CN104416284A - 一种光学隔离器及激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光加工领域，提供了一种光学隔离器，用于激光加工系统，包括沿激光的传输路径依次设置的：薄膜吸收反射镜，吸收P偏振光并反射S偏振光；半波片，对垂直入射的线偏振光的偏振方向进行旋转；90度相移延迟镜，将半波片透过的线偏振光转换为圆偏振光，并将加工件反射的圆偏振光转换为线偏振光；90度相移延迟镜反射的线偏振光经过半波片后转变为P偏振光。本发明利用半波片的偏振方向旋转效应及90度相移延迟镜的相位延迟效应，使线偏振激光转换为圆偏振光，使得激光加工的切缝不会随切割轨迹的变化而变化，切缝平滑。同时使加工件反射回的圆偏振光变为P偏振光，被薄膜吸收反射镜全部吸收，进而隔离了反射激光，保护了激光器。

Description

一种光学隔离器及激光加工系统

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，特别涉及一种光学隔离器及激光加工系统。

背景技术

自上世纪60年代首次实现激光输出以来，由于激光具有高亮度、单色性、方向性、相干性等优点，受到广泛关注，并在国防军事、工业生产、科学研究等各个方面广泛应用。在工业生产方面，激光加工是利用激光束与物质相互作用特性对材料进行加工的一种方式。与传统加工方法相比，激光加工具有无接触、无应力变形，热影响区域小，可加工材料广泛，可灵活的实现各种复杂加工，效率高且质量稳定等优点，因此已经形成了激光切割、激光焊接、激光打孔、激光器标记、激光表面处理、零件快速成型等多种应用工艺，并已经广泛应用于汽车、电子、航空航天、冶金、机械制造等工业领域。对实现生产自动化、提高产品质量和劳动生产率、减少材料消耗、降低环境污染等起到越来越重要的作用。

激光加工技术是将能量聚焦到微小的空间，焦点处达到很高的能量密度，这时激光输出的热量远大于被材料反射、传导的部分，材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束与材料相对线性移动，可以使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。工业生产中，激光切割是应用最广泛的一种激光加工方法。激光切割可以加工各种金属、非金属、复合材料、硬质材料等。激光切割质量的评价主要有：切割面粗糙度、切缝宽度、切口锥度三个参量。

随着技术进步及工业产品升级换代，对激光切割效果的要求也越来越高。例如，随着电子行业及信息产业的发展，电子和信息设备产品越来越小型化，对激光切割的精度要求越来越高。最为典型的需求就是对切缝宽度的要求，目前很多的应用不仅要切缝宽度很窄，而且需要控制在一定范围之内，甚至有的应用要求在切割过程中实时控制、调整激光切缝的宽度，以满足零部件的不同部位以及不同零部件的加工需求。

激光器输出的激光通常是线偏振光，例如CO2激光器（如美国Coherent公司生产的CO2激光器输出激光的偏振方向与激光器底座平行），金属切割和其他高精密或超高精密工件的激光加工对切缝宽度及横截面发生的任何变化都很敏感。激光切割的质量取决于激光相对切割方向的偏振方向。

如图1所示，以CO2激光器为例，CO2激光器输出光束的偏振方向是线偏振，在整个外光路传导过程中没有对偏振状态进行处理，以在工件上切割字符“CT”为例，当激光切割轨迹方向与激光的偏振方向平行时，能够切割出最佳的切缝，即切口窄而平滑，与加工物表面垂直度好，如图1中的A部分；当切割轨迹方向与激光的偏振方向垂直时，其切缝较宽，平滑度仍较好，如图1中的B部分；当切割轨迹方面与激光偏振方向有某个夹角的时候，切缝宽度较大，切口歪斜，且不平滑，如图1中的C部分。

另外，在采用CO2激光器进行加工时，当高能CO2激光束照射到那些对10.6μm波段吸收率较低的材料或表面光洁度较高的材料时，工件会反射大量的激光能量，部分反射光会沿着原光路返回到CO2激光振荡腔，由于激光光束的能量密度很高，会产生大量的热量，导致激光器输出功率下降，从而致使激光器的使用寿命下降，严重时还会烧毁激光器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学隔离器，旨在提高激光加工过程中的切缝质量，并保护激光器免受加工面反射光束的损坏，延长激光器的使用寿命。

本发明是这样实现的，一种光学隔离器，用于激光加工系统中，包括沿激光的传输路径依次设置的：

薄膜吸收反射镜，用于吸收P偏振光并反射S偏振光；

半波片，用于对垂直入射的线偏振光的偏振方向进行旋转，旋转角度为所述线偏振光的偏振方向与所述半波片的主截面之间的夹角的两倍；

90度相移延迟镜，用于将所述半波片透过的线偏振光转换为圆偏振光，并将加工件反射的圆偏振光转换为线偏振光；

所述90度相移延迟镜反射的线偏振光经过所述半波片后转变为P偏振光。

本发明的另一目的在于提供一种激光加工系统，包括激光输出装置及位于所述激光输出装置输出光路上的光学隔离器，所述光学隔离器采用上述的光学隔离器。

本发明通过半波片对入射线偏振光进行偏振方向的旋转，结合90度相移延迟镜的相位延迟效应，可使线偏振的加工激光转换为圆偏振光，圆偏振光含有等量的S偏振光和P偏振光，而且S偏振光和P偏振光在振动方向上是正交的，因此圆偏振光使得激光切割的缝隙不会随切割轨迹的变化而变化，相比线偏振光的加工效果，圆偏振光聚焦之后能够有效地改善和提高工件激光加工的质量。同时，半波片与90度相移延迟镜的配合使加工件反射回的圆偏振光变为P偏振光，被薄膜吸收反射镜全部吸收，进而隔离了反射激光，保护了激光器，延长了激光器的使用寿命。

附图说明

图1示出了现有激光切割技术的切缝效果图；

图2示出了本发明实施例光学隔离器的内部光路图；

图3示出了本发明实施例光学隔离器的部分光路图；

图4示出了采用本发明实施例光学隔离器的激光切割效果图；

图5示出了线偏振光与圆偏振光的产生原理；

图6示出了本发明实施例光学隔离器的外观结构示意图；

图7示出了本发明实施例光学隔离器的剖面结构示意图；

图8示出了本发明实施例光学隔离器的爆炸图；

图9示出了本发明实施例激光加工系统的结构及光路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

图2示出了本发明实施例光学隔离器的内部光路图，图3示出了本发明实施例光学隔离器的部分光路图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

该光学隔离器主要用于在激光加工（如激光切割、激光打孔、激光焊接等）中隔离加工物面反射的光，避免反射光进入激光器，同时通过对入射激光的偏振状态进行改变，以改善激光加工质量，特别是切缝的质量。如图2，该光学隔离器包括沿激光的传输路径依次设置的薄膜吸收反射镜01、半波片02及90度相移延迟镜03。其中，薄膜吸收反射镜01可以是在铜镜的表面镀介质膜形成，该介质膜只反射S偏振光，吸收P偏振光，且薄膜吸收反射镜01不改变反射光的偏振态。S偏振光入射之后，其反射光仍是S偏振光。所谓S偏振光是指与入射面垂直的偏振光，P偏振光是指与入射面平行的偏振光。本实施例中以CO2激光器101为例，激光偏振方向与CO2激光器101的底座平行，与入射面垂直，是S偏振光，S偏振光L1经过薄膜吸收反射镜01的反射后仍是S偏振光L1。

半波片02的作用是将光的偏振方向进行旋转，当线偏振光垂直入射半波片时，如半波片的主截面相对入射光的偏振方向旋转θ角，则通过此半波片的线偏振光的偏振方向从原来的方向旋转2θ角。本实施例中，自薄膜吸收反射镜01反射的S偏振光L1垂直入射半波片02，半波片02的主截面相对入射S偏振光L1的偏振方向旋转22.5°，透射的线偏振光L2的偏振方向旋转45°，即与CO2激光器LS的底座成45°角。

90度相移延迟镜03与入射其表面的线偏振光L2成45°角，可以使入射线偏振光的寻常光分量与非寻常光分量之间产生90°相位差，对于以45°入射的线偏振光，可获得圆偏振光。本实施例中，自半波片02透射的线偏振光L2以45°入射90度相移延迟镜03，反射的光为圆偏振光L3，该圆偏振光L3射出光学隔离器后经过适当调整对加工件102进行切割等操作。

由于圆偏振光L3含有等量的S偏振光和P偏振光，而且S偏振光和P偏振光在振动方向上是正交的，因此圆偏振光使得激光切割的缝隙不会随切割轨迹的变化而变化，相比线偏振光切割的效果，圆偏振光聚焦之后能够有效地改善和提高工件激光切缝的质量，加工效果如图4所示C部分。

以下说明加工件反射的光的传播路径：加工激光经加工件表面反射后仍是圆偏振光L4，经过90度相移延迟镜03后，寻常光和非寻常光再次产生90°相位差，线偏振光两次经过90度相移延迟镜后，寻常光和非寻常光共产生180°相位差，因此，自90度相移延迟镜03反射的光为线偏振光L5，与原来的线偏振光L2偏振方向垂直，该线偏振光L5与激光器的底座夹角为135°。图5示出了线偏振光与圆偏振光的产生原理，当寻常光和非寻常光之间的相位差δ为π的奇数倍时为线偏振光，相位差δ为0或π的偶数倍时为线偏振光，这两种线偏振光正交，当寻常光和非寻常光等量且相位差δ为π/2的奇数倍时为圆偏振光。

线偏振光L5再次垂直反向经过半波片02，因其主截面旋转了22.5度，所以反射光束的偏振方向在线偏振光L5的基础上反向旋转45度，偏振方向与CO2激光器的底座夹角为90度，偏振矢量在入射面内，即经过半波片02透过的光为P偏振光L6。

P偏振光L6入射薄膜吸收反射镜01，被薄膜吸收反射镜01全部吸收，不会进入CO2激光器LS的谐振腔中，从而隔离了反射激光，保护了CO2激光器，延长了CO2激光器的使用寿命。

作为本实施例的进一步改进，如图2，该光学隔离器还可以包括第一零相移反射镜04和第二零相移反射镜05，用于改变光路。其中，第一零相移反射镜04位于薄膜吸收反射镜01的反射光路上，半波片02则位于第一零相移反射镜04的反射光路上，第二零相移反射镜05位于半波片02的透射光路上，且90度相移延迟镜03位于第二零相移反射镜05的反射光路上。薄膜吸收反射镜01与入射激光成45°角，第一零相移反射镜04与薄膜吸收反射镜01平行，使S偏振光L1以45°角入射第一零相移反射镜04，第二零相移反射镜05与第一零相移反射镜04垂直，使S偏振光L1垂直透过半波片02后以45°角入射第二零相移反射镜05，90度相移延迟镜03与第二零相移反射镜05平行，使激光以45°角入射90度相移延迟镜03。通过引入第一零相移反射镜04和第二零相移反射镜05，使激光入口与出口在同一直线上，在实现其隔离性能的前提下做到了结构合理紧凑；加工和安装容易，外形美观。

进一步参考图6、7，光学隔离器除具有上述内部光学组件外，还具有如下结构，隔离器的进光法兰061直接与CO2激光器的出口连接，若干连接管和水管起着冷却隔离器内部镜片的作用，避免其被大功率的激光束损坏，经90度相移延迟镜03反射的圆偏振光经出光法兰062射出，经过调整后聚焦于加工件上。

参考图8，薄膜吸收反射镜01由第一反射镜座011固定，半波片02由连接法兰021固定，90度相移延迟镜03由第二反射镜座031固定。第一零相移反射镜04由第三反射镜座041固定，第二零相移反射镜05由第四反射镜座051固定。

进一步地，第一反射镜座011、连接法兰021、第二反射镜座031、第三反射镜座041及第四反射镜座051均有水管07穿过，用于冷却相应光学件，整个隔离器具有一进水管081和一出水管082。

上述光学隔离器可对加工件反射的光进行隔离，避免其射入激光器，并且可将加工激光变为圆偏振光，改善切缝质量。本发明进一步提供一种包含该光学隔离器的激光加工系统。如图9，该系统包括激光输出装置1及位于激光输出装置1输出光路上的光学隔离器2，该光学隔离器2具有上述结构。

具体的，激光输出装置1包括工控机11、激光驱动器12、激光振荡器13、激光功率计14及分光镜15。其中，工控机11与激光驱动器12相连接，用于设置激光参数；激光驱动器12又与激光振荡器13连接，控制激光振荡器13输出激光切割所需功率的激光束；分光镜15位于激光振荡器13的输出光路上，其透射部分激光进入光学隔离器2用于激光加工，并反射部分激光进入激光功率计14供激光功率计14实时监控激光振荡器13的输出功率，同时，激光功率计14将监控信息反馈给激光驱动器12，激光驱动器12根据反馈信息调节激光振荡器13的输出功率。

进一步地，在光学隔离器2的输出光路上设有扩束镜组3，将激光光束的传播发散角减小，使聚焦光斑更小，从而使得激光聚焦光斑的功率密度足够高，大于工件的激光加工阈值，以便切出所需要的效果。

进一步地，扩束之后的激光光束经过一45°放置的零相移全反射镜4之后进入聚焦透镜5，聚焦于工件平面上。在聚焦透镜5与工件之间还设有保护镜片6，避免在激光加工时产生的熔融物飞溅到聚焦透镜5上，避免镜片污染直接导致的镜片炸裂。

进一步地，聚焦透镜5和保护镜片6安装于一固定件7中，在固定件7上且在保护镜片6下方对称设有第一气阀71和第二气阀72，分别接上氮气或氩气作为保护气体。保护气体分别通过固定件7末端的气嘴73形成同轴气体，将激光加工产生的熔融物吹走。

进一步参考图9，若采用高功率CO2激光器，光学镜片在激光束的反射或透射中会吸收部分激光能量，产生热量，为了避免光学镜片因热应力而导致镜片开裂或镜片上镀膜的脱落，可以在该系统中采用水冷却方式来保护光学镜片，在各器件的固定件中设置水管。如在扩束镜组3的固定件8上设置进水管81和出水管82，在聚焦透镜5的固定件7上设置进水管74和出水管75，在零相移全反射镜4的固定件9上设置进水管91和出水管92，以及在光学隔离器2中各镜片处设置进水口071和出水口072。

本系统优选采用大功率的CO2激光器，是一种大功率CO2激光精密激光加工系统，其外光路由于采用了上述的光学隔离器，有效避免了在激光加工过程中反射光进入激光振荡器，有效的保护了激光器，延长了其使用寿命。同时，该光学隔离器可将线偏振光转化为圆偏振光，圆偏振光含等量的S偏振光和P偏振光，因此圆偏振光使得激光加工的切缝不会随切割轨迹的变化而变化，相比线偏振光的切割效果，圆偏振激光光束聚焦之后能够有效地改善和提高激光加工质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学隔离器，用于激光加工系统中，其特征在于，包括沿激光的传输路径依次设置的：

薄膜吸收反射镜，用于吸收P偏振光并反射S偏振光；

半波片，用于对垂直入射的线偏振光的偏振方向进行旋转，旋转角度为所述线偏振光的偏振方向与所述半波片的主截面之间的夹角的两倍；

90度相移延迟镜，用于将所述半波片透过的线偏振光转换为圆偏振光，并将加工件反射的圆偏振光转换为线偏振光；

所述90度相移延迟镜反射的线偏振光经过所述半波片后转变为P偏振光。

2.如权利要求1所述的光学隔离器，其特征在于，还包括：

第一零相移反射镜，设置于所述薄膜吸收反射镜与半波片之间；

第二零相移反射镜，设置于所述半波片与90度相移延迟镜之间。

3.如权利要求2所述的光学隔离器，其特征在于，所述薄膜吸收反射镜由第一反射镜座固定，所述半波片由连接法兰固定，所述90度相移延迟镜由第二反射镜座固定，所述第一零相移反射镜由第三反射镜座固定，所述第二零相移反射镜由第四反射镜座固定。

4.如权利要求3所述的光学隔离器，其特征在于，所述第一反射镜座、连接法兰、第二反射镜座、第三反射镜座及第四反射镜座均有水管穿过。

5.如权利要求1至4任一项所述的光学隔离器，其特征在于，所述半波片的主截面与来自所述薄膜吸收反射镜的S偏振光之间的夹角为22.5°。

6.如权利要求1至4任一项所述的光学隔离器，其特征在于，所述90度相移延迟镜与入射其表面的线偏振光的夹角为45°。

7.一种激光加工系统，其特征在于，包括激光输出装置及位于所述激光输出装置输出光路上的光学隔离器，所述光学隔离器采用权利要求1至6任一项所述的光学隔离器。

8.如权利要求7所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光输出装置包括工控机、激光驱动器、激光振荡器、激光功率计及分光镜；

所述工控机与所述激光驱动器相连接，用于设置激光参数；

所述激光驱动器又与所述激光振荡器连接，用于控制所述激光振荡器输出激光切割所需功率的激光束；

所述分光镜位于所述激光振荡器的输出光路上，其透射部分激光进入所述光学隔离器，反射部分激光进入所述激光功率计，供所述激光功率计实时监控激光振荡器的输出功率；

所述激光功率计与所述激光驱动器连接，将实时监控信息反馈给激光驱动器。

9.如权利要求7所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光振荡器采用CO2激光振荡器，所述CO2激光振荡器输出的激光为S偏振光。

10.如权利要求7、8或9所述的激光加工系统，其特征在于，在所述光学隔离器的输出光路上依次设有扩束镜组、零相移全反射镜、聚焦透镜及保护镜片，所述扩束镜组、零相移全反射镜、聚焦透镜及保护镜片的固定件均有水管穿过。