【《多焦点激光切割国内外研究现状文献综述》2500字】

-PAGE1-多焦点激光切割国内外研究现状文献综述在使用单焦点激光切割时，激光器的主要能量集中于一点，在整体材料中能量分布不均匀难以保证切割分离过程中的稳定性，切割断面精度也不够。为防止激光焦点处能量密度过高导致的对材料的烧蚀，利用多焦点激光进行切割分离时，可改变透镜焦点位置，能量分布等参数，使得各焦点位置及能量能在玻璃厚度方向得到分布均匀分布，因此可以实现大厚度材料的加工。丹麦的FORCEInstitute公司REF_Ref28311\r\h[8]最先实现了双焦点激光切割。如REF_Ref13087\h图1-4(a)所示，加拿大瑞尔森大学的VENKATAKRISHNAN等REF_Ref28765\r\h[9]人在此基础上，使用平凸透镜，波片等光学器件，实现了双焦点激光材料加工，其主要原理结构如REF_Ref13087\h图1-4(b)所示,可适当调节两焦点焦距与功率。然而，该加工系统的焦点光斑直径过小，无法实现大厚度材料的加工。(a)(b)(a)(b)图1-SEQ图1-\*ARABIC4双焦点透镜原理图(a)双焦点透镜(b)双焦点形成光路示意图REF_Ref28765\r\h[9]为改善材料厚度对激光加工效果的影响，2013年，华中科技大学段军等提出了一种单焦点双激光束切割材料的方法REF_Ref29823\r\h[10]，首次将飞秒激光器与连续光纤激光器巧妙结合，研制出KDP晶体的双光束分离技术。可实现KDP晶体的高效分离，不仅切割速度提升，而且面型精度也大大提高。然而该方法仍然很难保证脆性材料沿厚度方向的加工质量，影响切割面的质量。2017年，华中科技大学的段军等REF_Ref29872\r\h[11]为改进上述技术的缺陷，又提出了激光多焦点切割技术，如REF_Ref13309\h图1-5所示。图1-SEQ图1-\*ARABIC5多焦点透镜原理图REF_Ref29872\r\h[11]激光多焦点加工系统可调整激光能量分布，从而实现高效分离，分离材料内部受热均匀，裂纹扩展稳定，可很好地改进加工效果和提升加工效率，提高切割表面精度。目前的激光多焦点切割系统还处于起步阶段，系统的可行性与稳定性还未明确，还不能完全实现工业上的全自动化生产。因此提出一种稳定性高，成本低廉，广泛应用的多焦点激光分离方案十分可行。而在多焦点激光加工中，使用多焦点透镜实现激光光束能量分离最为高效，在光学系统中对器件位置调整即可灵活的应用于其他应用场合。而目前的多焦点透镜多用于显微聚焦，激光调制领域，很少有将其用于激光切割领域。目前的多焦点透镜的实现有两种主要方法：二元光学元件（BOE元件）和菲涅尔波带片法。其中，二元光学元件中以微透镜多焦点阵列，空间光调制器，超表面多聚焦透镜三种元件实现为主。如下REF_Ref15207\h表1-1所示。在菲涅尔透镜在太阳能发电聚焦系统领域应用的基础上，改进优化设计，实现多焦点透镜在激光加工中的应用，是一种可行方案。表1-SEQ表1-\*ARABIC1不同二元光学多焦点实现方法优缺点对比二元光学多焦点实现方法优点缺点微透镜多焦点阵列单元尺寸小、集成度高1.多个透镜纵向叠加的透镜阵列干涉效应太严重，影响了多焦点透镜的聚焦性能2.只能生成固定的光斑阵列，使用起来不够灵活超表面全息多焦点透镜可避免传统微透镜阵列的缺陷1.超表面结构的制备较为复杂2.虽然可以生成固定的光斑阵列,使用起来不够灵活3.成本较高空间光调制器操控简单，损失小，可对光斑阵列进行宏观调控多用于微纳光学和超快激光加工，不适用于脆性材料。大型空间光调制器成本较高由于微透镜的微小尺寸，微透镜阵列中若干个透镜叠加造成阵列干涉效应，十分影响整体多焦点透镜的聚焦性能。而用等离子体实现的超表面透镜虽然可以避免传统微透镜阵列干涉效应的缺陷，但超表面结构的制备较为复杂，虽然可以生成固定的光斑阵列,使用起来不够灵活，制备成本较高。空间光调制器可以很好地解决上述两种方法的不足，但空间光调制器多用于微纳加工和超快激光加工，目前未有将其使用于激光热裂加工或激光热熔加工的案例。并且，使用大型空间光调制器成本较高。因此，菲涅尔波带片法是目前最合适实现多焦点切割夹层玻璃的方法。在菲涅尔透镜在太阳能发电聚焦系统领域应用的基础上，改进优化设计，实现多焦点透镜在激光加工中的应用，是一种可行方案。（4）菲涅尔波带片法2006年，韩国世宗大学的RyuKwangsunREF_Ref32423\r\h[14]等人研究了用于光伏系统的模块化菲涅耳透镜，透镜由多个独立模块组成，每个模块的焦点位置不同，可改善焦平面的辐照度均匀性。由上述多模块设计法的启发，2009年，D.V.Moliní等人REF_Ref32472\r\h[15]设计了一种PMMA多焦点菲涅尔透镜，该透镜为正方形，如REF_Ref17404\h图1-7(a)所示。根据三个不同的标准由三个不同的区域组成:中心区域采用傍轴公式设计，中间区域采用菲涅耳经典公式设计，边缘区域的目的是通过棱镜表面的全内反射使光发生偏转。这三个区域都有不同的焦点区域和不同的光轴，所以在焦平面能量分布会更均匀，如REF_Ref17404\h图1-7(b)中所示，光线经过透镜后在A,B,C点分别聚焦。改善了平面的辐照度均匀性。(b)(a)(b)(a)图1-SEQ图1-\*ARABIC6D.V.Moliní等人设计的多焦点透镜结构示意图及焦点位置分布图(a)透镜设计分区示意图，(b)电池表面的焦点位置分布图REF_Ref32472\r\h[15]2010年，武汉理工大学吴贺利REF_Ref736\r\h[17]设计了一种多焦点菲涅尔透镜，从非成像光学设计原理出发，设计多焦点菲涅尔透镜的整体结构，使太阳光能量在接收器表面多点分布，并对其设计结果进行仿真分析，改善了太阳能聚光器焦平面的辐照度均匀性。其设计原理如REF_Ref17662\h图1-8所示。其仿真结果显示，改善后的菲涅尔透镜聚光均匀性明显优于传统菲涅尔透镜。图1-SEQ图1-\*ARABIC7吴贺利等人提出的多焦点菲涅尔透设计原理图REF_Ref736\r\h[17]2012年，哈尔滨工业大学的刘永强REF_Ref856\r\h[18]等对传统菲涅尔透镜的设计方案加以改进，利用分区多焦点叠加的方法，确定一种均匀聚光菲涅尔透镜设计方案，并对其聚光性能进行仿真分析，设计结果如下REF_Ref17891\h图1-9所示。图1-SEQ图1-\*ARABIC8均匀会聚菲涅尔透镜平面示意图REF_Ref856\r\h[18]目前多焦点菲涅尔波带片的主要应用场合集中在太阳能发电系统，是太阳能发电系统中的重要器件。却鲜有将其应用于激光切割领域。因此，将菲涅尔透镜与夹层玻璃的激光切割联系在一起不失为一种极佳选择。参考文献XihongZhang,HongHao,GuoweiMa.Parametricstudyoflaminatedglasswindowresponsetoblastloads[J].EngineeringStructures,2013,56.MehmetZülfüAşık,SelimTezcan.Amathematicalmodelforthebehavioroflaminatedglassbeams[J].ComputersandStructures,2005,83(21).刘朋.多焦点激光分离脆性透射材料机理及关键技术研究[D].华中科技大学,2019.庄鸿武.皮秒激光多焦点隐形切割脆性材料研究[D].江苏大学,2017.孙传松,程相孟,代祥俊,王延遐,周继磊.激光热应力控制断裂切割技术的研究进展[J].材料热处理学报,2019,40(01):9-22.Wu-JungTsai,Chun-JenGu,Chung-WeiCheng,Ji-BinHorng.InternalmodificationforcuttingtransparentglassusingfemtosecondBesselbeams[J].OpticalEngineering,2014,53(5).燕天阳,季凌飞,LiLin,Amina,王文豪,林真源,杨强.采用化学腐蚀辅助皮秒激光成丝技术获得蓝宝石亚微米级精细切面的研究[J].中国激光,2017,44(10):65-72.PowellJ.,TanW.K.,MaclennanP.,etal.Lasercuttingstainlesssteelwithdualfocuslenses.JournalofLaserApplications,2000,12(6):224-231B.Tan*,K.Venkatakrishnan.Dual-focuslasermicro-machining[J].