CN104816087A - 一种基于单光束时空特性调节的激光加工头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于单光束时空特性调节的激光加工头，包括分束镜片、环形光路系统和中心光路系统；环形光路系统包括第一平面反射镜、锥透镜组和聚焦物镜，中心光路系统包括第二平面反射镜和第三平面反射镜；经分束镜片分束后的第一束激光束经第一平面反射镜的反射后，入射至锥透镜组，锥透镜组产生非衍射环形光束输出至聚焦物镜，聚焦物镜将非衍射环形光束聚焦后的细环形焦斑输出至工件的表面；经分束镜片分束后的第二束激光束经第二平面反射镜和第三平面反射镜的反射后，入射至聚焦物镜，聚焦物镜将激光束聚焦后输出中心细圆斑在工件的表面。采用本发明所述的激光加工头进行激光打孔时，能保证良好的圆环精度，减小热影响区，提升孔边质量。

Description

一种基于单光束时空特性调节的激光加工头
技术领域
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种基于单光束时空特性调节的激光加工头。
背景技术
锥透镜包括平凸(PCX)锥透镜和平凹(PCV)锥透镜。平凸(PCX)锥透镜具有一个凸锥面和一个平面；平凹(PCV)锥透镜具有一个凹锥面和一个平面。它们用于产生可随着距离增加直径，但又保持一致环形厚度的非衍射环形光束。若与准直高斯光束配合使用，平凸(PCX)锥透镜将可形成近似贝塞尔光束并适用于一系列医疗、研究、测量和校准应用的环形光束。这些锥透镜具有精确熔融的石英基片并备有无镀膜以及各种增透膜选项。贝塞尔光束是一种由相等功耗的环形所形成的非衍射光束，平凸(PCX)锥透镜和平凹(PCV)锥透镜可沿着光轴形成环形成像，或形成近似贝塞尔光束的非衍射光束。
激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。激光打孔是利用脉冲激光106～109W/cm2的高功率密度及优良的空间相干性，使工件被照射部位的材料熔化、蒸发，并辅助以高速气流进行各种材料的去除来实现孔的加工。以金属的打孔为例，打孔过程包括以下几个物理过程：(1)吸收与加热阶段，金属吸收光能，工件温度迅速上升，通过热传递透入内部。(2)熔化阶段，材料温度在沸点和熔点之间，当材料温度超过熔点时，开始熔化，熔液表面向材料深处延伸。(3)汽化阶段，材料温度大于沸点，一部分材料被汽化产生材料蒸汽，材料表面开始出现圆窝，溶液表面继续向材料内部延伸。(4)等离子体产生阶段，材料温度远大于沸点，此时少量材料开始被汽化，同时把材料加热到高温；在激光加工头辅助吹气气流作用下，随着温度不断上升，金属蒸汽携带着液相物质以极高的速度从液相底部猛烈的喷溅出来，从而完成打孔过程。
激光打圆孔(通孔或盲孔)一般有两种方式，第一种是采用脉冲单点钻孔，它适合于孔径不超过光斑直径的情况；加工时光斑固定不动，采用一组重复周期远远大于材料凝固时间的极短脉冲光束来进行打孔加工，由于多次脉冲激光能量的不断积累，使照射区内的材料逐层汽化蒸发，逐渐将孔加深。第二种方式是切孔，即光斑沿着轮廓线行进，将孔内材料直接切除，其适用于直径大于光斑的孔。
以上两种激光打孔技术虽然在工业领域得到广泛应用，但对于精密打孔尤其是微孔而言，仍具有不足之处：1)脉冲单点钻孔和切孔各自应用的钻孔孔径存在难以覆盖的中间地带，脉冲单点钻孔为了保持足够的能量密度和打孔圆度，焦斑半径一般在50微米以下，而切孔需要运动机构做两轴或三轴插补运动以使得焦斑与工件产生圆周相对移动，而对于孔径过小的孔来说(比如说0.5mm以内)，运动机构的精度要求非常高，使得激光打孔机构的成本很高，且孔的圆度也往往仍不够理想；2)由于插补运动的存在，使得切孔的效率远不如脉冲单点钻孔高，并且由于运动机构运动速度的限制，不可采用过高的激光功率，限制了高功率激光器的运用；3)对于导热各向异性的材料而言，脉冲单点钻孔和切孔的焦斑都是高斯能量分布，使得热影响区在不同方向上大小不一致，直接影响了孔的圆度和孔边质量，易产生热应力变形；4)脉冲单点钻孔和切孔的高脉冲能量全部、同时作用在同一位置，造成剧烈的熔化、汽化和等离子体现象，大量激光能量被浪费在多余的熔化、汽化和等离子体吸收中，热影响区增大，打孔质量提升困难。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于单光束时空特性调节的激光加工头。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于单光束时空特性调节的激光加工头，包括分束镜片、环形光路系统和中心光路系统；入射激光束经分束镜片分束后，将单个激光束分成两束，其中一束经分束镜片反射后入射至环形光路系统，另外一路经分束镜片透射后入射至中心光路系统；
所述环形光路系统包括第一平面反射镜、锥透镜组和聚焦物镜，第一平面反射镜、锥透镜组和聚焦物镜的光轴在同一直线上；
经分束镜片分束后的第一束激光束经第一平面反射镜的反射后，入射至锥透镜组，锥透镜组产生非衍射环形光束并输出至聚焦物镜，聚焦物镜将非衍射环形光束聚焦后的细环形焦斑输出至工件的表面；
所述中心光路系统包括第二平面反射镜和第三平面反射镜；分束镜片的光轴与第二平面反射镜的光轴在同一直线上，均与入射激光束的方向相同；
经分束镜片分束后的第二束激光束入射至第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射后，入射至第三平面反射镜，经第三平面反射镜反射后，入射至聚焦物镜，聚焦物镜将激光束聚焦后输出中心细圆斑在工件的表面；所述中心细圆斑所在的位置位于环形光路系统输出的细环形焦斑的中心。，
优选的，所述环形光路系统还包括第一扩束准直镜，第一扩束准直镜设置在第一平面反射镜与锥透镜组之间，第一扩束准直镜的光轴与锥透镜组的光轴在同一直线上。
优选的，所述中心光路系统还包括第二扩束准直镜，第二扩束准直镜设置在分束镜片与第二平面反射镜之间，第二扩束准直镜的光轴第二平面反射镜的光轴在同一直线上。
优选的，在分束镜片之前还设置有第三扩束准直镜。
优选的，在聚焦物镜的周围设置有同轴或旁轴吹气装置。
本发明具有如下有益效果：
1、采用本发明所述的激光加工头进行激光打孔时，孔形由锥透镜特性保证，且改变锥透镜与物镜之间距离、选用不同焦距的物镜就可以实现不同的圆环直径(即加工孔径)，采用不同的锥透镜还可以实现不同的圆环内外环之差，因此不但从光学原理上能够保证良好的通孔圆度，还能保证良好的圆环精度即特别适合圆环形盲孔加工，这是传统脉冲单点打孔和切孔非常难以做到的。
2、脉冲单点钻孔和切孔的高脉冲能量全部、同时作用在同一位置，造成剧烈的熔化、汽化和等离子体现象，大量激光能量被浪费在多余的熔化、汽化和等离子体吸收中，热影响区增大，打孔质量提升困难。本发明则采用了时间和空间上的能量分离，入射单光束经过分束之后，通过设置不同的延时光程，造成了中心脉冲和周围环形脉冲的顺序作用，既可以是中心脉冲先作用在工件表面、预热待钻孔位置之后再由环形脉冲直接穿孔(适合于大孔加工)，也可以是环形脉冲先作用在工件表面、预热待钻孔位置之后再由中心脉冲直接打孔(适合于小孔加工)，无论是大孔还是小孔加工应用，由于脉冲能量的时空调配(中心脉冲和周围环形脉冲的能量比例由分束镜片控制)，都可以减少激光能量浪费在无用的过度熔化、汽化和等离子体吸收现象，从而可以减小热影响区，大大提升孔边质量。
3、采用本发明所述的激光加工头进行激光打孔时，无须光斑运动，比切孔方式效率极大提高；同时由于加工时不须光斑运动，因此毫无运动精度误差，孔的圆度误差不随孔径大小而影响，另一方面由于不存在运动机构运动速度的限制，因此避免了传统切孔方式对过高激光功率的限制，有利于高功率激光器的运用。
4、本发明利用非衍射贝塞尔能量分布光束进行直接光学穿孔加工，对于导热各向异性的材料而言，一方面，环形光束保证了各方向上被辐照的宽度尺寸非常接近(脉冲单点钻孔和切孔的焦斑都是高斯能量分布使得各方向上被辐照的宽度尺寸差别很大)，另一方面孔径边界同时加热，热应力对称(而切孔时沿切孔圆周方向存在热应力循环)，因此加工出的孔热影响区在不同方向上大小接近一致，可以大大提高孔的圆度和孔边质量，减少热应力变形。
附图说明
图1为本发明所述基于单光束时空特性调节的激光加工头的原理图；
图中各符号的含义如下：
分束镜片1、第一扩束准直镜2、锥透镜组3、聚焦物镜4、第二扩束准直镜5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、第三平面反射镜8、工件9、入射激光束10。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供了一种基于单光束时空特性调节的激光加工头，该激光加工头将单个光束先分成两束，其中一束利用锥透镜构成圆环光束，再经过物镜聚焦后，成细环形焦斑作用在工件表面，另一束利用反射镜转折后再经过物镜聚焦后成中心细圆斑，作用在待加工的圆孔中心(根据几何光学，一定在细环形焦斑包围的区域内部)。细环形焦斑和中心细圆斑的直径均可通过光学镜片调节(改变锥透镜与物镜之间距离、选用不同焦距的物镜共同决定不同的细环形焦斑直径，采用不同的锥透镜还可以实现不同的圆环内外环之差，不同焦距的物镜可以实现不同的中心细圆斑直径)，细环形焦斑和中心细圆斑到达工件表面在时间上的先后顺序和二者延时值同样可以通过光学镜片之间的距离调节(即调节分束之后的光程差)，以满足两种不同打孔加工应用需求，具体的说，第一种是打孔孔径极小情况下(孔径不大于50微米)，则使中心细圆斑的直径等于打孔孔径，细环形焦斑首先到达工件表面实现预热作用，然后经过一定延时之后中心细圆斑到达实现中心打孔，第二种是打孔孔径较大情况下(孔径大于50微米)，则使细环形焦斑后与待加工的圆孔直径吻合，中心细圆斑首先到达工件表面实现预热作用，然后经过一定延时之后细环形焦斑到达实现环形打孔。
如图1所示，基于单光束时空特性调节的激光加工头包括分束镜片1、环形光路系统和中心光路系统；入射激光束10经分束镜片1分束后，将单个激光束分成两束，其中一束经分束镜片1反射后入射至环形光路系统，另外一路经分束镜片1透射后入射至中心光路系统。其中分束镜片1可以是半透半反镜，也可以按照一定比例分配两个激光束。
所述环形光路系统包括第一平面反射镜6、第一扩束准直镜2、锥透镜组3和聚焦物镜4，第一平面反射镜6、第一扩束准直镜2、锥透镜组3和聚焦物镜4的光轴在同一直线上；
经分束镜片1分束后的第一束激光束经第一平面反射镜6的反射后，入射至第一扩束准直镜2，经第一扩束准直镜2扩束准直后，入射至锥透镜组3，锥透镜组3产生非衍射环形光束并输出至聚焦物镜4，聚焦物镜4将非衍射环形光束聚焦后的细环形焦斑输出至工件9的表面。
其中，锥透镜组3可以是平凹锥透镜或者平凸锥透镜，也可以是两者的组合；聚焦物镜4可以是聚焦透镜及透镜组(如F-theta组合镜)，也可以是反射式聚焦镜(此时聚焦光路将会空间转折90度后聚焦在工件表面)；锥透镜组3与聚焦物镜4之间距离要求可调，具体实现可以是锥透镜组3移动或聚焦物镜4移动或二者均相对移动。
所述中心光路系统包括第二扩束准直镜5、第二平面反射镜7和第三与面反射镜8；分束镜片1、第二扩束准直镜5和第二平面反射镜7的光轴在同一直线上，与入射激光束10的方向相同。
经分束镜片1分束后的第二束激光束经第二扩束准直镜5扩束准直后，入射至第二平面反射镜7，经第二平面反射镜7反射后，入射至第三平面反射镜8，经第三平面反射镜8反射后，入射至聚焦物镜4，聚焦物镜4将激光束聚焦后输出中心细圆斑在工件9的表面，根据几何光学，该输出中心细圆斑的位置位于环形光路系统输出的细环形焦斑的中心。，其中，第一平面反射镜6、第二平面反射镜7和第三平面反射镜8的空间方位要求可以调节，以实现光程的变化。
优选的，在分束镜片1之前还可以增设第三扩束准直镜，以提高光束质量。另外，环形光路系统和中心光路系统中的扩束准直镜也不是必需的，可根据实际情况选用。
优选的，为了配合打孔应用，可以参照现有激光切割加工头结构，在聚焦物镜4的周围，还可以设置同轴或旁轴吹气，以获得更好的加工效率和加工效果。
上述基于单光束时空特性调节的激光加工头分束能量调节和光程调节非常灵活，既可以是分束后较低比例能量的中心脉冲先作用在工件表面、预热待钻孔位置之后再由较高比例能量的环形脉冲直接穿孔(适合于大孔加工)，也可以是较低比例能量的环形脉冲先作用在工件表面、预热待钻孔位置之后再由较高比例能量的中心脉冲直接打孔(适合于小孔加工)，还可以是二者能量均较高，都实现打孔效果，即形成中心小孔和周围环形孔的组合。
本发明的打孔对加工通孔和盲孔两种应用均适用，故以上所述的孔包括通孔和盲孔两种形式。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，比如在激光束进入聚焦物镜之前，在光路的任意合适位置添加扩束准直镜、或者添加若干反射镜使光路多反射转折几次再进入聚焦镜等等，这样的常规技术手段改变不认为脱离本发明的范围。

Claims (5)

1.一种基于单光束时空特性调节的激光加工头，其特征在于，包括分束镜片(1)、环形光路系统和中心光路系统；入射激光束(10)经分束镜片(1)分束后，将单个激光束分成两束，其中一束经分束镜片(1)反射后入射至环形光路系统，另外一路经分束镜片(1)透射后入射至中心光路系统；
所述环形光路系统包括第一平面反射镜(6)、锥透镜组(3)和聚焦物镜(4)，第一平面反射镜(6)、锥透镜组(3)和聚焦物镜(4)的光轴在同一直线上；
经分束镜片(1)分束后的第一束激光束经第一平面反射镜(6)的反射后，入射至锥透镜组(3)，锥透镜组(3)产生非衍射环形光束并输出至聚焦物镜(4)，聚焦物镜(4)将非衍射环形光束聚焦后的细环形焦斑输出至工件(9)的表面。
所述中心光路系统包括第二平面反射镜(7)和第三平面反射镜(8)；分束镜片(1)的光轴与第二平面反射镜(7)的光轴在同一直线上，均与入射激光束(10)的方向相同；
经分束镜片(1)分束后的第二束激光束入射至第二平面反射镜(7)，经第二平面反射镜(7)反射后，入射至第三平面反射镜(8)，经第三平面反射镜(8)反射后，入射至聚焦物镜(4)，聚焦物镜(4)将激光束聚焦后输出中心细圆斑在工件(9)的表面；所述中心细圆斑所在的位置位于环形光路系统输出的细环形焦斑的中心。
2.根据权利要求1所述的基于单光束时空特性调节的激光加工头，其特征在于，所述环形光路系统还包括第一扩束准直镜(2)，第一扩束准直镜(2)设置在第一平面反射镜(6)与锥透镜组(3)之间，第一扩束准直镜(2)的光轴与锥透镜组(3)的光轴在同一直线上。
3.根据权利要求1所述的基于单光束时空特性调节的激光加工头，其特征在于，所述中心光路系统还包括第二扩束准直镜(5)，第二扩束准直镜(5)设置在分束镜片(1)与第二平面反射镜(7)之间，第二扩束准直镜(5)的光轴第二平面反射镜(7)的光轴在同一直线上。
4.根据权利要求1所述的基于单光束时空特性调节的激光加工头，其特征在于，在分束镜片(1)之前还设置有第三扩束准直镜。
5.根据权利要求1所述的基于单光束时空特性调节的激光加工头，其特征在于，在聚焦物镜(4)的周围设置有同轴或旁轴吹气装置。
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