-PAGE1-多焦點(diǎn)激光切割國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀文獻(xiàn)綜述在使用單焦點(diǎn)激光切割時(shí)，激光器的主要能量集中于一點(diǎn)，在整體材料中能量分布不均勻難以保證切割分離過程中的穩(wěn)定性，切割斷面精度也不夠。為防止激光焦點(diǎn)處能量密度過高導(dǎo)致的對(duì)材料的燒蝕，利用多焦點(diǎn)激光進(jìn)行切割分離時(shí)，可改變透鏡焦點(diǎn)位置，能量分布等參數(shù)，使得各焦點(diǎn)位置及能量能在玻璃厚度方向得到分布均勻分布，因此可以實(shí)現(xiàn)大厚度材料的加工。丹麥的FORCEInstitute公司REF_Ref28311\r\h[8]最先實(shí)現(xiàn)了雙焦點(diǎn)激光切割。如REF_Ref13087\h圖1-4(a)所示，加拿大瑞爾森大學(xué)的VENKATAKRISHNAN等REF_Ref28765\r\h[9]人在此基礎(chǔ)上，使用平凸透鏡，波片等光學(xué)器件，實(shí)現(xiàn)了雙焦點(diǎn)激光材料加工，其主要原理結(jié)構(gòu)如REF_Ref13087\h圖1-4(b)所示,可適當(dāng)調(diào)節(jié)兩焦點(diǎn)焦距與功率。然而，該加工系統(tǒng)的焦點(diǎn)光斑直徑過小，無法實(shí)現(xiàn)大厚度材料的加工。(a)(b)(a)(b)圖1-SEQ圖1-\*ARABIC4雙焦點(diǎn)透鏡原理圖(a)雙焦點(diǎn)透鏡(b)雙焦點(diǎn)形成光路示意圖REF_Ref28765\r\h[9]為改善材料厚度對(duì)激光加工效果的影響，2013年，華中科技大學(xué)段軍等提出了一種單焦點(diǎn)雙激光束切割材料的方法REF_Ref29823\r\h[10]，首次將飛秒激光器與連續(xù)光纖激光器巧妙結(jié)合，研制出KDP晶體的雙光束分離技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)KDP晶體的高效分離，不僅切割速度提升，而且面型精度也大大提高。然而該方法仍然很難保證脆性材料沿厚度方向的加工質(zhì)量，影響切割面的質(zhì)量。2017年，華中科技大學(xué)的段軍等REF_Ref29872\r\h[11]為改進(jìn)上述技術(shù)的缺陷，又提出了激光多焦點(diǎn)切割技術(shù)，如REF_Ref13309\h圖1-5所示。圖1-SEQ圖1-\*ARABIC5多焦點(diǎn)透鏡原理圖REF_Ref29872\r\h[11]激光多焦點(diǎn)加工系統(tǒng)可調(diào)整激光能量分布，從而實(shí)現(xiàn)高效分離，分離材料內(nèi)部受熱均勻，裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定，可很好地改進(jìn)加工效果和提升加工效率，提高切割表面精度。目前的激光多焦點(diǎn)切割系統(tǒng)還處于起步階段，系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性還未明確，還不能完全實(shí)現(xiàn)工業(yè)上的全自動(dòng)化生產(chǎn)。因此提出一種穩(wěn)定性高，成本低廉，廣泛應(yīng)用的多焦點(diǎn)激光分離方案十分可行。而在多焦點(diǎn)激光加工中，使用多焦點(diǎn)透鏡實(shí)現(xiàn)激光光束能量分離最為高效，在光學(xué)系統(tǒng)中對(duì)器件位置調(diào)整即可靈活的應(yīng)用于其他應(yīng)用場(chǎng)合。而目前的多焦點(diǎn)透鏡多用于顯微聚焦，激光調(diào)制領(lǐng)域，很少有將其用于激光切割領(lǐng)域。目前的多焦點(diǎn)透鏡的實(shí)現(xiàn)有兩種主要方法：二元光學(xué)元件（BOE元件）和菲涅爾波帶片法。其中，二元光學(xué)元件中以微透鏡多焦點(diǎn)陣列，空間光調(diào)制器，超表面多聚焦透鏡三種元件實(shí)現(xiàn)為主。如下REF_Ref15207\h表1-1所示。在菲涅爾透鏡在太陽能發(fā)電聚焦系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)上，改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)透鏡在激光加工中的應(yīng)用，是一種可行方案。表1-SEQ表1-\*ARABIC1不同二元光學(xué)多焦點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比二元光學(xué)多焦點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)微透鏡多焦點(diǎn)陣列單元尺寸小、集成度高1.多個(gè)透鏡縱向疊加的透鏡陣列干涉效應(yīng)太嚴(yán)重，影響了多焦點(diǎn)透鏡的聚焦性能2.只能生成固定的光斑陣列，使用起來不夠靈活超表面全息多焦點(diǎn)透鏡可避免傳統(tǒng)微透鏡陣列的缺陷1.超表面結(jié)構(gòu)的制備較為復(fù)雜2.雖然可以生成固定的光斑陣列,使用起來不夠靈活3.成本較高空間光調(diào)制器操控簡(jiǎn)單，損失小，可對(duì)光斑陣列進(jìn)行宏觀調(diào)控多用于微納光學(xué)和超快激光加工，不適用于脆性材料。大型空間光調(diào)制器成本較高由于微透鏡的微小尺寸，微透鏡陣列中若干個(gè)透鏡疊加造成陣列干涉效應(yīng)，十分影響整體多焦點(diǎn)透鏡的聚焦性能。而用等離子體實(shí)現(xiàn)的超表面透鏡雖然可以避免傳統(tǒng)微透鏡陣列干涉效應(yīng)的缺陷，但超表面結(jié)構(gòu)的制備較為復(fù)雜，雖然可以生成固定的光斑陣列,使用起來不夠靈活，制備成本較高。空間光調(diào)制器可以很好地解決上述兩種方法的不足，但空間光調(diào)制器多用于微納加工和超快激光加工，目前未有將其使用于激光熱裂加工或激光熱熔加工的案例。并且，使用大型空間光調(diào)制器成本較高。因此，菲涅爾波帶片法是目前最合適實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)切割?yuàn)A層玻璃的方法。在菲涅爾透鏡在太陽能發(fā)電聚焦系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)上，改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)透鏡在激光加工中的應(yīng)用，是一種可行方案。（4）菲涅爾波帶片法2006年，韓國(guó)世宗大學(xué)的RyuKwangsunREF_Ref32423\r\h[14]等人研究了用于光伏系統(tǒng)的模塊化菲涅耳透鏡，透鏡由多個(gè)獨(dú)立模塊組成，每個(gè)模塊的焦點(diǎn)位置不同，可改善焦平面的輻照度均勻性。由上述多模塊設(shè)計(jì)法的啟發(fā)，2009年，D.V.Moliní等人REF_Ref32472\r\h[15]設(shè)計(jì)了一種PMMA多焦點(diǎn)菲涅爾透鏡，該透鏡為正方形，如REF_Ref17404\h圖1-7(a)所示。根據(jù)三個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)由三個(gè)不同的區(qū)域組成:中心區(qū)域采用傍軸公式設(shè)計(jì)，中間區(qū)域采用菲涅耳經(jīng)典公式設(shè)計(jì)，邊緣區(qū)域的目的是通過棱鏡表面的全內(nèi)反射使光發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這三個(gè)區(qū)域都有不同的焦點(diǎn)區(qū)域和不同的光軸，所以在焦平面能量分布會(huì)更均勻，如REF_Ref17404\h圖1-7(b)中所示，光線經(jīng)過透鏡后在A,B,C點(diǎn)分別聚焦。改善了平面的輻照度均勻性。(b)(a)(b)(a)圖1-SEQ圖1-\*ARABIC6D.V.Moliní等人設(shè)計(jì)的多焦點(diǎn)透鏡結(jié)構(gòu)示意圖及焦點(diǎn)位置分布圖(a)透鏡設(shè)計(jì)分區(qū)示意圖，(b)電池表面的焦點(diǎn)位置分布圖REF_Ref32472\r\h[15]2010年，武漢理工大學(xué)吳賀利REF_Ref736\r\h[17]設(shè)計(jì)了一種多焦點(diǎn)菲涅爾透鏡，從非成像光學(xué)設(shè)計(jì)原理出發(fā)，設(shè)計(jì)多焦點(diǎn)菲涅爾透鏡的整體結(jié)構(gòu)，使太陽光能量在接收器表面多點(diǎn)分布，并對(duì)其設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真分析，改善了太陽能聚光器焦平面的輻照度均勻性。其設(shè)計(jì)原理如REF_Ref17662\h圖1-8所示。其仿真結(jié)果顯示，改善后的菲涅爾透鏡聚光均勻性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)菲涅爾透鏡。圖1-SEQ圖1-\*ARABIC7吳賀利等人提出的多焦點(diǎn)菲涅爾透設(shè)計(jì)原理圖REF_Ref736\r\h[17]2012年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉永強(qiáng)REF_Ref856\r\h[18]等對(duì)傳統(tǒng)菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)方案加以改進(jìn)，利用分區(qū)多焦點(diǎn)疊加的方法，確定一種均勻聚光菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其聚光性能進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)結(jié)果如下REF_Ref17891\h圖1-9所示。圖1-SEQ圖1-\*ARABIC8均勻會(huì)聚菲涅爾透鏡平面示意圖REF_Ref856\r\h[18]目前多焦點(diǎn)菲涅爾波帶片的主要應(yīng)用場(chǎng)合集中在太陽能發(fā)電系統(tǒng)，是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的重要器件。卻鮮有將其應(yīng)用于激光切割領(lǐng)域。因此，將菲涅爾透鏡與夾層玻璃的激光切割聯(lián)系在一起不失為一種極佳選擇。參考文獻(xiàn)XihongZhang,HongHao,GuoweiMa.Parametricstudyoflaminatedglasswindowresponsetoblastloads[J].EngineeringStructures,2013,56.MehmetZülfüA??k,SelimTezcan.Amathematicalmodelforthebehavioroflaminatedglassbeams[J].ComputersandStructures,2005,83(21).劉朋.多焦點(diǎn)激光分離脆性透射材料機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué),2019.莊鴻武.皮秒激光多焦點(diǎn)隱形切割脆性材料研究[D].江蘇大學(xué),2017.孫傳松,程相孟,代祥俊,王延遐,周繼磊.激光熱應(yīng)力控制斷裂切割技術(shù)的研究進(jìn)展[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2019,40(01):9-22.Wu-JungTsai,Chun-JenGu,Chung-WeiCheng,Ji-BinHorng.InternalmodificationforcuttingtransparentglassusingfemtosecondBesselbeams[J].OpticalEngineering,2014,53(5).燕天陽,季凌飛,LiLin,Amina,王文豪,林真源,楊強(qiáng).采用化學(xué)腐蝕輔助皮秒激光成絲技術(shù)獲得藍(lán)寶石亞微米級(jí)精細(xì)切面的研究[J].中國(guó)激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