非对称分束激光加工透明材料的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种非对称分束激光加工透明材料的装置及其方法，属于激光加工技术领域。

背景技术

目前，对于脆性透明材料的激光加工技术，特别是玻璃材料，利用贝塞尔光束进行加工的方式已经获得较多的应用。受限于激光器本身性能的影响，特别是激光脉冲能量的限制，基本都采用单光束的方式进行加工。提高激光脉冲能量的方法有两个，一是提高激光器输出激光的最大功率，在相同脉冲重复频率下获得更高脉冲能量；二是维持功率基本不变或是稍微有所提高，降低脉冲重复频率以获得更高的脉冲能量或者是脉冲串的总能量；前者随着总功率的增加，技术要求高，且激光器的价格随之升高，性价比降低；后者因维持功率基本不变，技术门槛没有前者高，成本上升不大，但降低了重复频率，也降低了加工效率。在第二种情况下，采用分束的方法可以较大的提升加工效率，使激光器能量得到充分利用。激光分束的方法常用的方法是采用衍射光学组件，但在微小角度分束的情况下利用衍射原理要求入射光束的直径很大，实际使用中几乎无法应用；同时，贝塞尔光束本身具有的自重建特性使得光束在用折射方法分割后仍旧能维持贝塞尔光束的特性。另外，采用衍射光学组件，其成本较高。

因此，需要设计一种可降低成本、提升加工效率的激光加工方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种非对称分束激光加工透明材料的装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

非对称分束激光加工透明材料的装置，特点是：依光束传播方向设置有：

激光光源，为可输出宽度小于300纳秒、波长在343～2000纳米范围脉冲激光的脉冲激光器；

传输系统，对从激光光源输出的激光光束扩束、反射；

整形系统，将光束截面能量为高斯分布的激光光束转换为贝塞尔分布，形成贝塞尔光束；

分束系统，为具有至少两个楔形面结构的楔形棱镜，每个楔形面相对于光轴的夹角不同，将激光光束分割为至少两个部分，形成至少两束贝塞尔光束；

聚焦系统，对至少两束贝塞尔光束缩小汇聚成像聚焦。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，激光光源为可输出脉冲宽度为300fs~20ps、波长为1030或者1064nm的脉冲激光器。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，传输系统包含具有可调倍率与改变发散角的扩束镜以及对光束传播方向调整与准直的反射镜。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，整形系统为衍射光学透镜、轴棱锥或空间光调制器。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，楔形棱镜为单个镜片或由多个镜片拼接而成。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，楔形棱镜的楔形面的材料为同一种材料，或者不同种材料。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，楔形棱镜后置有窗口透镜或正透镜。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，正透镜形状为平凸透镜、双凸透镜或弯月透镜。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，正透镜的曲面为球面形式或者非球面形式，非球面形式为抛物面、双曲面或偶次非球面。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，聚焦系统为光学4f系统。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，聚焦系统包含同轴设置的两个正透镜，第一正透镜的有效焦距大于第二正透镜，第二正透镜为激光准直镜或者显微物镜。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，分束系统装载于旋转装置上，旋转装置带动分束系统绕光轴旋转。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，旋转装置呈中空形状，具有用于激光光束透过的中空结构。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，整形系统、装载有分束系统的旋转装置以及聚焦系统安装于Z轴升降装置上，Z轴升降装置调节成像位置相对于被加工物体的上下距离。

进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的装置，其中，还包含用于装载被加工物体的X-Y轴运动平台，驱动被加工物体相对于聚焦系统运动。

本发明非对称分束激光加工透明材料的方法，激光光源输出能量分布为高斯分布的光束；

传输系统对光束的直径及发散角进行连续调节，并将激光导入至整形系统；

整形系统将光束截面能量为高斯分布的激光光束转换为贝塞尔分布，形成贝塞尔光束；

分束系统，将激光光束由一束分成至少两束以上，形成至少两束贝塞尔分布的光束；

聚焦系统将贝塞尔分布的至少两束激光汇聚成像于预定位置，被加工物体位于激光汇聚范围内，被加工物体承载于X-Y轴运动平台上，相对于聚焦系统移动，在激光焦点范围内对被加工物体造成损伤、改性的物理变化，实现被加工物体的加工。

更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，激光光源输出脉冲宽度小于300纳秒、波长343～2000纳米的脉冲激光，脉冲宽度是单脉冲的脉冲宽度，或者是脉冲串的包络宽度，被加工物体对于激光波长是透明的。

更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，分束系统为具有至少两个楔形面结构的楔形棱镜，利用折射原理将激光光束分割为至少两个部分，每个楔形面与光轴的夹角不相同，整个分束系统的楔形面相对于光轴不对称，通过改变楔形面与光轴的夹角，改变分束后子光束之间的夹角，从而最终改变经聚焦系统汇聚后各贝塞尔光束中心间的距离。

更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，分束系统由多个楔形面组成，每个楔形面的材料采用同一种材料或采用不同材料，不同材料对所透射光的折射率不同；通过改变材料种类改变折射率，改变分束后子光束之间的夹角，从而最终改变经聚焦系统汇聚后各贝塞尔光束中心间的距离。

更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，分束系统的楔形棱镜后置有窗口透镜或正透镜，通过改变楔形棱镜与窗口透镜间间距，或通过改变窗口透镜折射率，或通过改变楔形棱镜与正透镜间间距，改变分束后子光束之间的夹角。

更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，经聚焦系统缩小汇聚的贝塞尔光束中心区域能量沿光轴方向具有分布范围，能量范围大于被加工物体的厚度，或小于被加工物体的厚度；通过调节光束汇聚的位置，能量范围覆盖被加工物体的厚度，或部分位于被加工物体上，或位于被加工物体内部。

更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，通过调节激光脉冲能量的大小，使中心区域能量密度大于被加工物体的损伤阈值，致被加工物体爆裂损伤；或使用合适的能量大小，使能量密度仅造成光学击穿而未产生爆裂，致被加工物体产生折射率变化、熔融状态。

更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，对被激光照射后产生的爆裂、折射率变化、熔融区域，施以机械外力、化学腐蚀方式实现被加工物体的分离。

更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，至少两束贝塞尔光束经聚焦系统聚焦后，产生的多个能量区域中心连线方向由分束系统的楔形棱镜中楔形面分界线的方向决定，通过改变楔形面分界线的方向改变能量区域中心的连线方向；通过以光轴为轴心旋转的方式改变中心连线的方向。

更进一步地，上述的非对称分束激光加工透明材料的方法，其中，整形系统、装载有分束系统的旋转装置以及聚焦系统作为整体安装于Z轴升降装置上，控制系统与激光光源、X-Y轴运动平台、Z轴升降装置和旋转装置连接，控制系统控制Z轴升降装置确定激光汇聚位置相对于被加工物体的上下位置；控制系统通过X-Y轴运动平台实时反馈的位置信息同步控制激光光源的开关光；控制系统通过旋转装置预设贝塞尔光束中心连线的方向，或者通过X-Y轴运动平台实时反馈的位置信息，同步实时控制贝塞尔光束中心连线的方向。

本发明与现有技术相比具有显着的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①本发明激光光源输出能量分布为高斯分布的光束，传输系统对光束的直径及发散角进行连续调节，导入至整形系统，光束能量分布由高斯分布转化为贝塞尔分布，形成至少两束贝塞尔分布的光束，分束系统将激光光束分成至少两束，最后由聚焦系统将贝塞尔分布的至少两束激光汇聚成像于预定位置；控制系统预设贝塞尔光束中心连线的方向，X-Y轴运动平台时反馈位置信息，同步实时控制贝塞尔光束中心连线的方向；基于贝塞尔光束切割技术，利用非对称楔形镜片将贝塞尔光束分割成至少两束，并利用贝塞尔光束的自重建特性，经聚焦装置汇聚成至少两个焦点，利用贝塞尔光束中心区域的能量，在被加工物体上形成爆裂区域，形成材料断裂的引导方向；

②分束系统相对于光轴具有不同倾斜角度的平面对光束不同部分进行偏折，改变平面的倾斜角度和材料的折射率可以对偏折的角度，即分束后子光束之间的夹角进行控制；对单光束贝塞尔光束进行分束处理，利用多光束贝塞尔光束获得更高加工效率，同时保持单束贝塞尔光束加工的特点；

③分束系统具有灵活性、可选择性，不同倾斜程度平面的数量可以是两个或者以上，形成平面的材料也可以是多种；相对于光轴有不同倾斜角度的平面导致形成的子光束夹角对于光轴不对称，经聚焦系统后汇聚于不同位置；

④采用非对称至少两束激光贝塞尔光束的方法实现激光划线和切割，相对于单光束的方法，加工效率显著提升；

⑤相对于采用衍射光学元件进行光束分光的方法，本发明采用折射光学元件分束的方法，成本大幅降低，同时光学元件设计灵活，制造工艺简单，生产周期短，更换方便；特别是对于微小角度的分束要求，衍射光学元件对于入射光束的直径有很大限制，而折射光学元件则没有限制，可大幅简化光路的设计；采用折射光学元件对贝塞尔光束进行分束处理，不仅提升加工效率，还显著降低成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其它优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1：本发明的光路结构示意图；

图2a：单种材料构成的具有两个楔形面的楔形棱镜的轴测示意图；

图2b：单种材料构成的具有两个楔形面的楔形棱镜的截面结构示意图；

图3a：两种材料构成的具有两个楔形面的楔形棱镜的轴测示意图；

图3b：两种材料构成的具有两个楔形面的楔形棱镜的截面结构示意图；

图4：两种材料构成的具有两个楔形面的楔形棱镜与窗口透镜的组合示意图；

图5a：单种材料构成的具有两个楔形面的楔形棱镜与正透镜的组合示意图（间距d

图5b：单种材料构成的具有两个楔形面的楔形棱镜与正透镜的组合示意图（间距d

图5c：单种材料构成的具有两个楔形面的楔形棱镜与正透镜的组合示意图（间距d

图6a：单种材料构成的具有三个楔形面的楔形棱镜的轴测示意图；

图6b：单种材料构成的具有三个楔形面的楔形棱镜的截面结构示意图；

图7a：多种材料构成的具有三个楔形面的楔形棱镜的轴测示意图；

图7b：多种材料构成的具有三个楔形面的楔形棱镜的截面结构示意图；

图8a：单种材料构成的具有四个楔形面的楔形棱镜的轴测示意图；

图8b：单种材料构成的具有四个楔形面的楔形棱镜的截面结构示意图；

图9a：多种材料构成的具有四个楔形面的楔形棱镜的轴测示意图；

图9b：多种材料构成的具有四个楔形面的楔形棱镜的截面结构示意图；

图10：贝塞尔光束横向能量分布示意图；

图11：分束系统与聚焦系统的光路结构示意图；

图12：贝塞尔光束中心连线于设定路径为直线时焦点位置示意图（中心光斑连线与直线方向不一致）；

图13：贝塞尔光束中心连线于设定路径为直线时焦点位置示意图（中心光斑连线与直线方向一致）；

图14：贝塞尔光束中心连线于设定路径为圆型时焦点位置示意图；

图15：贝塞尔光束中心连线于设定路径为任意曲线时焦点位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，非对称分束激光加工透明材料的装置，依光束传播方向设置有：

激光光源1，为可输出宽度小于300纳秒、波长在343～2000纳米范围脉冲激光的脉冲激光器；优选采用可输出脉冲宽度为300fs~20ps、波长为1030或者1064nm的脉冲激光器；对于超快激光器具有特殊的脉冲串功能，即一个脉冲可以包含若干个子脉冲，因此脉冲宽度可以是单脉冲的脉冲宽度，也可以是脉冲串的包络宽度，被加工对象对于激光波长是透明的；

传输系统2，对从激光光源1输出的激光光束扩束、反射；包含具有可调倍率与改变发散角的扩束镜以及对光束传播方向调整与准直的反射镜；激光光束经扩束将直径扩大到合适的大小，导入到整形系统3；

整形系统3，将光束截面能量为高斯分布的激光光束转换为贝塞尔分布，形成贝塞尔光束；采用衍射光学透镜、轴棱锥或空间光调制器；

经过整形系统3处理，贝塞尔分布激光光束在汇聚后有较大的焦点长度，有利于提高材料切割的效率；同时，贝塞尔光束具有自重建的特性，在贝塞尔光束传播的路径上，出现光束偏移或者出现遮挡物，贝塞尔光束的特性不受影响，汇聚后的光斑形状仍具有中心对称性，截面为圆型；

分束系统4，为具有至少两个楔形面结构的楔形棱镜，每个楔形面相对于光轴9的夹角不同，整个楔形面相对于光轴9不对称，将激光光束分割为至少两个部分，形成至少两束贝塞尔光束；楔形棱镜为单个镜片或由多个镜片拼接而成；楔形棱镜的楔形面的材料为同一种材料，或者不同种材料；楔形棱镜的楔形面的材料为熔融石英；另外，楔形棱镜还后置有窗口透镜，或者后置有正透镜，正透镜形状为平凸透镜、双凸透镜或弯月透镜，正透镜的曲面为球面形式或者非球面形式，非球面形式为抛物面、双曲面或偶次非球面；另，分束系统4装载于旋转装置10上，旋转装置10带动分束系统4绕光轴旋转；旋转装置10呈中空形状，具有用于激光光束透过的中空结构；

分束利用折射原理，相对于光轴具有不同倾斜角度的平面对光束不同部分进行偏折，偏折的程度由倾斜角度和材料折射率决定，因此改变平面的倾斜角度和材料的折射率可以对偏折的角度，即分束后子光束之间的夹角进行控制，倾斜角度的设计可以是连续变化的，因此可以实现任一角度的光束夹角而不受其他因素的影响，而折射率的变化是离散的，是材料本身特性之一，不同倾斜程度平面的数量可以是两个或者以上，形成这些平面的材料也可以是多种的；分束系统4具有灵活性、可选择性，相对于光轴有不同倾斜角度的平面导致形成的子光束夹角对于光轴不对称，最终经聚焦系统后汇聚于不同位置；

聚焦系统5，对至少两束贝塞尔光束缩小汇聚成像聚焦；采用光学4f系统，包含同轴设置的两个正透镜，第一正透镜的有效焦距大于第二正透镜，第二正透镜为激光准直镜或者显微物镜；对激光光束成缩小的像，由贝塞尔光束的特性所决定，经聚焦系统缩小汇聚的贝塞尔光束中心区域能量延光轴方向具有一定的分布范围，即焦深范围，或者称之为光丝长度，因贝塞尔光束中心区域的直径较小，而分布范围较长，因此呈现出丝状，此焦深范围可大于被加工物体的厚度，也可小于被加工物体的厚度；通过调节光束汇聚的位置，此焦深范围可覆盖被加工物体的厚度，也可以部分位于被加工物体上，或者位于被加工物体内部；贝塞尔光束经汇聚后与被加工物体的相互作用，产生不同的效果；调节激光光束能量的大小，使焦点范围内能量密度大于被加工对象的损伤阈值，造成材料的爆裂损伤；采用不同脉冲宽度的激光光束，调节合适的能量，使材料产生光学击穿，产生折射率变化，熔融等现象；利用激光照射产生的爆裂损伤、折射率变化、熔融，辅以机械外力，热胀冷缩产生的应力、化学腐蚀实现被加工物体的分离。

至少两束贝塞尔光束经聚焦系统聚焦后，产生的多个能量区域中心连线方向由分束镜片中楔形面分界线的方向决定，通过改变楔形面分界线的方向可以改变能量区域中心的连线方向。通常，将能量中心连线的方向与切割行进方向设为一致，使焦点均落在切割路径上。进一步地，对于切割路径为直线时，预设好能量中心连线方向并在切割过程中保持不变，使焦点均落在切割路径上。对于切割路径为曲线时，通过实时改变能量中心连线的方向，使连线方向与切割路径实时保持相切，从而使焦点均落在切割路径上。

整形系统3、装载有分束系统4的旋转装置10以及聚焦系统5装载于Z轴升降装置上，Z轴升降装置调节成像位置相对于被加工物体的上下距离；

装载被加工物体8的X-Y轴运动平台6，驱动被加工物体相对于聚焦系统5运动。

控制系统100与激光光源1、X-Y轴运动平台6、Z轴升降装置和旋转装置10连接，控制系统100控制Z轴升降装置确定激光汇聚位置相对于被加工物体8的上下位置；控制系统100通过X-Y轴运动平台6实时反馈的位置信息同步控制激光光源1的开关光；控制系统100通过旋转装置10预设贝塞尔光束中心连线的方向，或者通过X-Y轴运动平台6实时反馈的位置信息，同步实时控制贝塞尔光束中心连线的方向。

如图2a、2b所示，具有两个楔形面的楔形棱镜，由具有折射率n

当由θ1和θ2确定的最终中心偏移量需要细微调整时，可以重新计算θ1和θ2的数值然后重新加工镜片，或者采用其他的方法来做细微调整。

如图3a、3b所示，两种材料构成的具有两个楔形面的楔形棱镜，由两片镜片拼接而成，拼接处即为棱线L1，在保持夹角θ1和θ2与图2a、2b中相同的情况下，可以选用不同折射率的材料微调光束偏折的程度。镜片的左边部分折射率为n

如图4所示，两种材料构成的具有两个楔形面的楔形棱镜与窗口透镜的组合，楔形棱镜后置一折射率为n

如图5a、5b、5c所示，单种材料构成的具有两个楔形面的楔形棱镜与正透镜的组合，楔形棱镜后置有正透镜，通过调节正透镜与楔形棱镜间的间距实现子光束中心偏移量的连续细微调节，可以通过计算镜片间距对子光束中心偏移量的影响；

设楔形棱镜两个楔形面与光轴9的夹角θ1=75°，θ2=82°；

入射光束直径d=10mm；

波长为1064nm；

楔形棱镜采用单种材料的形式，材料为熔融石英；

楔形棱镜对1064nm波长光束的折射率n

正透镜采用平凸结构，镜片凸面面型为球面，球面半径为R， R=12mm；

平凸镜片中心厚度为4mm；

楔形棱镜与平凸透镜之间的距离定义为楔形棱镜出射面与平凸透镜的出射面沿光轴方向的距离，此距离第一选取值为d

以其中一束光束中心与光轴相交的点为基准，计算另一束光束中心与光轴的垂直距离来表征光束中心的偏移量；按照几何光学折射定律可以得到：

如图5a所示，当两镜片间距离d

如图5b所示，当两镜片间距离d

如图5c所示，当两镜片间距离d

由此可得出，通过改变楔形棱镜与平凸透镜间的间距，可以连续的细微调节子光束中心位置的距离。

正透镜的有效焦距需要足够大，或者是光焦度足够小，避免产生的实焦点汇聚于后续镜片上损坏镜片，同时对后续聚焦系统的总光焦度仅产生细微影响。

正透镜中曲面可以是采用球面的形式，也可以是非球面，非球面的形式包括抛物面、双曲面、偶次非球面等。正透镜形状可以是平凸透镜、双凸透镜或弯月透镜等。

如图6a、6b所示，单种材料构成的具有三个楔形面的楔形棱镜，采用单种材料加工而成，可以将单光束分为三束光，具有三个分束表面，其中第一楔形面S1、第三楔形面S3为楔形面，第二楔形面S2法向与光轴平行。第一楔形面S1与第二楔形面S2相交于棱线L1，第二楔形面S2与第三楔形面S3相交于棱线L2；第一楔形面S1与光轴9之间的夹角为θ1，第二楔形面S2与光轴9之间的夹角为θ2，图6b中，θ2=90°；第三楔形面S3与光轴9之间的夹角为θ3。

如图7a、7b所示，具有三个分束表面，可以将单光束分为三束光，其中第一楔形面S1、第三楔形面S3为楔形面，第二楔形面S2法向与光轴平行；第一楔形面S1与第二楔形面S2相交于棱线L1，第二楔形面S2与第三楔形面S3相交于棱线L2；第一楔形面S1与光轴9之间的夹角为θ1；第二楔形面S2与光轴9之间的夹角为θ2，图7b中，θ2=90°；第三楔形面S3与光轴9之间的夹角为θ3。楔形棱镜采用不同材料加工而成，三种材料折射率n

如图8a、8b所示，可以将单光束分为四束光，具有四个分束表面，第一楔形面S1、第二楔形面S2、第三楔形面S3、第四楔形面S4均为楔形面，采用单种材料加工而成。第一楔形面S1与第二楔形面S2相交于棱线L1，第二楔形面S2与第三楔形面S3相交于棱线L2，第三楔形面S3与第四楔形面S4相交于棱线L3；第一楔形面S1与光轴9之间的夹角为θ1，第二楔形面S2与光轴9之间的夹角为θ2，第三楔形面S3与光轴9之间的夹角为θ3，第四楔形面S4与光轴9之间的夹角为θ4。

如图9a、9b所示，可以将单光束分为四束光，具有四个分束表面，第一楔形面S1、第二楔形面S2、第三楔形面S3、第四楔形面S4均为楔形面，第一楔形面S1与第二楔形面S2相交于棱线L1，第二楔形面S2与第三楔形面S3相交于棱线L2，第三楔形面S3与第四楔形面S4相交于棱线L3；第一楔形面S1与光轴9之间的夹角为θ1，第二楔形面S2与光轴9之间的夹角为θ2，第三楔形面S3与光轴9之间的夹角为θ3，第四楔形面S4与光轴9之间的夹角为θ4。楔形棱镜采用不同材料加工而成，四种材料折射率n

更多束分光的镜片形式可以以此类推，与两光束分光时一样，多光束分光时，由于入射的激光光束为能量非均匀分布的高斯光束，分束后子光束的能量需要做到两两相同，可以通过设计棱线间的间距实现，采用多种材料时，需注意避免折射率对偏转角的抵消作用。

多光束分束镜片均可以后置窗口透镜或者正透镜用于细微调节子光束中心偏移。

旋转装置10，可以绕中心旋转的电动装置，为中空形状，中空部分用于激光光束透过；使用时，中空部分的轴心与光轴9重合，中空直径足够大而不遮挡激光光束；分束系统4装载于旋转装置10上，分束系统4的几何中心与光轴重合，实现旋转装置带动激光分束系统以光轴为轴心旋转，旋转装置10的电机由控制系统100控制，旋转时，旋转装置10可旋转固定的角度，并且该角度可大于360°；也可以连续旋转，其最大旋转速度大于720°/s。

整形系统3采用衍射光学透镜DOE、轴棱锥或空间光调制器，将高斯分布的激光光束转换为贝塞尔分布，转换成的贝塞尔分布是零阶贝塞尔分布；如图10所示，零阶贝塞尔光束的横向光强分布，在光束中心存在一个中心光斑，外围有同心的圆环旁瓣。

如图11所示，聚焦系统5是由两个正透镜组成的4f成像装置，激光依光路先后进入第一正透镜PL1和第二正透镜PL2，第一正透镜PL1的有效焦距f

控制系统100与激光光源1、X-Y轴运动平台6、Z轴升降装置和旋转装置10连接，控制系统100控制Z轴升降装置确定激光汇聚位置相对于被加工物体8的上下位置；控制系统100通过X-Y轴运动平台6实时反馈的位置信息同步控制激光光源1的开关光；控制系统100通过旋转装置10预设贝塞尔光束中心连线的方向，或者通过X-Y轴运动平台6实时反馈的位置信息，同步实时控制贝塞尔光束中心连线的方向。

激光光源1发出的脉冲激光先经过传输系统2，再经过整形系统3、分束系统4、聚焦装置5，汇聚于被加工物体8上，贝塞尔光束能量密度大于被加工物体形成损伤，其损伤具有一定的深度；损伤在被加工物体8表面处表现为点状，定义为焦点；实际加工时，设定好Z轴高度后，激光光源1持续发出脉冲激光，X-Y轴运动平台6装载被加工物体8相对于聚焦系统5按预定路径运动，使被加工物体8产生按预定路径分布的损伤，损伤在被加工物体表面形成按预定路径分布的点状线条。

如图12，预定路径为直线，两束子光束形成的两个贝塞尔中心光斑沿直线分布，此时两个中心光斑的连线与直线的方向不一致，对加工效果有影响。利用旋转装置10转动分束系统4一定角度，使中心光斑连线与直线方向一致，如图13，激光器本身脉冲频率导致的焦点间距dp，此距离由激光器脉冲频率f和X-Y轴运动平台6速度v决定，可表征为：dp=v/f，ds为子光束中心光斑间距，由分束棱镜的参数决定，当dp=N*n*ds时，n为子光束数量，加工速度V是单光束加工时的N*n倍，在激光器频率不能提高的前提下，可大幅提升加工效率。

如图14，预定路线为圆型，要保持子脉冲中心光斑连线与预定路线一致，利用X-Y轴运动平台6实时反馈的位置信息，由控制系统100控制装载有分束系统4的旋转装置10同步旋转，从而实现子脉冲中心光斑连线与预定路线方向一致。

如图15，预定路线为任意曲线，也是利用X-Y轴运动平台6实时反馈的位置信息，由控制系统100控制装载有分束系统4的旋转装置10同步旋转，实现子脉冲中心光斑连线与预定路线方向一致。

非对称分束激光加工透明材料的方法，激光光源1输出脉冲宽度小于300纳秒、波长343～2000纳米的脉冲激光，脉冲宽度是单脉冲的脉冲宽度，或者是脉冲串的包络宽度，被加工物体8对于激光波长是透明的；

传输系统2对光束的直径及发散角进行连续调节，并将激光导入至整形系统3；

整形系统3将光束截面能量为高斯分布的激光光束转换为贝塞尔分布，形成贝塞尔光束；

分束系统4，将激光光束由一束分成至少两束以上，形成至少两束贝塞尔分布的光束；分束系统4为具有至少两个楔形面结构的楔形棱镜，利用折射原理将激光光束分割为至少两个部分，每个楔形面与光轴的夹角不相同，整个分束系统的楔形面相对于光轴不对称，通过改变楔形面与光轴的夹角，改变分束后子光束之间的夹角，从而最终改变经聚焦系统5汇聚后各贝塞尔光束中心间的距离；分束系统4由多个楔形面组成，每个楔形面的材料采用同一种材料或采用不同材料，不同材料对所透射光的折射率不同；通过改变材料种类改变折射率，改变分束后子光束之间的夹角，从而最终改变经聚焦系统5汇聚后各贝塞尔光束中心间的距离；分束系统4的楔形棱镜后置有窗口透镜或正透镜，通过改变楔形棱镜与窗口透镜间间距，或通过改变窗口透镜折射率，或通过改变楔形棱镜与正透镜间间距，改变分束后子光束之间的夹角；

聚焦系统5将贝塞尔分布的至少两束激光汇聚成像于预定位置，被加工物体8位于激光汇聚范围内，被加工物体8承载于X-Y轴运动平台6上，相对于聚焦系统5移动，在激光焦点范围内对被加工物体8造成损伤、改性的物理变化，实现被加工物体8的加工。

经聚焦系统5缩小汇聚的贝塞尔光束中心区域能量沿光轴方向具有分布范围，能量范围大于被加工物体8的厚度，或小于被加工物体8的厚度；通过调节光束汇聚的位置，能量范围覆盖被加工物体8的厚度，或部分位于被加工物体8上，或位于被加工物体8内部。

通过调节激光脉冲能量的大小，使中心区域能量密度大于被加工物体8的损伤阈值，致被加工物体8爆裂损伤；或使用合适的能量大小，使能量密度仅造成光学击穿而未产生爆裂，致被加工物体8产生折射率变化、熔融状态。

对被激光照射后产生的爆裂、折射率变化、熔融区域，施以机械外力、化学腐蚀方式实现被加工物体的分离。

至少两束贝塞尔光束经聚焦系统5聚焦后，产生的多个能量区域中心连线方向由分束系统4的楔形棱镜中楔形面分界线的方向决定，通过改变楔形面分界线的方向改变能量区域中心的连线方向；通过以光轴为轴心旋转的方式改变中心连线的方向。

整形系统3、装载有分束系统4的旋转装置10以及聚焦系统5作为整体安装于Z轴升降装置上，控制系统100与激光光源1、X-Y轴运动平台6、Z轴升降装置和旋转装置10连接，控制系统100控制Z轴升降装置确定激光汇聚位置相对于被加工物体8的上下位置；控制系统100通过X-Y轴运动平台6实时反馈的位置信息同步控制激光光源1的开关光；控制系统100通过旋转装置10预设贝塞尔光束中心连线的方向，或者通过X-Y轴运动平台6实时反馈的位置信息，同步实时控制贝塞尔光束中心连线的方向。

本发明基于贝塞尔光束切割技术，利用非对称楔形镜片将贝塞尔光束分割成至少两束，并利用贝塞尔光束的自重建特性，经聚焦装置汇聚成至少两个焦点，利用贝塞尔光束中心区域的能量，在被加工物体上形成爆裂区域，形成材料断裂的引导方向。

对单光束贝塞尔光束进行分束处理，利用多光束贝塞尔光束获得更高加工效率，同时保持单束贝塞尔光束加工的特点。

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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。