科创中国

一种用于高功率激光加工的精密轴向调焦装置，其特征在于，包括：高功率激光源(1)，用于产生高功率线偏振激光束；汇聚透镜组(23)，用于将高功率线偏振激光束聚焦，形成汇聚光束；轴向调焦组件(2)，在轴向上选取汇聚光束焦点以外的任一点作为调焦中心点，设定以调焦中心点为中心的轴向调焦范围，轴向调焦组件(2)放置在该轴向调焦范围内且可轴向移动，用于反射汇聚光束，并通过轴向移动调整反射光束的发散角，实现轴向调焦；光束准直度补偿组件(3)，用于对反射光束的发散角进行放大或缩小以补偿光束准直度，补偿参考基准是调焦中心点的反射光束经过发散角放大或缩小后以准直光出射；二维扫描组件(4)，用于调整准直度补偿后光束在横向上两个维度的偏转方向，实现横向二维扫描；聚焦物镜(5)，用于对横向二维扫描光束聚焦。

本发明公开了一种用于高功率激光加工的精密轴向调焦装置及方法，属于高功率三维超快精密加工领域。设备包括：高功率激光源，产生高功率线偏振激光束；汇聚透镜组，将高功率线偏振激光束聚焦，形成汇聚光束；轴向调焦组件，在轴向上选取汇聚光束焦点以外的任一点作为调焦中心点，设定以调焦中心点为中心的轴向调焦范围，轴向调焦组件放置在该轴向调焦范围反射汇聚光束，并通过轴向移动调整反射光束的发散角，实现轴向调焦；光束准直度补偿组件，对反射光束的发散角进行放大或缩小；二维扫描组件，使准直度补偿后光束横向二维扫描；聚焦物镜，对扫描光束聚焦。本发明能够在实现大功率激光快速加工的同时提升聚焦光斑的质量。

随着激光技术的发展，尤其是高功率激光、超短脉冲激光、特殊波长激光技术的研发，使得激光技术在许多领域得到应用并发挥着重要作用，例如工业中采用激光进行焊接与切割，提高了加工精度与板件成型质量；医学应用中采用激光刀进行微创外科手术、眼科角膜屈光手术、角膜交联手术、视网膜移植术及晶状体囊切术等等，减轻了手术创伤且降低了术后并发症。

实现激光的三维扫描是激光加工技术应用的基础，横向XY方向的二维扫描技术已经较为成熟，如采用振镜、共振镜、AOD声光偏转器等方式，可实现对高功率激光的超快高精度扫描；在三维扫描技术中，轴向Z方向的扫描也提出许多技术方案，例如采用扩束镜调焦方案，通过改变前镜轴向位置从而改变扩束后光束发散角度，进而实现聚焦光斑的轴向调焦。该方案在高功率激光束加工应用中，扩束镜前镜会依据光斑尺寸较大而选择大尺寸透镜，可移动前镜的体积大、质量大，受惯性影响，轴向调焦速度非常受限；并且现有技术中，聚焦物镜一般只对焦平面做了像差优化，在焦平面处成像质量较好，偏离焦平面的聚焦点会引入一定量的像差，劣化光斑质量，仅仅采用改变光束发散角的方式进行轴向调焦，在偏离焦平面的聚焦光斑质量会劣化。

华中科技大学（Huazhong University of Science and Technology），简称华中大、华科大 ，位于湖北省武汉市，是中华人民共和国教育部直属的综合性研究型全国重点大学、位列国家“双一流”“985工程”“211工程”、入选“强基计划”“111计划”、卓越工程师教育培养计划、卓越医生教育培养计划、国家大学生创新性实验计划、国家级大学生创新创业训练计划、国家建设高水平大学公派研究生项目、国家级新工科研究与实践项目、基础学科拔尖学生培养计划2.0，是学位授权自主审核单位、全国深化创新创业教育改革示范高校、一流网络安全学院建设示范项目高校、中国政府奖学金来华留学生接收院校、教育部来华留学示范基地，为中欧工程教育平台成员和医学“双一流”建设联盟 、国际应用科技开发协作网 、全球能源互联网大学联盟成员。

(1)本发明的轴向调焦装置及方法，选择离焦位置进行轴向调焦，由于离焦位置处光斑相比于焦点处光斑直径大，能量密度远低于焦点处的能量密度，可以避免焦点处功率能量密度过高而损伤反射镜面，从而能够实现大功率激光加工，本发明的轴向调焦装置中的激光功率可高达近10KW，远高于现有技术中的激光功率；同时，通过光束准直度补偿组件使得从轴向调焦组件反射的光束的发散角放大或缩小以补偿光束准直度，补偿参考基准是调焦中心点的反射光束经过发散角放大或缩小后以准直光出射，能够使最终聚焦后的光斑聚焦在焦平面上，提升激光加工光斑的质量。

(2)进一步地，当汇聚透镜组和光束准直度补偿组件组成的系统的等效放大倍率(数值孔径与焦距)与聚焦物镜相同时，汇聚透镜组和光束准直度补偿组件组成的系统引入的波前像差能够补偿偏离聚焦物镜焦平面时引入的波前像差，能够提升在轴向调焦过程中，光斑聚焦在焦平面的下方和上方时的光斑的质量。

(3)优选的，通过设置的两个4-f系统，实现光束准直度补偿组件与聚焦物镜的光瞳匹配，将光束准直度补偿组件的出瞳等效到聚焦物镜的入瞳，以及将二维扫描器件等效到聚焦物镜的机械后瞳，在满足相差补充的位置关系的同时提升了扫描范围。

(4)优选的，轴向运动机构为音圈电机或压电陶瓷电机，带动反射镜实现一维高频稳定振动，实现超快精密轴向调焦。

总而言之，本发明的轴向调焦装置及方法，在实现大功率激光加工的同时，能够提升聚焦光斑的质量。并且，扫描范围大、轴向调焦速度快。

本专利成果采用技术转让，技术入股，技术合作等成果转化方式，希望进一步实现该专利的有益效果，有兴趣皆可面议。