CN110076449A - 实现大深径比加工的激光头装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现大深径比加工的激光头装置，包括光束传输变换机构，光束传输变换机构将激光器发出的激光束转换为作用在工件表面上的无衍射聚焦光束，光束传输变换机构包括扩束组件和轴锥镜组合模块；一种轴锥镜组合模块包括沿光路同轴设置的正轴锥镜Ⅰ和单筒望远镜；另一种轴锥镜组合模块包括沿光路同轴设置的正轴锥镜Ⅰ和参数一致且镜像对称的正轴锥镜Ⅱ与正轴锥镜Ⅲ；再一种轴锥镜组合模块包括沿光路同轴设置的负轴锥镜和参数一致且镜像对称的正轴锥镜Ⅳ和正轴锥镜Ⅴ。本发明利用轴锥镜组合模块来生成具有一定工作距离的无衍射聚焦光束，利用无衍射聚焦光束的特性，提高聚焦光束的质量，获得较小的聚焦中心光斑及更长的准直区。

Description

实现大深径比加工的激光头装置
技术领域
本发明涉及激光器件，具体为一种实现大深径比加工的激光头装置。
背景技术
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔、增材制造及微细加工等的一门加工技术。激光加工的主要特点有：非接触式加工；对加工材料的热影响区小；加工灵活；微区加工；可以通过透明介质对密封容器内的工件进行各种加工；可以加工高硬度、高脆性及高熔点的多种金属、非金属材料。
高斯光束的振幅与照度的分布是旋转对称的，从光轴到边缘强度逐渐减小且具有高斯形状。高斯光束的焦点处最小光束直径称为束腰，利用高斯光束进行激光加工的关键影响因素是光束的束腰半径以及光束发散角，加工时只有在两倍瑞利长度范围内才能进行有效加工。高斯光束瑞利长度计算公式为又由于高斯光束的瑞利长度较小，随着加工深度的增加，尤其针对较厚材料的加工时，小的瑞利长度不能满足其加工要求，这在一定程度上限制了传统激光加工的应用。
针对高斯光束的这一缺陷，Durnin于1987年提出无衍射光束(零阶bessel光束)的概念，无衍射光束具有中心光斑直径小、能量分布均匀、准直区长等特性，无衍射光束能达到几十微米级的中心光斑，且在该中心光斑尺寸量级准直长度可达到几十厘米；在进行加工时，加工深度的动态范围大，在无衍射范围内对工件位置误差的敏感度为零，对工件表面的平整度适应性强，且沿光轴方向既不需要精密聚焦，也无需考虑齐焦的问题。无衍射光束由于其独有的特性被广泛应用于光镊、非线性光学、激光准直等领域，无衍射bessel光束的特性为激光加工的应用开辟了新的途径。
理想的bessel光束很难在现实中实现，但人们可以通过实验的方法来获得近似的bessel光束，其中，最传统的结构是利用单个轴锥镜产生无衍射光束，传统的折射轴棱锥产生的无衍射光束具有能量利用率高、制造成本低等特点，但其工作距离短的缺点限制了其在更多领域上的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种实现大深径比加工的激光头装置，所要解决的技术问题是获得一个具有大工作距离的bessel光束并实现工作距离的可控。
能够解决上述技术问题的实现大深径比加工的激光头装置，其第一技术方案包括光束传输变换机构，所述光束传输变换机构将激光器发出的激光束转换为作用在工件表面上的无衍射聚焦光束，所述光束传输变换机构包括扩束组件和轴锥镜组合模块，所述扩束组件将激光束扩展为平行的高斯光束，所不同的是所述轴锥镜组合模块包括沿光路同轴设置的正轴锥镜Ⅰ和单筒望远镜，所述正轴锥镜Ⅰ将高斯光束转换为无衍射光束，所述单筒望远镜将无衍射光束转换为无衍射聚焦光束，所述无衍射聚焦光束形成的无衍射聚焦区域与单筒望远镜之间的距离为无衍射聚焦光束的工作距离。
能够解决上述技术问题的实现大深径比加工的激光头装置，其第二技术方案包括光束传输变换机构，所述光束传输变换机构将激光器发出的激光束转换为作用在工件表面上的无衍射聚焦光束，所述光束传输变换机构包括扩束组件和轴锥镜组合模块，所述扩束组件将激光束扩展为平行的高斯光束，所不同的是所述轴锥镜组合模块包括沿光路同轴设置的正轴锥镜Ⅰ和参数一致且镜像对称布置的正轴锥镜Ⅱ与正轴锥镜Ⅲ，所述正轴锥镜Ⅰ将高斯光束转换为无衍射光束，所述正轴锥镜Ⅱ将无衍射光束转换成为平行光束，所述正轴锥镜Ⅲ将平行光束转换为无衍射聚焦光束，所述无衍射聚焦光束形成的无衍射聚焦区域与正轴锥镜Ⅲ之间的距离为无衍射聚焦光束的工作距离。
能够解决上述技术问题的实现大深径比加工的激光头装置，其第三技术方案包括光束传输变换机构，所述光束传输变换机构将激光器发出的激光束转换为作用在工件表面上的无衍射聚焦光束，所述光束传输变换机构包括扩束组件和轴锥镜组合模块，所述扩束组件将激光束扩展为平行的高斯光束，所不同的是所述轴锥镜组合模块包括同轴的负轴锥镜和参数一致且镜像对称布置的正轴锥镜Ⅳ和正轴锥镜Ⅴ，所述负轴锥镜将高斯光束转换为环形空心光束，所述正轴锥镜Ⅳ将环形空心光束转换为平行光束，所述正轴锥镜Ⅴ将平行光束转换为无衍射聚焦光束，所述无衍射聚焦光束形成的无衍射聚焦区域与正轴锥镜Ⅴ之间的距离为无衍射聚焦光束的工作距离。
本发明的有益效果：
1、本发明实现大深径比加工的激光头装置利用轴锥镜组合模块来生成无衍射光束，利用无衍射光束的特性，提高聚焦光束的质量，获得较小的聚焦中心光斑及更长的准直区。
2、本发明利用无衍射光束聚焦获得长距离准直区的特性，降低光束的调整难度，并进一步降低激光头加工时对激光的对准调节装置精度及复杂度。
3、本发明中所采用生成无衍射聚焦光束的轴锥镜组合模块，相比于产生无衍射光束的简单的单正轴棱锥镜，可以加大工作距离实现加工距离可控，实现大深径比加工，提高了激光头加工的可靠性和稳定性，并进一步保证对应的光学特性。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的结构示意图。
图2为图1实施方式中轴锥镜组合模块第一种方案的结构示意图。
图3为图1实施方式中轴锥镜组合模块第二种方案的结构示意图。
图4为图1实施方式中轴锥镜组合模块第三种方案的结构示意图。
图号标识：1、激光束；2、工件；3、光束传输变换机构；4、扩束组件；5、无衍射聚焦光束；6、轴锥镜组合模块；7、正轴锥镜Ⅰ；8、单筒望远镜；9、正轴锥镜Ⅱ；10、正轴锥镜Ⅲ；11、负轴锥镜；12、正轴锥镜Ⅳ；13、正轴锥镜Ⅴ；14、无衍射光束；15、环形空心光束；16、高斯光束；17、平行光束。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明实现大深径比加工的激光头装置，包括光束传输变换机构3，所述光束传输变换机构3将上方激光器发出的激光束1转换为作用在下方工件2表面上的无衍射聚焦光束5，所述光束传输变换机构3包括扩束组件4和轴锥镜组合模块6，所述扩束组件4将激光束1扩展成为平行的高斯光束16，所述轴锥镜组合模块6将高斯光束16聚焦产生无衍射聚焦光束5，如图1所示。
所述轴锥镜组合模块6有三种优化方案：
一、所述轴锥镜组合模块6包括按光路走向同轴设置的正轴锥镜Ⅰ7和单筒望远镜8，所述正轴锥镜Ⅰ7(正向)的入射端平面直径大于高斯光束16直径，正轴锥镜Ⅰ7的底角度数为γ1，正轴锥镜Ⅰ7的折射率为n1，向内的折射光线与光轴的夹角为θ1，正轴锥镜Ⅰ7产生的无衍射光束14的最大传输距离为Zmax1，所述单筒望远镜8与正轴锥镜Ⅰ7的距离大于Zmax1，单筒望远镜8将正轴锥镜Ⅰ7产生的无衍射光束14聚焦成为无衍射聚焦光束5，无衍射聚焦光束5的传输距离为Zmax2(无衍射区域)，传输距离Zmax2离单筒望远镜8的距离D为无衍射聚焦光束5的工作距离，r0为无衍射聚焦光束5中心光斑的直径，如图2所示。
二、所述轴锥镜组合模块6包括按光路走向同轴设置的正轴锥镜Ⅰ7(正向)、正轴锥镜Ⅱ9(反向)和正轴锥镜Ⅲ10(正向)，所述正轴锥镜Ⅰ7的入射端平面直径大于高斯光束16直径，正轴锥镜Ⅰ7的底角度数为γ1，正轴锥镜Ⅰ7的折射率为n1，向内的折射光线与光轴的夹角为θ1，正轴锥镜Ⅰ7产生的无衍射光束14的最大传输距离为Zmax1，所述正轴锥镜Ⅱ9和正轴锥镜Ⅲ10的参数相同且镜向对称设置(正轴锥镜Ⅱ9和正轴锥镜Ⅲ10相对的端面为平面)，正轴锥镜Ⅱ9和正轴锥镜Ⅲ10的折射率均为n2、底角度数均为γ2，所述正轴锥镜Ⅲ10的折射光线与光轴的夹角为θ2，正轴锥镜Ⅱ9与正轴锥镜Ⅰ7之间的距离L大于Zmax1且在该距离L处，正轴锥镜Ⅱ9将无衍射光束14转换为平行光束17，所述正轴锥镜Ⅲ10将平行光束17转换为无衍射聚焦光束5，无衍射聚焦光束5的传输距离为Zmax2(无衍射区域)，传输距离Zmax2离正轴锥镜Ⅲ10的距离D为无衍射聚焦光束5的工作距离，r0为无衍射聚焦光束5中心光斑的直径，如图3所示。
三、所述轴锥镜组合模块6包括按光路走向同轴设置的负轴锥镜11、正轴锥镜Ⅳ12(反向)和正轴锥镜Ⅴ13(正向)，所述正轴锥镜Ⅳ12和正轴锥镜Ⅴ13的参数相同且镜向对称设置(正轴锥镜Ⅳ12和正轴锥镜Ⅴ13相对的端面为平面)，所述负轴锥镜11的入射端平面直径大于高斯光束16直径，负轴锥镜11的底角度数为γ1，负轴锥镜11的折射率为n1，向外的折射光线与光轴的夹角为θ1，正轴锥镜Ⅳ12和正轴锥镜Ⅴ13的折射率均为n2、底角度数均为γ2，所述正轴锥镜Ⅴ13的折射光线与光轴的夹角为θ2，负轴锥镜11生成的环形空心光束15的传输距离为L(即负轴锥镜11与正轴锥镜Ⅳ12之间的距离)，在该传输距离L下，环形空心光束15的外直径(即图4中右端直径)小于正轴锥镜Ⅳ12的直径且正轴锥镜Ⅳ12将环形空心光束15转换为平行光束17，所述正轴锥镜Ⅴ13将平行光束17最终转换成为无衍射聚焦光束5，无衍射聚焦光束5的传输距离为Zmax(无衍射区域)，传输距离Zmax离正轴锥镜Ⅴ13的距离D为无衍射聚焦光束5的工作距离，r0为无衍射聚焦光束5中心光斑的直径，工作距离D由负轴锥镜11、正轴锥镜Ⅳ12和正轴锥镜Ⅴ13的参数以及负轴锥镜11与正轴锥镜Ⅳ12间的距离L共同决定，如图4所示。
上述三种实施方案中，第三种轴锥镜组合模块6具有着明显的优点：高斯光束16经负轴锥镜11先转换成为环形空心光束15，环形空心光束15然后经正轴锥镜Ⅳ12转换成为一束平行光束17，该平行光束14再经正轴锥镜Ⅴ13汇聚转换成无衍射聚焦光束5输出；第三种轴锥镜组合模块6采用正、负轴锥镜的组合，极大地减小了光程和缩短了系统光路，更好地减小了激光头的总体尺寸。

Claims (3)

1.实现大深径比加工的激光头装置，包括光束传输变换机构(3)，所述光束传输变换机构(3)将激光器发出的激光束(1)转换为作用在工件(2)表面上的无衍射聚焦光束(5)，所述光束传输变换机构(3)包括扩束组件(4)和轴锥镜组合模块(6)，所述扩束组件(4)将激光束(1)扩展为平行的高斯光束(16)，其特征在于：所述轴锥镜组合模块(6)包括沿光路同轴设置的正轴锥镜Ⅰ(7)和单筒望远镜(8)，所述正轴锥镜Ⅰ(7)将高斯光束(16)转换为无衍射光束(14)，所述单筒望远镜(8)将无衍射光束(14)转换成为无衍射聚焦光束(5)，所述无衍射聚焦光束(5)形成的无衍射聚焦区域与单筒望远镜(8)之间的距离为无衍射聚焦光束(5)的工作距离。
2.实现大深径比加工的激光头装置，包括光束传输变换机构(3)，所述光束传输变换机构(3)将激光器发出的激光束(1)转换为作用在工件(2)表面上的无衍射聚焦光束(5)，所述光束传输变换机构(3)包括扩束组件(4)和轴锥镜组合模块(6)，所述扩束组件(4)将激光束(1)扩展为平行的高斯光束(16)，其特征在于：所述轴锥镜组合模块(6)包括沿光路同轴设置的正轴锥镜Ⅰ(7)和参数一致且镜像对称的正轴锥镜Ⅱ(9)与正轴锥镜Ⅲ(10)，所述正轴锥镜Ⅰ(7)将高斯光束(16)转换为无衍射光束(14)，所述正轴锥镜Ⅱ(9)将无衍射光束(14)转换为平行光束(17)，所述正轴锥镜Ⅲ(10)将平行光束(17)转换为无衍射聚焦光束(5)，所述无衍射聚焦光束(5)形成的无衍射聚焦区域与正轴锥镜Ⅲ(10)之间的距离为无衍射聚焦光束(5)的工作距离。
3.实现大深径比加工的激光头装置，包括光束传输变换机构(3)，所述光束传输变换机构(3)将激光器发出的激光束(1)转换为作用在工件(2)表面上的无衍射聚焦光束(5)，所述光束传输变换机构(3)包括扩束组件(4)和轴锥镜组合模块(6)，所述扩束组件(4)将激光束(1)扩展为平行的高斯光束(16)，其特征在于：所述轴锥镜组合模块(6)包括沿光路同轴设置的负轴锥镜(11)和参数一致且镜像对称的正轴锥镜Ⅳ(12)和正轴锥镜Ⅴ(13)，所述负轴锥镜(11)将高斯光束(16)生成为环形空心光束(15)，所述正轴锥镜Ⅳ(12)将环形空心光束(15)生成为平行光束(17)，所述正轴锥镜Ⅴ(13)将平行光束(17)生成为无衍射聚焦光束(5)，所述无衍射聚焦光束(5)形成的无衍射聚焦区域与正轴锥镜Ⅴ(13)之间的距离为无衍射聚焦光束(5)的工作距离。
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