅用于将左旋圆偏高斯光经二次偏转后转换成出射至偏振艾里光束发生器的右旋圆偏高斯光，以及将右旋圆偏高斯光经二次偏转后转换成出射至偏振艾里光束发生器的左旋圆偏高斯光。
42.偏振艾里光束发生器具有偏振敏感属性，用于将左旋圆偏高斯光转换成右旋圆偏艾里光束、以及将右旋圆偏高斯光转换成左旋圆偏艾里光束。
43.本实施例中，处于偏振光栅旋转组件中的第一偏振光栅、第二偏振光栅与偏振艾里光束发生器三者紧贴(优选地，两两之间的间隙在100纳米内)以能将入射的线性偏振光分离成两束基于光轴对称的艾里光束、且随第一偏振光栅和/或第二偏振光栅旋转而改变偏转方向的各出射的艾里光束能视为同一出射点。其中，透镜的作用则用于对偏振艾里光束发生器出射的艾里光束聚焦到定焦平面上；定焦平面即透镜的焦平面。
44.其中，本实施例的偏振艾里光束发生器基于材料的双折射特性及对空间分布进行取向处理即可使其具备偏振敏感性。相关材料可采用液晶或液晶聚合物等材料。
45.本实施例系统还包括控制第一偏振光栅和第二偏振光栅旋转角度的控制主机，用于通过控制第一偏振光栅和第二偏振光栅的旋转角度来定位及切换出透镜后各个艾里光束焦点在定焦平面上的位置坐标，定焦平面与光轴垂直并部署有置于切割台上的被切割对象。
46.综上，本实施例具备下述特征：
47.1、当入射偏振光栅旋转组件的是线性偏振光时，能形成出射的两束艾里光束，并最终在定焦平面上也形成两个对称的艾里光斑，从而使得在切割过程中，能同时作用于两个对称的位置，提高了切割效率。
48.2、当入射偏振光栅旋转组件的是线性偏振光时，基于本发明的两个对称的艾里光斑，其能量密度大的尖角部分随着旋转，如图2和图3所示，要么同时朝外，要么同时朝里，从
而使得最终切割的弧面也具有对称性，尤其适用于对条状物体的切割；例如：其最终形成的切割弧线如图4和图5所示。
49.3、由于光束在第一偏振光栅和第二偏振光栅的作用下经过两次偏转，从而使得最终在定焦平面上的艾里光斑的位移范围能遍布一个完整的面。在位置切换过程中，切割台上被切割对象的位置固定不变，可通过反向推导，准确计算出第一偏振光栅和第二偏振光栅所对应的旋转角度，定位精度可控制在纳米级。换言之，即本发明第一偏振光栅与第二偏振光栅两个旋转角度与定焦平面上的二维坐标一一对应，从而能便捷高效地通过旋转第一偏振光栅和/或第二偏振光栅来切换艾里光斑在定焦平面上的对准坐标。
50.进一步地，本实施例基于艾里光束的切割系统还包括：
51.能动态插拔式部署于偏振片与偏振光栅旋转组件之间的1/4波片，该1/4波片快轴与偏振片透光方向顺时针或逆时针成45
°
，以将入射的线性偏振光转换成出射的左旋圆偏高斯光或右旋圆偏高斯光。具体的，当该1/4波片快轴与偏振片透光方向顺时针成45
°
时，该1/4波片用以将入射的线性偏振光转换成出射的左旋圆偏高斯光；当该1/4波片快轴与偏振片透光方向逆时针成45
°
时，该1/4波片用以将入射的线性偏振光转换成出射的右旋圆偏高斯光。与之配套的，第一偏振光栅还用于将左旋圆偏高斯光经一次偏转后转换成出射至偏振艾里光束发生器的右旋圆偏高斯光，以及将右旋圆偏高斯光经一次偏转后转换成出射至偏振艾里光束发生器的左旋圆偏高斯光。
52.进一步地，本实施例系统中，上述1/4波片还连接有旋转驱动组件，该旋转驱动组件用于驱动1/4波片在与偏振片透光方向成顺时针45
°
及逆时针成45
°
两种状态之间切换，以实现在偏振艾里光束发生器出射的基于光轴对称的艾里光束之间的动态择一切换(即在左旋圆偏艾里光斑与右旋圆偏艾里光斑之间进行切换)。藉此，也便于在切换过程中，通过对左旋或右旋圆偏艾里光斑的选取来减少前述第一偏振光栅和第二偏振光栅的旋转角度调整幅度；有利于进一步提高切割效率。
53.实施例2
54.与上述实施例相对应的，本实施例公开一种基于艾里光束的切割方法，如图6所示，包括以下步骤：
55.步骤s1、部署基于艾里光束的切割系统。该系统即上述系统实施例的系统，具体可参照图1，不做赘述。
56.步骤s2、控制主机通过控制第一偏振光栅和第二偏振光栅的旋转角度来定位及切换出透镜后各个艾里光束焦点在定焦平面上的位置坐标，然后实现相应的切割。
57.优选地，本实施方法还包括：
58.步骤s3、将1/4波片动态插拔式部署于偏振片与偏振光栅旋转组件之间，以实现在双艾里光束光斑与单艾里光束光斑之间的切换。
59.进一步地，本实施例方法还包括：
60.步骤s4、以旋转驱动组件驱动述1/4波片在与偏振片透光方向成顺时针45
°
及逆时针成45
°
两种状态之间切换，以实现在偏振艾里光束发生器出射的基于光轴对称的艾里光束之间的动态择一切换。
61.同理，本实施例方法也具有以下有益效果：
62.1、当入射偏振光栅旋转组件的是线性偏振光时，能形成出射的两束艾里光束，并
最终在定焦平面上也形成两个对称的艾里光斑，从而使得在切割过程中，能同时作用于两个对称的位置，提高了切割效率。
63.2、当入射偏振光栅旋转组件的是线性偏振光时，基于本发明的两个对称的艾里光斑，其能量密度大的尖角部分随着旋转，要么同时朝外，要么同时朝里，从而使得最终切割的弧面也具有对称性，尤其适用于对条状物体的切割。
64.3、由于光束在第一偏振光栅和第二偏振光栅的作用下经过两次偏转，从而使得最终在定焦平面上的艾里光斑的位移范围能遍布一个完整的面。在位置切换过程中，切割台上被切割对象的位置固定不变，可通过反向推导，准确计算出第一偏振光栅和第二偏振光栅所对应的旋转角度，定位精度可控制在纳米级。换言之，即本发明第一偏振光栅与第二偏振光栅两个旋转角度与定焦平面上的二维坐标一一对应，从而能便捷高效地通过旋转第一偏振光栅和/或第二偏振光栅来切换艾里光斑在定焦平面上的对准坐标。
65.4、在部分时间点的切割过程中，存在只需要单个艾里光斑进行作业等情况，本发明可通过在偏振片与偏振光栅旋转组件之间添加1/4波片的方式屏蔽掉一个艾里光斑；从而可灵活便捷地在单个艾里光斑与双艾里光斑之间进行切换。
66.5、更进一步地，通过旋转调整上述1/4波片与偏振片透光方向成顺时针45
°
及逆时针成45
°
两种状态之间切换，可以实现所选用的单个艾里光斑在左旋圆偏艾里光斑与右旋圆偏艾里光斑之间的灵活且便捷地切换。
67.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于艾里光束的切割系统，其特征在于，包括：激光光源；共光轴的偏振片、偏振光栅旋转组件和透镜；所述偏振光栅旋转组件，包括偏振艾里光束发生器和能分别绕光轴360
°
旋转的第一偏振光栅和第二偏振光栅；所述第一偏振光栅用于将入射的线性偏振光经一次偏转后分成左旋圆偏高斯光和右旋圆偏高斯光；所述第二偏振光栅用于将左旋圆偏高斯光经二次偏转后转换成出射至所述偏振艾里光束发生器的右旋圆偏高斯光，以及将右旋圆偏高斯光经二次偏转后转换成出射至所述偏振艾里光束发生器的左旋圆偏高斯光；所述偏振艾里光束发生器具有偏振敏感属性，用于将左旋圆偏高斯光转换成右旋圆偏艾里光束、以及将右旋圆偏高斯光转换成左旋圆偏艾里光束；其中，所述第一偏振光栅、所述第二偏振光栅与所述偏振艾里光束发生器三者紧贴以能将入射的线性偏振光分离成两束基于光轴对称的艾里光束、且随所述第一偏振光栅和/或所述第二偏振光栅旋转而改变偏转方向的各出射的艾里光束能视为同一出射点；控制所述第一偏振光栅和第二偏振光栅旋转角度的控制主机；所述控制主机用于通过控制所述第一偏振光栅和所述第二偏振光栅的旋转角度来定位及切换出透镜后各个艾里光束焦点在定焦平面上的位置坐标，所述定焦平面与光轴垂直并部署有置于切割台上的被切割对象。2.根据权利要求1所述的基于艾里光束的切割系统，其特征在于，还包括：能动态插拔式部署于所述偏振片与所述偏振光栅旋转组件之间的1/4波片，所述1/4波片快轴与所述偏振片透光方向顺时针或逆时针成45
°
，以将入射的线性偏振光转换成出射的左旋圆偏高斯光或右旋圆偏高斯光；所述第一偏振光栅还用于将左旋圆偏高斯光经一次偏转后转换成出射至所述偏振艾里光束发生器的右旋圆偏高斯光，以及将右旋圆偏高斯光经一次偏转后转换成出射至所述偏振艾里光束发生器的左旋圆偏高斯光。3.根据权利要求2所述的基于艾里光束的切割系统，其特征在于，还包括：所述1/4波片还连接有旋转驱动组件，所述旋转驱动组件用于驱动所述1/4波片在与所述偏振片透光方向成顺时针45
°
及逆时针成45
°
两种状态之间切换，以实现在所述偏振艾里光束发生器出射的基于光轴对称的艾里光束之间的动态择一切换。4.一种基于艾里光束的切割方法，其特征在于，包括：部署如权利要求1至3任一所述的基于艾里光束的切割系统；所述控制主机通过控制所述第一偏振光栅和所述第二偏振光栅的旋转角度来定位及切换出透镜后各个艾里光束焦点在定焦平面上的位置坐标，然后实现相应的切割。5.根据权利要求4所述的基于艾里光束的切割方法，其特征在于，还包括：将所述1/4波片动态插拔式部署于所述偏振片与所述偏振光栅旋转组件之间，以实现在双艾里光束光斑与单艾里光束光斑之间的切换。6.根据权利要求5所述的基于艾里光束的切割方法，其特征在于，还包括：以所述旋转驱动组件驱动述1/4波片在与所述偏振片透光方向成顺时针45
°
及逆时针
成45
°
两种状态之间切换，以实现在所述偏振艾里光束发生器出射的基于光轴对称的艾里光束之间的动态择一切换。

技术总结

本发明涉及光学技术领域，公开一种基于艾里光束的切割系统及方法，以实现对切割光斑的精准定位及灵活进行位置切换。系统包括：激光光源；共光轴的偏振片、偏振光栅旋转组件和透镜；偏振光栅旋转组件包括偏振艾里光束发生器和能分别绕光轴旋转的第一偏振光栅和第二偏振光栅；且三者紧贴以能将入射的线性偏振光分离成两束基于光轴对称的艾里光束、且随第一偏振光栅和/或第二偏振光栅旋转而改变偏转方向的各出射的艾里光束能视为同一出射点；控制主机用于通过控制第一偏振光栅和第二偏振光栅的旋转角度来定位及切换出透镜后各个艾里光束焦点在定焦平面上的位置坐标，定焦平面与光轴垂直并部署有置于切割台上的被切割对象。轴垂直并部署有置于切割台上的被切割对象。轴垂直并部署有置于切割台上的被切割对象。