CN104942435B - 一种激光加工头及其进行激光加工的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光加工头及其进行激光加工的方法，属于激光加工设备和方法技术领域，包括激光器、聚焦透镜和双轴晶体，依次排列为：激光器、聚焦透镜和双轴晶体，所述聚焦透镜和聚焦透镜的焦点分别位于所述双轴晶体的两侧，所述激光器输出的激光与所述双轴晶体的光轴平行，还包括变焦系统，所述变焦系统设置在所述双轴晶体的一侧，所述聚焦透镜的焦点位于双轴晶体和变焦系统之间，本发明的激光加工头加工效率高，稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工设备和方法技术领域，具体而言，涉及一种激光加工头及其进行激光加工的方法。
背景技术
由于激光技术及其应用的不断发展，激光加工技术越来越受到人们的重视，经过40多年的发展，至今已经成为先进制造技术的重要组成部分，目前被广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等领域，有着巨大的经济效益和社会效益，应用前景十分的广阔。激光加工为无接触加工，加工速度快，无噪声，可以实现各种复杂面型的高精度的加工目的。且加工过程中无“道具”磨损，对工件无“切削力”。具体的应用主要有：激光焊接，激光打孔，激光切割，激光表面热处理等。
对于复杂工件的加工，通常情况下是结合机械设计等，利用激光束易于导向、聚焦和发散的特点，根据加工要求，设计得到不同的光斑尺寸和密度。并通过外光路系统来改变光束的方向，构成各种加工系统，用于加工各种复杂工件。对于有特殊结构的工件，往往需要改变外光路系统进而避开不需要加工的部分。外光路系统的稳定性对于激光的加工影响很大，而加工特殊结构的工件则需要频繁改变外光路系统，这在一定程度上限制了加工的效率。
另外，对于工件的打孔，传统的激光加工器由于其聚焦后具有较大的发散角，准直度有所降低，因此打出的孔壁会具有一定的倾斜角度，旋转打孔虽然一定程度上解决了垂直度的问题，但是其加工效率低，稳定性不高。
所以，传统的激光加工器具有对复杂元件的加工效率低、稳定性差的缺点。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种加工效率高、稳定性好的激光加工头及其进行激光加工的方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光加工头，包括激光器，还包括聚焦透镜和双轴晶体，依次排列为：激光器、聚焦透镜和双轴晶体，所述聚焦透镜和聚焦透镜的焦点分别位于所述双轴晶体的两侧，所述激光器输出的激光与所述双轴晶体的光轴平行。
进一步，所述激光加工头还包括变焦系统，所述变焦系统设置在所述双轴晶体的一侧，所述聚焦透镜的焦点位于双轴晶体和变焦系统之间。
进一步，所述变焦系统由共光轴设置的第一凸透镜和第二凸透镜组成。
进一步，所述激光器为固体激光器或气体激光器。
进一步，所述聚焦透镜上镀有对激光高透过率的膜。
进一步，所述双轴晶体的激光入射面和出射面上均镀有对激光高透过率的膜。
进一步，所述第一凸透镜和第二凸透镜上均镀有对激光高透过率的膜。
一种利用如上所述的激光加工头进行激光加工的方法，包括以下步骤：
(1)激光器输出的激光透过聚焦透镜后，得到会聚光束；
(2)会聚光束入射到双轴晶体，入射时会聚光束与双轴晶体光轴平行，透过双轴晶体后，得到瓶状光束，所述瓶状光束具有双焦点，并且焦像平面处呈环形；
(3)利用瓶状光束的焦点加工或者利用焦像平面的环形光束打孔。
本发明的有益效果如下：
1、利用双轴晶体的圆锥折射作用，将经过聚焦透镜后的高斯光束转变成为圆锥折射光束，相比于传统的高斯光束，在光束传播方向上先后形成两个焦点，且两焦点之间光束先发散成环形后再次汇聚，根据这样的特性，可以利用空心环形部分绕过小尺寸的障碍物，后焦点直接作用于工件加工面进行加工，加工效率提高；
2、利用双轴晶体的圆锥折射作用，将经过聚焦透镜后的高斯光束转变成为圆锥折射光束，在焦像平面处，环形光束的发散角几乎为0，即波矢方向发散角很小，用于激光切割得到的孔垂直度较好，稳定性高；
3、利用变焦系统将瓶状光束成像，根据需要调节第一凸透镜和第二凸透镜之间的距离，即可得到不同光场半径的环形光束，适用于各种工件的加工，无需改变外光路系统，加工效率高。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为瓶状光束照片。
图中：1—激光器，2—聚焦透镜，3—双轴晶体，4—第一凸透镜，5—第二凸透镜，6—瓶状光束，61—前焦点，62—焦像平面，63—后焦点，7—像面。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例一：
一种激光加工头，主要包括：激光器1、聚焦透镜2、双轴晶体3和变焦系统。变焦系统由共光轴设置的第一凸透镜4和第二凸透镜5组成，按照激光传输的方向依次排列为：激光器1、聚焦透镜2、双轴晶体3、第一凸透镜4和第二凸透镜5。所述聚焦透镜2的焦点位于双轴晶体3和变焦系统之间，所述激光器1输出的激光与所述双轴晶体3的光轴平行，所述聚焦透镜2上镀有对激光高透过率的膜，所述双轴晶体3的激光入射面和出射面上均镀有对激光高透过率的膜，所述第一凸透镜4和第二凸透镜5上均镀有对激光高透过率的膜。双轴晶体3可旋转，以保证入射时会聚光束与双轴晶体3光轴平行。
激光器1为固体激光器或气体激光器，发射的激光光束波长范围为全波段，激光器的能量范围，依据不同的加工方式需要选择输出能量，若是焦点加工需控制焦像平面处的功率密度小于损伤阈值，若是焦像平面作用需提高输出能量实现加工效果。
另，本发明还提供一种利用如上所述的激光加工头进行激光加工的方法，包括以下步骤：
(1)激光器输出的激光透过聚焦透镜2后，得到会聚光束，会聚光束的束腰半径为ω；
(2)会聚光束入射到双轴晶体3，入射时会聚光束与双轴晶体3光轴平行，透过双轴晶体3后，得到瓶状光束6，所述瓶状光束6具有双焦点(前焦点61和后焦点63)，并且焦像平面62处呈环形，如图2所示；
(3)利用瓶状光束6的后焦点63作为变焦系统物面，经过变焦系统成像后，后焦点63的像面7为加工平面，利用该像面7进行加工。利用双轴晶体3的圆锥折射作用，将经过聚焦透镜2后的高斯光束转变成为圆锥折射光束，相比于传统的高斯光束，在光束传播方向上先后形成两个焦点，且两焦点之间光束先发散成环形后再次汇聚，根据这样的特性，可以利用空心环形部分绕过小尺寸的障碍物，后焦点63直接作用于工件加工面进行加工。
对于瓶状光束6，根据双轴晶体3的圆锥折射公式，可以得到圆锥折射光束在焦像平面62处环形光束的半径为
R0＝Al
其中，l为双轴晶体3的长度，n1、n2和n3为双轴晶体3的三个主折射率，并且n3＞n2＞n1。
焦像平面62距聚焦透镜2的距离zf为
其中为f为聚焦透镜的焦距；
前焦点61距焦像平面62的距离ZF为
后焦点63距聚焦透镜2的距离zf+ZF为
第一凸透镜4的焦距为f1，第二凸透镜5的焦距为f2，第一凸透镜4和第二凸透镜5之间的距离为d，根据变焦公式，变焦系统的焦距fc满足
变焦系统的放大比m为
焦像平面62在变焦系统之后的像面7距变焦系统的距离u满足
将瓶状光束6的后焦点63作为入射变焦系统的物面，其距离变焦系统的距离为v，将v带入上述系统成像公式，根据加工需要确定系统放大比，从而确定变焦系统的焦距fc，通过调节两透镜之间的距离d得到所需的焦距。根据成像关系得到对应的像面7，此为加工平面，将加工工件放置此处进行加工。
实施例二：
与实施例1相同部分不再赘述，不同的是：
本发明还提供一种利用如上所述的激光加工头进行激光加工的方法，包括以下步骤：
(1)激光器1输出的激光透过聚焦透镜2后，得到会聚光束，会聚光束的束腰半径为ω；
(2)会聚光束入射到双轴晶体3，入射时会聚光束与双轴晶体3光轴平行，透过双轴晶体3后，得到瓶状光束6，所述瓶状光束6具有双焦点(前焦点61和后焦点63)，并且焦像平面63处呈环形；
(3)利用瓶状光束6的焦像平面62作为变焦系统物面，经过变焦系统成像后，利用该像面7进行打孔。利用双轴晶体3的圆锥折射作用，将经过聚焦透镜2后的高斯光束转变成为圆锥折射光束，在焦像平面62处，环形光束的发散角几乎为0，即波矢方向发散角很小，利用该焦像平面62的像面7进行激光切割得到的孔垂直度较好，稳定性高。
将瓶状光束6的焦像平面63作为入射变焦系统的物面，其距离变焦系统的距离为v，将v带入实施例一的系统成像公式，根据加工需要确定系统放大比，确定变焦系统的焦距fc，通过调节第一凸透镜4和第二凸透镜5之间的距离d得到所需的焦距。根据成像关系得到对应的像面7，此为加工平面，将加工工件放置此处进行加工。利用变焦系统实现环形光束尺寸的调节，以匹配加工要求。
例如：激光器1输出的激光波长为λ＝532nm，聚焦透镜2的焦距为f＝100mm，经过聚焦透镜2后的会聚光束的束腰半径ω＝18μm。
双轴晶体3材料为KGW晶体，折射率为n1＝2.013，n2＝2.045，n3＝2.086，其尺寸为长l＝30mm、宽w＝2mm、高d＝3mm，光轴方向沿与入射端面垂直方向。本实例中焦像平面处的圆环半径为R0＝510μm，后焦点距聚焦透镜2的距离为zf+ZF＝182mm。
变焦系统的两透镜焦距分别为f1＝100mm,f2＝100mm，根据加工需要，放大比设定为0.5，变焦系统距离后焦点63的距离v＝300mm，第一凸透镜4和第二凸透镜5之间的距离为d＝100mm。
将上述数据代入实施例一的公式，得到加工面处的光场半径为9μm。即该焦像平面63的像7在加工面处的环形光束半径为9μm，可利用该光束打孔。第一凸透镜4和第二凸透镜5的距离d通过控制程序可快速计算得到，通过调节两透镜之间的距离d即可调节作用于加工平面的光场半径。利用变焦系统将瓶状光束6成像，根据需要调节第一凸透镜4和第二凸透镜5之间的距离，即可得到不同光场半径的环形光束，适用于各种工件的加工，无需改变外光路系统，加工效率高。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种激光加工头，包括激光器，其特征在于，还包括聚焦透镜和双轴晶体，依次排列为：激光器、聚焦透镜和双轴晶体，所述聚焦透镜和聚焦透镜的焦点分别位于所述双轴晶体的两侧，所述激光器输出的激光与所述双轴晶体的光轴平行，所述激光加工头还包括变焦系统，所述变焦系统设置在所述双轴晶体的一侧，所述聚焦透镜的焦点位于双轴晶体和变焦系统之间；
所述激光加工头进行激光加工包括以下步骤：
(1)激光器输出的激光透过聚焦透镜后，得到会聚光束；
(2)会聚光束入射到双轴晶体，入射时会聚光束与双轴晶体光轴平行，透过双轴晶体后，得到瓶状光束，所述瓶状光束具有双焦点，并且焦像平面处呈环形；
(3)利用瓶状光束的焦点加工或者利用焦像平面的环形光束打孔。
2.根据权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，所述变焦系统由共光轴设置的第一凸透镜和第二凸透镜组成。
3.根据权利要求1-2任一所述的激光加工头，其特征在于，所述激光器为固体激光器或气体激光器。
4.根据权利要求3所述的激光加工头，其特征在于，所述聚焦透镜上镀有对激光高透过率的膜。
5.根据权利要求4所述的激光加工头，其特征在于，所述双轴晶体的激光入射面和出射面上均镀有对激光高透过率的膜。
6.根据权利要求2所述的激光加工头，其特征在于，所述第一凸透镜和第二凸透镜上均镀有对激光高透过率的膜。
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