CN104570363B - 一种高斯激光束整形方法和装置及精密激光微孔加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光应用领域，具体涉及一种高斯激光束整形方法和装置以及精密激光微孔加工装置。沿光路依次设置扩束装置、整形装置、初聚透镜、小孔光阑、准直装置、光束偏转装置及聚焦透镜，高斯激光束经扩束装置扩束后进入整形装置整形为平顶激光束，平顶激光束先经小孔光阑拦截、初聚透镜初步会聚后进入准直装置进行准直，再经光束偏转装置改变其传播方向后，由聚焦透镜聚焦得到用于微孔加工的激光束。高斯激光束整形为平顶激光束输出，提高了激光的利用率及加工效率，减少了能量损失；同时由聚焦透镜聚焦得到的平顶激光束在用于微孔加工时，通孔及盲孔的孔边缘光滑，减小了孔的锥度，同时避免了盲孔底部受损，得到底部平坦的盲孔。
Description
技术领域
本发明涉及激光应用领域，具体涉及一种高斯激光束整形方法和装置以及精密激光微孔加工装置。
背景技术
在激光精密加工技术中，精密激光微孔加工技术，是指利用各种激光束聚焦后短时间内达到材料的熔点或沸点，针对传统方法技术上难以实现微孔加工的材料，进行孔径小于1000微米的微孔加工，例如，针对硬度高的金属等(如钨合金、钛合金、不锈钢、铝等)，或者硬度高、脆性高的非金属材料等(如氧化铝陶瓷、碳化铝陶瓷等)，加工孔径小于1000微米的孔。精密激光微孔加工方式质量好、重复精度高、效率高、综合经济成本低，已广泛应用于各种材料的微孔加工。
激光微孔加工是利用激光束在空间和时间上的高度集中特性，通过聚焦镜将激光束光斑聚焦到微米级，获得高能量密度的激光，从而可对材料进行激光打孔。激光微孔加工具有速度快、效率高；可以获得较小的孔径；不受材料硬度、刚性、脆性等限制；无接触加工，避免机械损耗；可以加工盲孔等优点。一般的激光器输出为基模，或者接近基模，其光束传播方向的垂直平面上，光束的能量分布如图1所示，为中间强，周边逐渐减弱的分布。
采用如图1所示的高斯型光强分布的激光进行微通孔及盲孔加工如图2所示，因为高斯型光强分布为中间强，周边弱，因此加工微型通孔时，无论是采用单个激光脉冲冲孔，还是多个激光脉冲重复打孔，一方面，中间区域因光强度高，将更容易穿透材料，而光束边缘强度较弱，所以通孔的边缘将产生熔融现象即通孔边缘不光滑；另一方面，因光束中心强度高，容易穿透材料，随着通孔的不断加深，将产生锥度，即通孔上部直径与通孔底部直径大小不同，一般是激光入射面，即通孔上部直径较大，通孔底部直径较小。对于盲孔的加工，若采用高斯型光强分布的激光束，一方面存在通孔加工的问题，即：边缘不光滑、具有锥度；另一方面，若采用多个激光脉冲加工盲孔，因高斯型激光束光强中心较强，所以盲孔底部区域将受到热，造成孔底凹陷，严重时甚至击穿孔底。
为了改善高斯型光强分布的激光束加工微型通孔及盲孔的问题，一般采用的方法为，在激光束传播方向的垂直面内加光阑，拦截掉部分光束能量，如图3所示，图3中曲线为二维高斯光束光强分布，其中，中心处光强最大，为Imax，I1为采用圆孔光阑A拦截时的效果，I2为采用圆孔光阑B拦截时的效果，可见当采用圆孔光阑A进行拦截，将拦截掉大部分的能量，拦截后，光束中心与边缘的光强分别为Imax、I1；当采用圆孔光阑B进行拦截，将拦截掉大部分的能量，拦截后，光束中心与边缘的光强分别为Imax、I2当光束中心和光束边缘的光强度差别越小，则对微型通孔及盲孔加工越有利，也就是采用圆孔光阑A更有利，但是此时透过率更小，所以虽然光阑拦截掉的光束能量更多时，加工效果更好，孔中心与边缘效果差距也更小，但是光束能量的透过率更小，利用率降低，即损失能量更大，而此时为了将微孔空间内的材料去除，可能需要激光器发射更多的脉冲进行加工，因此效率降低，为了提高效率，可以采用更高功率的激光器，但是成本将大幅上升。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种高斯激光束整形方法和装置以及精密激光微孔加工装置，克服现有技术中采用高斯激光生产加工时，激光利用率低、能量损失大，加工微通孔及盲孔时，孔边缘不光滑，随着孔的不断加深，将产生锥度，且盲孔加工时易出现孔底凹陷，严重时甚至击穿孔底的缺陷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高斯激光束整形方法，包括以下步骤：
A、对激光器发出的高斯激光束进行扩束；
B、将扩束后的高斯激光束整形为平顶激光束；
C、将所述平顶激光束初步会聚后再进行准直，得到平行输出的平顶激光束；
D、对所述平行输出的平顶激光束进行聚焦。
本发明的更进一步优选方案是：所述步骤C之前还包括通过小孔光阑对所述平顶激光束进行拦截，以减小所述平顶激光束边缘与中心的光强差的步骤。
本发明的更进一步优选方案是：所述步骤D之前还包括对所述平行输出的平顶激光束进行反射，改变其传播方向的步骤。
还提供一种高斯激光束整形装置，包括沿光路依次设置的扩束装置、整形装置、初聚透镜、准直装置及聚焦透镜，高斯激光束经扩束装置扩束后进入整形装置整形为平顶激光束，所述平顶激光束经初聚透镜初步会聚后进入准直装置进行准直，最后经聚焦透镜进行聚焦。
本发明的更进一步优选方案是：所述准直装置与聚焦透镜之间还设有光束偏转装置，所述光束偏转装置用于改变激光束的传播方向。
本发明的更进一步优选方案是：所述整形装置与初聚透镜之间还设有对所述平顶激光束进行拦截的小孔光阑，以减小所述平顶激光束边缘与中心的光强差。
本发明的更进一步优选方案是：所述扩束装置包括至少两片沿光轴前后设置的扩束透镜，且任一扩束透镜均可沿光轴来回移动。
本发明的更进一步优选方案是：所述准直装置包括相对光轴固定的固定透镜组及可相对光轴移动的可动透镜组。
本发明的更进一步优选方案是：所述光束偏转装置与所述聚焦透镜可整体移动，其包括至少一片反射镜。
本发明的更进一步优选方案是：所述光束偏转装置的最末端的反射镜与所述聚焦透镜可整体移动。
还提供一种精密激光微孔加工装置，包括用于发出高斯激光束的激光器，还包括沿光路依次设置的扩束装置、整形装置、初聚透镜、小孔光阑、准直装置、光束偏转装置及聚焦透镜，所述高斯激光束经扩束装置扩束后进入整形装置整形为平顶激光束，所述平顶激光束先经小孔光阑拦截、初聚透镜初步会聚后进入准直装置进行准直，再经光束偏转装置改变其传播方向后，由聚焦透镜聚焦得到用于微孔加工的激光束。
本发明的更进一步优选方案是：所述扩束装置包括至少两片沿光轴前后设置的扩束透镜，且任一扩束透镜均可沿光轴来回移动，所述准直装置包括相对光轴固定的固定透镜组及可相对光轴移动的可动透镜组。
本发明的更进一步优选方案是：还包括精密平移台，所述扩束透镜和可动透镜组均安装于所述精密平移台上。
本发明的有益效果在于，通过沿光路依次设置扩束装置、整形装置、初聚透镜、小孔光阑、准直装置、光束偏转装置及聚焦透镜，将高斯激光束整形为平顶激光束输出，提高了激光的利用率及加工效率，减少了能量损失；同时由聚焦透镜聚焦得到的平顶激光束在用于微孔加工时，孔边缘光滑，减小了空的锥度，得到近似垂直的孔，同时避免了盲孔底部受损，得到底部平坦的盲孔。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术高斯激光光强分布示意图；
图2是现有技术采用高斯激光加工的微孔结构示意图；
图3是现有技术高斯激光光强分布及小孔光阑拦截结构意图；
图4是本发明高斯激光束整形方法流程图；
图5是平顶激光束光强分布示意图；
图6是本发明的高斯激光束整形装置原理结构示意图；
图7是本发明具有一片反光镜的高斯激光束整形装置原理结构示意图；
图8是本发明具有两片反光镜的高斯激光束整形装置原理结构示意图；
图9是本发明具有三片反光镜的高斯激光束整形装置原理结构示意图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图4、5所示，本发明提供一种高斯激光束整形方法，其包括首先对激光器发出的高斯激光束进行扩束，然后将扩束后的高斯激光束整形为平顶激光束，再将所述平顶激光束初步会聚后再进行准直，得到平行输出的平顶激光束；最后对所述平行输出的平顶激光束进行聚焦，得到图5所示可直接用于生产加工的平顶激光束。进一步地，为对所述平顶激光束的边缘进行进一步改善，再对所述平顶激光束初步会聚前，可通过在所述平顶激光束的的焦平面上设置一小孔光阑，对所述平顶激光束进行拦截，以减小所述平顶激光束边缘与中心的光强差。进一步地，在对所述平行输出的平顶激光束进行聚焦之前可对所述平行输出的平顶激光束进行反射，以改变其传播方向。所述平顶激光束，顶部平坦，而边缘处几乎垂直下降到零，因此其边缘锐利，在产品加工过程中，可以减小加工位置边缘的热影响及碳化，保证边缘光滑，而且可降低加工位置的锥度。本发明提供的高斯激光束整形方法通过改善激光束的光强分布，而不是拦截激光能量，相比简单的采用拦截的方式，一方面加工效果更好，另一方面，激光能量的利用率更高，从而用于去除材料的激光能量比率更高，所以加工效率更高。
如图6所示，本发明还提供一种高斯激光束整形装置，包括沿光路依次设置的扩束装置1、整形装置2、初聚透镜3、准直装置4及聚焦透镜5，高斯激光束经扩束装置1扩束后进入整形装置2整形为平顶激光束，所述平顶激光束经初聚透镜3初步会聚后进入准直装置4进行准直，最后经聚焦透镜5进行聚焦。进一步地，所述准直装置4与聚焦透镜5之间还设有光束偏转装置6，所述光束偏转装置6用于改变激光束的传播方向。所述整形装置2与初聚透镜3之间还设有对所述平顶激光束进行拦截的小孔光阑7，以减小所述平顶激光束边缘与中心的光强差。进一步地，所述扩束装置1的表面镀有高透射的膜层，以便所述高斯激光束高透射，扩束装置1的作用为扩大所述高斯激光束的直径，同时压缩其发散角，以便得到近似平行的高斯激光束。高斯激光束到达整形装置2，整形装置2两个表面都镀有高透射膜层，整形装置2的作用是将如图3所示的高斯激光束整形成如图5所示的平顶激光束，整形装置2可以为衍射型光学器件或者采用折射方式改变光束光强分布的器件，或者为非球面透镜、透镜组。整形装置2的焦平面位置处可以放置小孔光阑7，对所述平顶激光束进行拦截，进一步改善平顶激光束的边缘特性，以减小所述平顶激光束边缘与中心的光强差。当然，此处也可以不使用小孔光阑7。所述平顶激光束经过焦平面后，呈发散状态，采用初聚透镜3进行初步会聚，初聚透镜3的两个表面都镀有高透射的膜层，以便激光束高效透射。经过初聚透镜3后的平顶激光束到达准直装置4进行准直，获得平行输出的平顶激光束，准直装置4的表面都镀有高透射的膜层。所述准直装置4一般为多片式的透镜组合。平顶激光束到达光束偏转装置6，光束偏转装置6将其进行反射，以改变传播方向，从而垂直入射待加工材料。反射后的平顶激光束到达聚焦透镜5，聚焦透镜5的两个表面都镀有高透射的膜层，并对反射来的平顶激光束聚焦，得到聚焦激光束，调节聚焦激光束的焦点，使其位于待加工材料上，即可进行生产加工。本发明中，整形装置2的焦平面(即小孔光阑7放置的平面)与聚焦透镜5的焦平面(即待加工材料的表面)为光学共轭关系。
如图7-9所示，本发明的所述扩束装置1包括至少两片沿光轴前后设置的扩束透镜11，且任一扩束透镜11均可沿光轴来回移动。所述扩束透镜11的表面镀有高透射膜层。扩束透镜11均可沿光轴来回移动，从而可以调节扩束装置1扩束后的激光束的光斑直径大小，以便与整形装置2相符合，另外，调节扩束透镜11，使其沿着光轴方向移动，也可保证扩束后的激光束平行输出。所述准直装置4包括相对光轴固定的固定透镜组41及可相对光轴移动的可动透镜组42。所述固定透镜组41包括至少两片相对光轴固定的透镜，所述可动透镜组42设于所述两相对光轴固定的透镜之间，其也包括至少两片可相对光轴移动的透镜。移动所述可动透镜组42的透镜，一方面可以保证准直装置4输出的激光束为平行光束；另一方面，可调节准直装置4输出的激光束光斑直径，从而在不改变聚焦透镜5的焦距的情况下，调节位于待加工材料表面的光斑大小，以适应不同的加工要求。所述光束偏转装置6与所述聚焦透镜5可整体移动，其包括至少一片反射镜61。进一步地，当所述光束偏转装置6包括两片以上的反射镜61时，其最末端的反射镜61与所述聚焦透镜5可整体移动。所述反射镜61的表面镀有高反射的膜层，因为准直装置4输出的激光束为平行光束，因此光束偏转装置6和聚焦透镜5可以相对其它元件整体移动，或者光束偏转装置6中的反射镜61和聚焦透镜5可以相对其它元件整体移动，而不改变在待加工材料表面形成的聚焦光斑的大小，所以可以适合于不同的光路设计，例如可以适用于固定光路、半飞行光路、飞行光路等。
如图7-9所示，本发明还提供一种精密激光微孔加工装置，包括用于发出高斯激光束的激光器8，还包括沿光路依次设置的扩束装置1、整形装置2、初聚透镜3、小孔光阑7、准直装置4、光束偏转装置6及聚焦透镜5，所述高斯激光束经扩束装置1扩束后进入整形装置2整形为平顶激光束，所述平顶激光束先经小孔光阑7拦截、初聚透镜3初步会聚后进入准直装置4进行准直，再经光束偏转装置6改变其传播方向后，由聚焦透镜5聚焦得到用于微孔加工的激光束。通过沿光路依次设置扩束装置1、整形装置2、初聚透镜3、小孔光阑7、准直装置4、光束偏转装置6及聚焦透镜5，将高斯激光束整形为平顶激光束输出，提高了激光的利用率、减少了能量损失；同时由于所述平顶激光束顶部平坦，而边缘处几乎垂直下降到零，因此其边缘锐利，在微型通孔加工过程中，可以减小通孔边缘的热影响及碳化，保证边缘光滑，而且可降低通孔的锥度，得到近似垂直的通孔，在盲孔加工过程中，可以减小边缘的热影响和碳化，并减小对盲孔底部区域材料的热影响，获得底部平坦的盲孔。
如图7-9所示，所述扩束装置1包括至少两片沿光轴前后设置的扩束透镜11，且任一扩束透镜11均可沿光轴来回移动，所述准直装置4包括相对光轴固定的固定透镜组41及可相对光轴移动的可动透镜组42。进一步地，所述光束偏转装置6包括至少一片反射镜61，所述光束偏转装置6与所述聚焦透镜5可整体移动或者所述光束偏转装置6最末端的反射镜61与所述聚焦透镜5可整体移动。所述反射镜61的表面镀有高反射的膜层，所述准直装置4输出的激光束为平行光束，因此光束偏转装置6和聚焦透镜5可以相对其它元件整体移动，或者光束偏转装置6中的反射镜61和聚焦透镜5可以相对其它元件整体移动，而不改变在待加工材料表面形成的聚焦光斑的大小，所以可以适合于不同的光路设计，例如可以适用于固定光路、半飞行光路、飞行光路等。所述扩束透镜11的表面镀有高透射膜层。扩束透镜11均可沿光轴来回移动，从而可以调节扩束装置1扩束后的激光束的光斑直径大小，以便与整形装置2相符合，另外，调节扩束透镜11，使其沿着光轴方向移动，也可保证扩束后的激光束平行输出。所述固定透镜组41包括至少两片相对光轴固定的透镜，所述可动透镜组42设于所述两相对光轴固定的透镜之间，其也包括至少两片可相对光轴移动的透镜。移动所述可动透镜组42的透镜，一方面可以保证准直装置4输出的激光束为平行光束；另一方面，可调节准直装置4输出的激光束光斑直径，从而在不改变聚焦透镜5的焦距的情况下，调节位于待加工材料表面的光斑大小，以便对不同直径的微型通孔或盲孔进行加工。所述精密激光微孔加工装置还包括精密平移台，所述扩束透镜11和可动透镜组42均安装于所述精密平移台上。所述精密平移台可为手动精密平移台或电动精密平移台。
以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。
Claims (10)
1.一种高斯激光束整形方法，包括以下步骤：
A、对激光器发出的高斯激光束进行扩束；
B、将扩束后的高斯激光束整形为平顶激光束；
C、将所述平顶激光束初步会聚后再进行准直，得到平行输出的平顶激光束；
D、对所述平行输出的平顶激光束进行聚焦；
E、所述步骤C之前还包括通过小孔光阑对所述平顶激光束进行拦截。
2.根据权利要求1所述的整形方法，其特征在于：所述步骤D之前还包括对所述平行输出的平顶激光束进行反射，改变其传播方向的步骤。
3.一种高斯激光束整形装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的扩束装置、整形装置、初聚透镜、准直装置及聚焦透镜，高斯激光束经扩束装置扩束后进入整形装置整形为平顶激光束，所述平顶激光束经初聚透镜初步会聚后进入准直装置进行准直，最后经聚焦透镜进行聚焦，所述整形装置与初聚透镜之间还设有对所述平顶激光束进行拦截的小孔光阑；所述准直装置包括相对光轴固定的固定透镜组及可相对光轴移动的可动透镜组，其中固定透镜组为两个凸透镜，可动透镜组为两个凹透镜，两个凹透镜组设置在两个凸透镜之间。
4.根据权利要求3所述的整形装置，其特征在于：所述准直装置与聚焦透镜之间还设有光束偏转装置，所述光束偏转装置用于改变激光束的传播方向。
5.根据权利要求4所述的整形装置，其特征在于：所述扩束装置包括至少两片沿光轴前后设置的扩束透镜，且任一扩束透镜均可沿光轴来回移动。
6.根据权利要求5所述的整形装置，其特征在于：所述光束偏转装置与所述聚焦透镜可整体移动，其包括至少一片反射镜。
7.根据权利要求6所述的整形装置，其特征在于：所述光束偏转装置的最末端的反射镜与所述聚焦透镜可整体移动。
8.一种精密激光微孔加工装置，包括用于发出高斯激光束的激光器，其特征在于：还包括沿光路依次设置的扩束装置、整形装置、初聚透镜、小孔光阑、准直装置、光束偏转装置及聚焦透镜，所述高斯激光束经扩束装置扩束后进入整形装置整形为平顶激光束，所述平顶激光束先经小孔光阑拦截、初聚透镜初步会聚后进入准直装置进行准直，再经光束偏转装置改变其传播方向后，由聚焦透镜聚焦得到用于微孔加工的激光束。
9.根据权利要求8所述的微孔加工装置，其特征在于：所述扩束装置包括至少两片沿光轴前后设置的扩束透镜，且任一扩束透镜均可沿光轴来回移动，所述准直装置包括相对光轴固定的固定透镜组及可相对光轴移动的可动透镜组。
10.根据权利要求9所述的微孔加工装置，其特征在于：还包括精密平移台，所述扩束透镜和可动透镜组均安装于所述精密平移台上。
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