CN107953040B - 一种高精度激光加工装置与系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种高精度激光加工装置及其加工系统，所述加工装置的特征在于，包括圆台体反射镜；所述圆台体反射镜包括位于外侧的第一锥面和位于所述圆台体轴线上的第二锥面；所述圆台体反射镜的第一锥面和第二锥面均涂覆有全反射涂层。该加工装置及其加工系统的应用突破了激光加工原有技术的扫描速度极限和加工尺度极限，能够有效减小热累积效应，并拓展了激光加工的有效范围，改善激光光束加工分辨率，实现超大与微小尺度结构的高精度加工，具有操作简单，成本低廉、高效可靠等优点。

Description

一种高精度激光加工装置与系统
技术领域
本申请涉及一种高精度激光方法与装置，特别涉及可实现器件高精度激光加工的一种方法与装置，属于激光加工技术领域。
背景技术
目前，公知的激光加工设备的加工精度主要受到机械运动系统精度的限制，在大于30μm的孔、槽等结构加工时，可以实现高精度加工。但是，在数微米及纳米级尺度结构和超大尺寸结构加工中，常规机械控制系统及激光加工精度已经无法满足其尺度要求及精度要求。
现有激光器的重复频率可以高达1MHz，光斑直径在50μm左右。高频激光器在工作过程中，其热积累效应将影响加工工件的表面质量与热影响层深度。为了减小材料加工中的热积累效应，通常在激光器的前端加装扫描振镜，使激光光束在工件表面高速往复移动。常规的扫描振镜的扫描速度只有10m/s左右。但加工工件因热累积效应而产生的热影响层仍然存在。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种高精度激光加工装置，该加工装置的应用突破了激光加工原有技术的扫描速度极限和加工尺度极限，能够有效减小热累积效应，并拓展了激光加工的有效范围，改善激光光束加工分辨率，实现超大与微小尺度结构的高精度加工，具有操作简单，成本低廉、高效可靠等优点。
所述高精度激光加工装置，其特征在于，包括圆台体反射镜；所述圆台体反射镜包括位于外侧的第一锥面和位于所述圆台体轴线上的第二锥面。
可选地，所述圆台体反射镜的第一锥面和第二锥面均涂覆有全反射涂层。
可选地，作为一种具体的实施方式，激光光束由所述圆台体反射镜底面进入所述圆台体反射镜；所述光束是平行光束或者聚焦光束；所述激光光束在所述圆台体反射镜的所述第一锥面进行第一次全反射后射向所述第二锥面，并在所述第二锥面发生第二次全反射。
优选地，激光光束选用聚焦光束，以提高激光加工的功率密度，进而提高加工效率。激光光束经聚焦透镜会聚，分别依次经所述第一锥面、所述第二锥面进行全反射，到达工件表面进行加工。
可选地，作为一种具体的实施方式，激光光束由所述圆台体反射镜顶面进入所述圆台体反射镜；所述光束是平行光束或者聚焦光束；所述激光光束在所述圆台体反射镜的所述第二锥面发生第一次全反射后射向所述第一锥面，并在所述圆台体反射镜的后射向所述第一锥面分发生第二次全反射，反射后的激光光束到达工件表面进行材料加工。
可选地，所述圆台体反射镜选自绕圆台轴线360°的完整圆台体或者绕圆台轴线任意角度的部分圆台体中的一种。
根据本申请的另一个方面，提供了一种高精度激光加工系统，其特征在于，所述系统包括输入信号、比较器、控制系统、激光器、光学元件、上述任一激光加工装置、工件输出信号、传感器和反馈信号。
可选地，所述系统的工作过程至少包括：
a)系统参数通过所述输入信号传递给所述控制系统，控制系统控制激光器开启及系统运动；
b)激光器开启后，激光光束将利用所述光学元件实现光束的传导或聚焦；
d)传导或聚焦后的激光光束利用所述激光加工装置的圆台体反射镜的反射缩放作用，将光束进行高精度缩小或放大；激光光束到达工件表面进行激光加工；
e)工件参数通过输出信号的形式被所述传感器采集并形成反馈信号；所述比较器对反馈信号与输入信号进行比较，从而实现对系统的反馈控制。
可选地，所述光学元件为多组全反射镜与聚焦透镜的组合，和/或多组全反射镜。
可选地，所述激光器或圆台体反射镜在控制系统运动平台带动下产生大位移运动或高精度的微小尺度位移。
可选地，所述激光器或圆台体反射镜以圆台体反射镜的结构轴线为圆心作旋转运动，旋转半径为R1，激光器发出的激光光束，经两次全反射后到达工件表面时的加工旋转半径为R2，R1/R2为系统的缩放倍率；
优选地，作为一种具体的实施方式，当激光光束由所述圆台体反射镜底面进入所述圆台体反射镜，所述激光光束在所述圆台体反射镜的第一锥面进行第一次全反射后，并在第二锥面发生第二次全反射，之后激光光束到达工件表面，R1/R2为系统的缩小倍率，此时的加工装置和加工系统是针对微小尺度结构的加工方案；
优选地，作为一种具体的实施方式，激光光束由所述圆台体反射镜顶面进入所述圆台体反射镜，所述激光光束在所述圆台体反射镜的第二锥面发生第一次全反射，并在所述圆台体反射镜的第一锥面发生第二次全反射后，激光光束到达工件表面，R1/R2为系统的放大倍率，此时的加工装置和加工系统是针对超大尺度结构的加工方案。
本申请能产生的有益效果至少包括：
1)本申请所提供的高精度激光加工装置和系统，针对现有高强度激光加工中热累积效应及加工尺度与精度不足问题，突破激光加工原有技术的扫描速度极限和加工尺度极限，既可以利用光线的实现激光加工的高速扫描，又可以对激光光束进行放缩，实现超大和微小尺度结构的高精度加工，并拓展了激光加工的有效范围，对航空航天及民用领域材料高精度加工具有重要意义。
2)本申请所提供的高精度激光加工装置和系统，能够有效减小热累积效应，改善激光光束加工分辨率，具有操作简单，成本低廉、高效可靠等优点。
附图说明
图1为本申请一种具体实施方式中高精度激光加工装置的三维加工微小尺度结构示意图。
图2为本申请一种具体实施方式中高精度激光加工装置的二维平面示意图。
图3为本申请一种具体实施方式中高精度激光加工装置及系统的聚焦光束加工过程示意图。
图4为本申请一种具体实施方式中高精度激光加工装置及系统的聚焦式部分透镜加工示意图。
图5为本申请一种具体实施方式中高精度激光加工装置及系统的超大尺寸结构加工过程示意图。
图6为本申请一种具体实施方式中高精度激光加工系统示意图。
部件和附图标记列表：
附图标记 部件名称
1 圆台体反射镜
2 工件
3 聚焦透镜
4 激光器
5 全反射涂层
6 输入信号
7 比较器
8 控制系统
9 光学元件
10 全反射透镜
11 输出信号
12 传感器
13 反馈信号
14 局部圆台体反射镜
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料和部件均通过商业途径购买。
实施例1
本申请提供的高精度激光加工装置与系统的材料加工过程如附图1、附图2及附图6所示。
首先，系统控制参数通过输入信号传递给控制系统，控制系统控制激光器开启及系统运动；光学元件为多组全反射镜组合，激光器开启后，激光光束利用光学元件实现平行光束的传导；
传导后的激光平行光束由圆台体反射镜底面(几何大圆面)进入圆台体反射镜，以圆台体反射镜结构轴线为圆心，光束旋转半径为R1；圆台体反射镜侧面外壁有全反射涂层，光束在圆台体反射镜的第一锥面进行第一次全反射；
圆台体反射镜内部在轴线位置圆锥孔内部涂覆有全反射涂层，第一次全反射后的激光光束在圆台体反射镜的第二锥面发生第二次全反射，光束旋转半径为R2；R2<R1，即实现了激光光束的缩径过程；
缩径后的激光光束到达工件表面并进行加工；
激光器或圆台体反射镜在控制系统运动平台带动下大位移运动，可以产生高精度的微小尺度位移。
如附图2所示，R1为激光器光束绕圆台体反射镜旋转的半径，R2为光束反射后到达工件表面的实际加工半径。R1/R2为系统的缩小倍率。
工件的加工位置、形貌等输出参数通过传感器进行信号采集，并将采集到的反馈信号与输入信号通过比较器进行比较，从而对系统进行反馈控制。
实施例2
本申请提供的高精度激光加工装置与系统不但可以对平行光束进行利用，也可以对聚焦光束进行利用，聚焦光束材料加工过程如附图3、附图4及附图6所示。
首先，系统控制参数通过输入信号传递给控制系统，控制系统控制激光器开启及系统运动；光学元件为多组全反射镜及聚焦透镜组合，激光器开启后，激光光束将利用光学元件实现平行光束的传导与光线会聚；
传导后的激光聚焦光束由圆台体反射镜底面(几何大圆面)进入圆台体反射镜；圆台体反射镜侧面外壁有全反射涂层，光束在圆台体反射镜的第一锥面进行第一次全反射；
圆台体反射镜内部在轴线位置圆锥孔内部涂覆有全反射涂层，第一次全反射后的激光光束在圆台体反射镜的第二锥面发生第二次全反射；
所述圆台体反射镜可以为绕圆台轴线360°的完整圆台体，如附图3所示，也可以是绕圆台轴线任意角度的部分圆台体，如附图4所示；
缩径后的激光光束到达工件表面进行加工；
激光器或圆台体反射镜在控制系统运动平台带动下大位移运动，可以产生高精度的微小尺度位移。
工件的加工位置、形貌等输出参数通过传感器进行信号采集，并将采集到的反馈信号与输入信号通过比较器进行比较，从而对系统进行反馈控制。
实施例3
上述实施例1与实施例2是针对微小尺度结构的加工方案，另外，针对超大尺度结构的材料加工过程如图5及图6所示。
首先，系统控制参数通过输入信号传递给控制系统，控制系统控制激光器开启及系统运动；光学元件为多组全反射镜及聚焦透镜组合，激光器开启后，激光光束将利用光学元件实现平行光束的传导与光线会聚；
传导后的激光光束由圆台体反射镜顶面(几何小圆面)进入圆台体反射镜；
圆台体反射镜内部在轴线位置圆锥孔内部涂覆有全反射涂层，光束在圆台体反射镜的第二锥面发生第一次全反射；
圆台体反射镜侧面外壁有全反射涂层，第一次全反射后的激光光束在圆台体反射镜的第一锥面进行第二次全反射；
穿过圆台体反射镜的激光光束到达工件表面进行加工；
激光器或圆台体反射镜在控制系统运动平台带动下小位移运动，可以产生高精度的超大尺度位移。
激光器或圆台体反射镜作以圆台体反射镜结构轴线为圆心的旋转运动，旋转旋转半径R1。激光器发出的激光光束，经圆台体反射镜的第二锥面发生第一次全反射，在圆台体反射镜的第一锥面发生第二次全反射。反射后的激光光束到达工件表面进行材料加工，加工旋转半径R2。R1/R2为系统的放大倍率。
工件的加工位置、形貌等输出参数通过传感器进行信号采集，并将采集到的反馈信号与输入信号通过比较器进行比较，从而对系统进行反馈控制。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (6)

1.一种高精度激光加工装置，其特征在于，所述装置包括圆台体反射镜和激光器；
所述圆台体反射镜包括位于所述圆台体反射镜外侧的第一锥面和位于所述圆台体反射镜内侧的第二锥面；
所述激光器发出激光光束，所述激光光束是平行光束或者聚焦光束；
所述激光光束由所述圆台体反射镜的底面或者顶面进入所述圆台体反射镜中，所述激光光束从圆台体反射镜中心轴线的一侧入射；
由所述激光器或者所述圆台体反射镜的大位移运动或者小位移运动分别带动所述激光光束从所述圆台体反射镜射出时产生小尺度位移或者大尺度位移；
所述激光器或者所述圆台体反射镜以圆台体反射镜的结构轴线为中心轴线作旋转运动；
所述圆台体反射镜的第一锥面和第二锥面均涂覆有全反射涂层；
当所述激光光束由所述圆台体反射镜底面进入所述圆台体反射镜时，所述激光光束在所述圆台体反射镜的所述第一锥面进行第一次全反射后射向所述第二锥面，并在所述第二锥面发生第二次全反射；
当所述激光光束由所述圆台体反射镜顶面进入所述圆台体反射镜时，所述激光光束在所述圆台体反射镜的所述第二锥面发生第一次全反射后射向所述第一锥面，并在所述第一锥面发生第二次全反射。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述圆台体反射镜选自绕其结构轴线为360°的完整圆台体或者绕其结构轴线为任意角度的部分圆台体中的一种。
3.一种高精度激光加工系统，其特征在于，所述系统包括输入信号、比较器、控制系统、光学元件、权利要求1或2所述激光加工装置、工件输出信号、传感器和反馈信号；
所述激光加工装置中的所述激光器或所述圆台体反射镜在控制系统控制下，使激光光束从所述圆台体反射镜射出时产生小尺度位移或者大尺度位移。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统的工作过程至少包括：
a)系统参数通过所述输入信号传递给所述控制系统，控制系统控制激光器开启及系统运动；
b)激光器开启后，激光光束将利用所述光学元件实现光束的传导或聚焦；
c)传导或聚焦后的激光光束利用所述激光加工装置的圆台体反射镜的反射缩放作用，将光束进行高精度缩小或放大；激光光束到达工件表面进行激光加工；
d)工件参数通过输出信号的形式被所述传感器采集并形成反馈信号；所述比较器对反馈信号与输入信号进行比较，从而实现对系统的反馈控制。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光学元件为多组全反射镜与聚焦透镜的组合，和/或多组全反射镜。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述激光器或圆台体反射镜以圆台体反射镜的结构轴线为中心轴线作旋转运动，旋转半径为R1，激光器发出的激光光束，经两次全反射后到达工件表面时的加工旋转半径为R2，R1/R2为系统的缩放倍率。
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