CN110449731A - 一种激光变锥变径旋切孔加工光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学设计领域，公开了一种激光变锥变径旋切孔加工光学系统，该系统具有旋转轴，并包括依次沿光路设置的以下光学元件：激光束单方向压缩组件，由两片楔角相同的楔形镜构成的、且用于调节激光束偏移量的第一楔形镜组，用于诱导激光倾斜角的单片楔形镜(7)，聚焦镜(8)，以及由两片楔角相同的楔形镜构成的、且用于调节聚焦光斑偏移量的第二楔形镜组。本发明通过对系统中各组件的组成及各个组件之间的配合工作方式等进行改进，可实现大范围独立调节激光倾斜角和激光焦点离光轴量，进而可实现所需的孔径和锥度配比，并可补偿激光聚焦光斑离光轴和倾斜后因慧差而引起的聚焦光斑畸变，实现加工效果优良的激光变锥变径旋切孔加工工艺。

Description

一种激光变锥变径旋切孔加工光学系统

技术领域

本发明属于光学设计领域，更具体地，涉及一种激光变锥变径旋切孔加工光学系统，能够利用激光实现打孔加工。

背景技术

科技的发展不断对制造技术提出新的挑战，很多高端装备的制造技术指标要求已经接近甚至超过传统制造技术的极限，如航空/航天发动机气膜孔、直喷汽/柴油发动机喷油嘴、陶瓷电路板阵列微孔以及新型超材料等。以燃油喷嘴和航空发动机气膜孔为例，为保证最优流场效果，对孔型、孔壁平整度以及孔口形貌等方面都有着近乎苛刻的要求。利用传统制孔技术，如机械钻头加工、电火花加工、超声加工等，均难以实现该类孔的高质量制造。机械加工是利用高速旋转的钻头在材料上钻孔，钻头尺寸通常比较大，比较适用于制造直径较大的孔。当需要制备的孔径较小时，极易造成钻头磨损和折断，并且不易在倾斜面上进行加工，更无法制造倒锥孔，因此难以用于微孔加工应用。同时，机械制孔最大的缺陷在于其属于接触式加工，工件与钻头之间存在相互作用力，不但会在加工过程中引起材料变形，而且产生的抖动也会影响制造精度，这种情况在航空发动机部件等薄壳材料的加工过程中尤为显著；电火花加工基于电火花腐蚀原理，在工具电极与工件电极相互靠近时，极间形成脉冲性火花放电烧蚀材料，故只适合在金属材料上打孔，而且存在不同的打孔材料需要选定不同的电极，打孔速度较慢，电极的烧蚀损耗而降低加工精度，效率较低等问题。同时，电火花腐蚀过程较难控制，是限制进一步提高精度的瓶颈所在，因而也不适用于微孔的制造；超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对加工表面进行锤击，使工件材料表面逐步破碎的特种加工。该方法仅适用于脆性材料的加工，对于硬度、韧性、以及强度较高的金属，不但加工效率低，而且成型精度较差，难以实现微孔的加工。

近年来，以激光、电子束为代表的高能束制造技术在微孔制备方面发展迅速。电子束加工是利用高能量会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。然而，电子束的大功率加速和大幅度偏转较难实现，且加工过程需要全真空环境，因此不但造价极其高昂、工艺非常复杂，而且难以实现倒锥孔的制造；相对于电子束，激光束具有多方面的先天优势，如易于大规模工程化产生、无需真空环境传输、易于聚焦和整型、速度快、效率高以及无工具损耗等，因此在微纳制造方面发展迅速。但目前激光打孔加工同样面临着孔型和锥度难以控制的问题，主要是由于激光束是通过透镜的汇聚效应，在光束焦点上形成极高的功率密度使材料熔化或烧蚀来实现微孔加工处理。这种聚焦后形成的光束自身就具有较高的锥度，导致加工过程中会造成入口孔径大于出口孔径的正锥孔特征，无法获得柱型、倒锥型或其他异型孔。

目前公开的欧洲专利EP1656234B1中提出了一套用于激光钻孔和切割的扫描器件相结合的方法和装置，其特征在于，包括可旋转的平行平板、扩束镜、扫描振镜以及聚焦透镜等元件。该方法使用了扫描振镜进行打孔或其他加工应用，并通过调整平行平板的偏转从而控制加工光束的倾斜角度。由于平行平板对光束的偏转能力有限，且倾斜入射时会造成激光能量的显著损失，该技术不但需要极其复杂的光学设计、装配和控制系统，而且最终的打孔锥度控制能力十分有限。同时，该方案的造价也过于昂贵，难以最终大批量工业应用；在公开的日本专利JP4873191B2中提出一种激光打孔装置的实现方式，其特征在于，包括可旋转的平面反射镜、楔形棱镜、道威棱镜、多面反射镜和聚焦透镜等元件。该套系统虽然可以实现较多的光束偏转功能，但是由于光学元件过多，需要控制的变量也很多，必须通过调整多个光学元件才可以得到所需的孔径和锥度的配比，不能简单独立调节孔径和锥度，因此，实际应用起来非常困难，不具有工程应用价值；在公开的美国专利US9931712中提出一种激光钻孔装置，其特征在于，包括一片可快速移动和偏转的平面反射镜、可旋转的道威棱镜和两片楔形补偿棱镜、聚焦透镜。该装置利用实时可调的平面反射镜、道威棱镜以及补偿楔形镜共同实现激光束的离轴以及偏转。然而，在高速旋转加工过程中，实现对平面反射镜的位置和倾角的快速实时控制是非常困难的，而且加工的孔径和锥度仍无法独立调节；在公开的美国专利US09509106B1中提出一种激光钻孔光学系统，其特征在于，包括一块可倾斜的平行平板、一对可旋转的楔形棱镜、一个可旋转的道威棱镜和聚焦透镜，该装置与上述专利US9931712较为类似，不同的地方在于其无需在加工过程中实时调整镜片的位置以及倾角，但同样存在加工孔径和锥度无法独立调节的问题；公开的中国发明专利(CN101670486A、CN102218605A、CN103056519A)中提出多种激光微孔加工装置，其特征在于，包括多片可旋转的楔形棱镜和一片聚焦物镜，上述装置可以实现倾斜激光的圆径扫描，但加工的孔径和锥度均无法独立调节；目前公开的中国实用新型专利(CN205380365U)中提出一种用于激光旋转打孔的光学扫描系统，其特征在于，包括一片聚焦镜、一片可倾斜的平行平板和一片可倾斜的楔形棱镜，其中平行平板和楔形棱镜均固定在旋转轴上，随旋转轴旋转，实现打孔加工，但这套装置的最大局限也在于加工的孔径和锥度无法独立调节。

上述已公开的打孔方法和装置专利中存在的问题主要有：

1、除成本较高、控制复杂的振镜扫描装置(EP1656234B1)外，其他装置均无法实现对激光入射角度和激光焦点旋转半径这两个自由度的独立调节，即：在对孔半径调节时，孔锥度也在改变；同理，在调节孔锥度时，孔半径也在改变。激光束的调整受到很大限制，某些特定的孔径和锥度配比甚至无法获得。

2、平行平板、道威棱镜等光学元件对激光焦点的平移能力以有限，如果想获得较大的平移量，需要增大平板倾斜角度，甚至还需要增加平板的厚度、道威棱镜的尺寸，而厚度过大的光学元件则会对整套系统功能的调节响应速度和调节范围带来限制，过大的光学元件倾斜角会造成激光能量掠反射损失。

3、上述已公开的打孔方法和装置专利均存在激光束离光轴倾斜后再聚焦，会使聚焦光斑产生慧差，导致激光焦点畸变，能量密度下降和分布不均匀，引起打孔尺寸精度和一致性变差的问题。而且光束离光轴倾角越大、扫描半径越大，慧差的影响越明显，对打孔加工精度和质量的影响就越大。因此上述装置均存在离光轴倾斜聚焦光斑能量分布畸变问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种激光变锥变径旋切孔加工光学系统，其中通过对该光学系统中各组件的组成及各个组件之间的配合工作方式等进行改进，通过同光轴旋转的多片楔形镜与聚焦透镜的组合(也可以包括多片柱面非球面镜)，可实现大范围独立调节激光倾斜角和激光焦点离光轴量，进而可实现所需的孔径和锥度配比，聚焦激光的孔径和锥度参量可灵活独立调整；并且，该光学系统还可补偿激光聚焦光斑离光轴和倾斜后因慧差而引起的聚焦光斑畸变，减小激光焦点在离光轴方向上的能量离散，有效提高离光轴倾斜聚焦光斑的激光功率密度，改善了打孔尺寸精度和一致性，能够实现加工效果精细优良的激光变锥变径旋切孔加工工艺。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种激光变锥变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，该系统具有旋转轴，并包括依次沿光路设置的以下光学元件，这些光学元件均位于壳体内且能够绕旋转轴同步旋转：激光束单方向压缩组件，由两片楔角相同的楔形镜构成的、且用于调节激光束偏移量的第一楔形镜组，用于诱导激光倾斜角的单片楔形镜(7)，聚焦镜(8)，以及由两片楔角相同的楔形镜构成的、且用于调节聚焦光斑偏移量的第二楔形镜组；其中：

所述激光束单方向压缩组件为压缩棱镜组或柱面非球面镜组，其中，所述压缩棱镜组包括多片压缩用楔形镜，所述柱面非球面镜组包括多片柱面非球面镜；该激光束单方向压缩组件整体用于在与激光入射方向相垂直的激光截面上，沿单方向对初始入射激光光束进行压缩，并且经该激光束单方向压缩组件处理后，激光的传播方向仍平行于初始入射激光的入射方向；

所述第一楔形镜组整体用于使激光截面上激光光斑的中心位置发生偏移，所述第一楔形镜组整体处理前后激光的传播方向保持不变，经所述第一楔形镜组整体处理后的激光传播方向仍平行于初始入射激光的入射方向；记该第一楔形镜组中依次沿光路设置的两片楔形镜分别为第一楔形镜与第二楔形镜，则在所述第一楔形镜或/和所述第二楔形镜上还连接有位置调节组件，该位置调节组件能够带动与之连接的楔形镜移动，用于调节这两个楔形镜之间的间距，从而调节激光截面上激光光斑中心的偏移量；

所述单片楔形镜(7)用于改变激光传播方向，使激光传播方向发生倾斜，从而使得经过所述单片楔形镜(7)的激光其传播方向与激光入射方向之间产生倾斜角；

所述聚焦镜(8)用于对经所述单片楔形镜(7)诱导产生倾斜角的激光进行聚焦，产生聚焦激光束，并在焦平面上生成聚焦光斑；

所述第二楔形镜组整体用于使焦平面上聚焦光斑的中心位置发生偏移，所述第二楔形镜组整体处理前后激光的传播方向不改变；记该第二楔形镜组中依次沿光路设置的两片楔形镜分别为第三楔形镜与第四楔形镜，在所述第三楔形镜或/和所述第四楔形镜上还设置有位置调节组件，该位置调节组件同样能够带动与之连接的楔形镜移动，用于调节这两个楔形镜之间的间距，从而调节焦平面上聚焦光斑中心的偏移量；

此外，所述旋转轴与初始入射激光光束的光轴相重合；

当所述激光束单方向压缩组件为压缩棱镜组时，所述压缩棱镜组的激光压缩方向平行于激光光斑中心位置的偏移方向，当所述激光束单方向压缩组件为柱面非球面镜组时，所述柱面非球面镜组的激光压缩方向平行于激光光斑中心位置的偏移方向，或者所述柱面非球面镜组的激光压缩方向与激光光斑中心位置的偏移方向两者所在直线之间的夹角不超过20°，从而减小聚焦光斑离光轴倾斜后因慧差而引起的聚焦光斑畸变；利用所述第一楔形镜组对激光截面上激光光斑中心位置偏移量的调节，配合所述聚焦镜(8)的作用，能够调节经过所述聚焦镜(8)得到的聚焦激光束的锥度；基于所述单片楔形镜(7)与所述聚焦镜(8)的作用，利用所述第二楔形镜组对焦平面上聚焦光斑的中心偏移量的调节，即可调节焦平面上聚焦光斑的中心距所述旋转轴的距离，从而调节聚焦激光束的加工半径；基于该激光变锥变径旋切孔加工光学系统的整体作用，即可实现具有变锥变径调节效果的激光对孔的旋切加工。

作为本发明的进一步优选，所述单片楔形镜(7)的楔角为0.01°到42°之间；

所述第一楔形镜的楔角为0.01°到42°之间；

所述第三楔形镜的楔角为0.01°到42°之间；

所述聚焦镜(8)为球面聚焦镜或非球面聚焦镜。

作为本发明的进一步优选，所述位置调节组件能够带动与之连接的楔形镜移动0mm到200mm，移动的精度不劣于0.1mm。

作为本发明的进一步优选，所述旋转轴还经过各个光学元件的中心点；

其中，任意一片楔形镜的中心点是指该楔形镜中呈90°的竖直光学端面的中心点。

作为本发明的进一步优选，对于所述第一楔形镜组，所述第一楔形镜中呈90°的竖直光学端面与所述第二楔形镜中呈90°的竖直光学端面两者均与初始入射激光光束的光轴相垂直，所述第一楔形镜中按楔角倾斜的倾斜光学端面与所述第二楔形镜中按楔角倾斜的倾斜光学端面两者相互平行。

对于所述第二楔形镜组，所述第三楔形镜中呈90°的竖直光学端面与所述第四楔形镜中呈90°的竖直光学端面两者均与初始入射激光光束的光轴相垂直，所述第三楔形镜中按楔角倾斜的倾斜光学端面与所述第四楔形镜中按楔角倾斜的倾斜光学端面两者相互平行。

作为本发明的进一步优选，所述压缩棱镜组包括两片压缩用楔形镜，每片压缩用楔形镜的楔角在0.01°到42°之间，任意一片压缩用楔形镜均是以呈90°的竖直光学端面作为入射面，以按楔角倾斜的倾斜光学端面作为出射面，且所述竖直光学端面均垂直于初始入射激光光束的光轴；记依次沿光路先后设置的这两片压缩用楔形镜分别为第一片压缩用楔形镜和第二片压缩用楔形镜，则：所述第一片压缩用楔形镜后表面与旋转轴的交点与所述第二片压缩用楔形镜前表面与旋转轴的交点两者之间的距离为0到100mm之间。

作为本发明的进一步优选，所述柱面非球面镜组包括两片柱面非球面镜，记依次沿光路先后设置的这两片柱面非球面镜分别为第一片柱面非球面镜和第二片柱面非球面镜，其中，第一片柱面非球面镜具有激光束单方向会聚作用，第二片柱面非球面镜具有激光束单方向发散作用。

作为本发明的进一步优选，所述第一片柱面非球面镜为双凸柱面非球面镜、平凸柱面非球面镜或凸凹柱面非球面镜；

所述第二片柱面非球面镜为双凹柱面非球面镜、平凹柱面非球面镜或凸凹柱面非球面镜。

作为本发明的进一步优选，所述激光变锥变径旋切孔加工光学系统还与空心旋转装置连接，用于在该空心旋转装置的带动下实现绕所述旋转轴的转动；所述转动的转速为0.1rpm～6000rpm。

作为本发明的进一步优选，所述空心旋转装置为电机带动的空心旋转装置，或者为空心电机；所述壳体为空心圆筒(12)。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明中的激光变锥变径旋切孔加工光学系统是由激光束单方向压缩棱镜组(或柱面非球面镜组)、第一楔形镜组、单片楔形镜、一片球面聚焦镜(或一片非球面聚焦镜)、以及第二楔形镜组组成，并沿激光入射端光轴依次排列。

激光束的单方向压缩可以由两种方式实现,第一种方式是使用由多片楔形镜(如两片尺寸不同的楔形镜)组成的压缩棱镜组，第二种方式是使用由多片柱面非球面镜(如两片柱面非球面镜)构成的镜组。这两种镜组的功能都是将激光聚焦光斑在离光轴倾斜方向进行压缩，补偿激光聚焦光斑离光轴倾斜后因慧差而引起的聚焦光斑畸变，从而减小激光焦点在离光轴方向上的能量离散，有效改善离光轴聚焦光斑的激光功率密度，提高打孔尺寸精度和一致性。尽管压缩棱镜组会使输入激光束平行偏移光轴一段距离，但经过非球面镜组压缩的光束依然聚焦在光轴上。以初始入射激光为圆形为例，通过激光束单方向压缩组件，能够使光斑截面呈圆形的初始入射激光经该激光束单方向压缩组件后形成光斑截面为椭圆形的激光，并且经该激光束单方向压缩组件处理后，激光的传播方向仍平行于初始入射激光的入射方向，压缩镜组的作用是针对光学系统本身产生的慧差进行提前矫正。激光束单方向压缩组件的压缩方向最好平行于激光光斑中心位置的偏移方向，当然若激光束单方向压缩组件为柱面非球面镜组时，也允许激光束单方向压缩组件的压缩方向与激光光斑中心位置的偏移方向存在小角度夹角(夹角不超过20°)。对于存在小角度夹角的情况，由于楔形镜压缩组在光束压缩的同时会使激光偏移，压缩方向的不平行同时也会使经过压缩后的激光偏移方向与后续第一组楔形镜的偏移方向产生夹角，影响激光的倾斜方向；但激光经过非球面镜压缩组后传播方向仍为光轴方向，因此压缩方向存在一定角度的偏差是可以接受的。

第一楔形镜组是由两片同楔角楔形镜(如尺寸较大的两片同楔角楔形镜)组成，它们的斜面互成180°相对，其功能是改变聚焦激光与工件之间的入射角，即：激光入射倾斜角度，并使平行离光轴的激光束经过聚焦镜后的焦点仍回到激光光轴上。改变第一楔形镜组的两片楔形镜间距离，可改变激光入射倾斜角度，从而获得不同锥度的孔型。在光路中单片设置的单片楔形镜，它的功能是使经过第一楔形镜组的倾斜激光束经过聚焦镜聚焦后，焦点偏移光轴一定距离，当整个光学系统旋转时，这个偏移距离就是打孔加工的半径；球面或非球面聚焦镜的功能是将从单片楔形镜输出的倾斜激光束进行聚焦，获得较高的激光能量密度。第二楔形镜组也是由两片同楔角楔形镜(如由尺寸较大的两片同楔角楔形镜)组成，它们的斜面互成180°相对，并位于球面或非球面聚焦镜之后；其功能是通过调节第二楔形镜组的两片楔形镜之间的间距来改变聚焦激光焦点离光轴量，实现独立调节激光焦点旋转半径，满足不同加工孔径的要求。另外，由于单片楔形镜使激光产生倾角，这样经过聚焦镜后，激光焦点向光轴下方离轴，产生一个固定的离轴量，此时激光的旋转模式是负锥度旋转，也就是说，单片楔形镜还能够起到提供负锥度的作用；利用单片楔形镜与第二楔形镜组的配合作用，可实现焦点相较于光轴位置的灵活调整；当焦点在光轴下方时，激光为负锥度旋转模式；而当焦点在光轴上方时，激光微正锥度旋转模式；这样基于本发明的激光变锥变径旋切孔加工光学系统，利用单片楔形镜与第二楔形镜组的配合作用，激光的旋转模式既可以是正锥，也可以是负锥，可实际灵活切换。

整组光学元件依次同光轴装置于空心圆筒内，两组楔形镜之间的距离由位置调节功能组件(如小型精密调节机构)调节，并由空心电机带动进行同光轴高速旋转，形成激光变锥变径旋切孔加工光学系统装置。

总体来说，本发明能够取得以下有效效果：

1、本发明中的激光变锥变径旋切孔加工光学系统，可以分别通过调节第一楔形镜组和第二楔形镜组中配合工作的两片楔形镜之间的间距(该间距可通过位置调节组件带动组内至少一片楔形镜的平移来实现)，就可以实现对激光倾斜角度和焦点扫描半径的独立调节，达到所需的孔径和锥度配比，并且调节方便、控制简单。并且，通过锥度与半径的便捷调整，可实现异形孔的加工成形。

2、在不更换镜片的条件下，调节激光的倾斜角度和焦点的扫描半径范围大，为激光打孔加工提供较大的自由度。

3、两种激光束单方向压缩方式均可以有效补偿激光聚焦光斑离光轴倾斜后因慧差而引起的聚焦光斑畸变，从而减小激光焦点在离光轴方向上的能量离散，有效提高离光轴倾斜聚焦光斑的激光功率密度，改善了打孔尺寸精度和一致性。

4、此外，本发明中激光的平移量主要由三个因素决定。第一是楔形镜的楔角，楔角越大对光束的偏折能力越强；第二是两片楔形镜的间距，间距越大光束的平移量越大；第三是两片楔形镜的尺寸对平移量的限制，其中第二片楔形镜的通光孔径不能小于预期期望获得的平移量和激光半径的和。只要合理控制这三个因素，就能够大大提升对激光焦点的平移能力，激光焦点平移调节的灵活性非常好。

附图说明

图1为棱镜组光束压缩激光变锥变径旋切孔加工光学系统示意图。

图2为离轴倾斜激光聚焦光束慧差的产生示意图。

图3为棱镜组(即，压缩棱镜组)光束压缩的工作原理示意图。

图4为激光光斑棱镜组压缩补偿激光束离轴倾斜后因慧差示意图。

图5为棱镜组光束压缩、第一组楔形镜(即，第一楔形镜组)Y轴负向平移激光独立调节激光打孔锥度示意图。

图6为棱镜组光束压缩、小角度楔形镜(即，单片楔形镜)的作用示意图。

图7为棱镜组光束压缩、第二组楔形镜(即，第二楔形镜组)独立调节激光打孔半径原理图。

图8为棱镜组光束压缩、第二组楔形镜(即，第二楔形镜组)独立调节激光打孔半径的又一示意图。

图9为非球面镜组光束压缩激光变锥变径旋切孔加工光学系统示意图。

图10为非球面镜组(即，柱面非球面镜组)光束压缩的工作原理示意图。

图11为激光光斑非球面镜组压缩补偿光束离轴倾斜后因慧差示意图。

图12为非球面镜组光束压缩、第一组楔形镜(即，第一楔形镜组)Y轴正向平移激光独立调节激光打孔锥度示意图。

图13为非球面镜组光束压缩、小角度楔形镜(即，单片楔形镜)的作用示意图。

图14为非球面镜组光束压缩、第二组楔形镜(即，第二楔形镜组)独立调节激光打孔半径原理图。

图15为非球面镜组光束压缩、第二组楔形镜(即，第二楔形镜组)独立调节激光打孔半径示意图。

图中各附图标记的含义如下：1为激光入射端光轴示意(即，初始入射激光光轴)，2为初始入射的圆形高斯分布激光束示意，3和4共同构成压缩棱镜组(其中，3为压缩棱镜组中的第一片楔形镜，4为压缩棱镜组中的第二片楔形镜)，5和6为第一组相同楔角的大倾角楔形镜(即，第一楔形镜组)，7为小倾角楔形镜(即，单片楔形镜)，8为聚焦镜(如球面聚焦镜或非球面聚焦镜)，9和10为第二组相同楔角的大倾角楔形镜(即，第二楔形镜组)，11为经单方向压缩处理得到的聚焦光斑，12为空心圆筒，13为第一小型精密调节机构(即，位置调节组件)，14为第二小型精密调节机构(即，位置调节组件)，15为沿光轴方向第一压缩棱镜组内相邻的出射面与入射面之间的间距，16为沿光轴方向第二压缩棱镜组内相邻的出射面与入射面之间的间距，17为空心电机，18为基于离轴倾斜激光聚焦系统、且未经单方向压缩处理得到的圆形高斯分布激光束，19为经单方向压缩处理得到的激光光斑，20为棱镜组光束压缩激光变锥变径旋切孔加工光学系统(即，激光变锥变径旋切孔加工光学系统)，21为经第一楔形镜组处理后出射的激光束，22为倾斜角度示意，23为倾斜的激光束，24为激光焦点偏离光轴的距离示意，25为基于离轴倾斜激光聚焦系统、未经单方向压缩处理得到的激光焦点光斑，26和27为柱面非球面镜组(其中，26为第一片柱面非球面镜，27为第二片柱面非球面镜)，28为经单方向压缩处理得到的激光束，29和30为第一组相同楔角的大倾角楔形镜(即，第一楔形镜组)，31为经第一楔形镜组处理后出射的激光束，32为非球面镜组光束压缩激光变锥变径旋切孔加工光学系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为更加清晰的说明第一楔形镜组、单片楔形镜7及第二楔形镜组的作用，下面将第一楔形镜组、第二楔形镜组中的楔角设置为大倾角，将单片楔形镜7中的倾角设置为小倾角。实际应用时，可以不要求单片楔形镜7一定是小倾角，第一楔形镜组、第二楔形镜组中的楔角一定是大倾角，各楔角可灵活设置；例如，它们的倾角可在0.01°到42°之间灵活变化，只要第一楔形镜组内两片楔形镜的楔角相同、第二楔形镜组内两片楔形镜的楔角相同即可。

如图1所示，棱镜组光束压缩激光变锥变径旋切孔加工光学系统20包括两片不同尺寸的压缩棱镜组3、4，第一组相同楔角的大倾角楔形镜5和6，一片小倾角楔形镜7，一片球面或非球面聚焦镜8和第二组相同楔角的大倾角楔形镜9、10，并沿激光入射端光轴1依次排列,小型精密调节机构13和14分别与楔形镜6和10连接，用于调节距离15和16，整套装置由空心电机17带动的同光轴空心圆筒12内，进行同光轴1高速旋转激光打孔。

由于沿激光变锥变径旋切孔加工光学系统20光轴1入射的圆形高斯分布激光束2沿Y方向偏离光轴1并倾斜后的圆形高斯分布激光束18(如图2所示)，经球面或非球面聚焦镜8聚焦后会产生慧差，导致激光焦点光斑25在Y方向的尺寸大于X方向的尺寸，不再是圆形光斑。这种聚焦光斑25不但会引起打孔尺寸精度和一致性变差，而且还造成激光能量密度的下降。

为了减弱这种慧差效应，本发明提供一种激光单方向压缩装置(如图3所示),该装置是由两片尺寸不同的楔形镜3、4组成的棱镜组。激光束2经过第一片楔形镜3，传播方向会产生偏折，再经过第二片楔形镜4偏折回与光轴1平行的传播方向，由于楔形镜3和4的单方向(Y轴方向)对激光束2的偏折效应，使激光束2的光斑尺寸在Y方向被压缩，而X方向的光斑尺寸保持不变，形成了Y方向尺寸小于X方向尺寸的激光光斑19，如图4所示。经过压缩后的激光束激光光斑19经聚焦镜8聚焦后，产生的聚焦光斑11将会补偿激光束偏离光轴1并倾斜后因慧差而引起的聚焦光斑畸变，从而减小激光焦点在离光轴1方向上的能量离散，有效改善离轴倾斜聚焦光斑打孔尺寸精度和一致性以及提高了激光能量密度。

由于在棱镜组压缩方式中，激光光斑单方向压缩棱镜组在压缩光束的同时也使激光19平行偏移了光轴1。而平行偏移的激光束19由于仍然与光轴1平行，因此，经过球面或非球面聚焦镜8聚焦后的焦点仍然在光轴1上，仅使聚焦激光束11倾斜了一定的角度，而且激光束19平行偏移量越大，聚焦激光束11倾斜角度也越大。因此，为了调整激光束19与光轴1偏移量的大小，引入第一组相同楔角的大倾角楔形镜5和6，并且大倾角楔形镜5和6的斜面互成180°相对，如图5所示。其工作原理是当平行偏移光轴1的激光束19经过大倾角楔形镜5时，会产生向负Y方向折射，与光轴1形成一定角度，然后再通过大倾角楔形镜6时，激光束又被同角度反向折射，形成平行偏移光轴1的激光束21，但偏移量减小，进一步经过球面或非球面聚焦镜8聚焦后的聚焦激光束11倾斜角也将减小。因此，引入第一组相同楔角的大倾角楔形镜5和6，可以改变聚焦激光束11倾斜角度。楔形镜5和6之间的距离15越小，激光离轴的平移量就越大，聚焦后激光的倾斜角度就越大，反之亦然，因此可以通过精密调节机构13调节楔形镜6沿Z轴方向来回移动，改变楔形镜5和6之间的距离15，可改变聚焦激光束11的倾斜角度，而聚焦激光束11的位置保持不变，从而实现独立调节打孔锥度大小功能。

小角度楔形镜7的作用是使平行于光轴1的激光束21在聚焦之前与光轴1产生一定的倾斜角度22，形成倾斜的激光束23，再通过聚焦镜8进行聚焦，使激光焦点11向Y轴的负方向偏离光轴1一定的距离24，如图6所示。当整套光学系统装置旋转起来时，这个偏离的距离24就是加工中孔的半径。

球面或非球面聚焦镜8的作用是将激光束聚焦，使其功率密度足够高以满足激光打孔加工的需求；为了改变激光焦点11的旋转半径24，本发明在聚焦镜后引入第二组相同楔角的大倾角楔形镜9和10，并且大倾角楔形镜9和10的斜面互成180°相对，如图7所示。其工作原理是将入射的聚焦激光束11经过楔形镜9折射和楔形镜10反折射后，由于两片楔形镜9和10的楔形角相同，聚焦激光束11的倾斜角保持不变，仅旋转半径24发生改变。旋转半径24变化的大小与两片楔形镜9和10之间距离16有关。当楔形镜9和10之间的距离16逐步增加时，聚焦激光束11的旋转半径24在负Y轴方向偏离光轴1的绝对值逐步减小到零，这个过程是激光倒锥旋转打孔；进一步增加距离16，聚焦激光束11的旋转半径24由零逐步向Y轴正方向偏离光轴1，如图8所示，这个过程是激光正锥旋转打孔，通过精密调节机构14调节楔形镜10沿Z轴方向来回移动，改变楔形镜9和10之间的距离16，可改变聚焦激光束11的旋转半径24大小和孔型，而激光倾斜角度保持不变，从而实现独立调节打孔半径大小以及激光正锥和倒锥旋转模式功能。

如图9所示，非球面镜组光束压缩激光变锥变径旋切孔加工光学系统32包括两片不同尺寸的柱面非球面镜组26、27，第一组相同楔角的大倾角楔形镜29和30，一片小倾角楔形镜7，一片球面或非球面聚焦镜8和第二组相同楔角的大倾角楔形镜9、10，并沿激光入射端光轴1依次排列,小型精密调节机构13和14分别与楔形镜30和10连接，用于调节距离15和16，整套装置由空心电机17带动的同光轴空心圆筒12内，进行同光轴1高速旋转激光打孔。

同样为了减弱慧差效应，本装置提供另外一种激光单方向压缩装置,该装置是由两片柱面非曲面镜26、27组成的非球面镜组，如图10所示。激光束2经过第一片非球面镜26，在Y方向会聚，而在X方向保持不变，再经过非球面镜27使Y方向的光沿与光轴1平行的方向传播，使激光束2的光斑尺寸在Y方向被压缩，而X方向的光斑尺寸保持不变，形成了Y方向尺寸小于X方向尺寸的激光光斑28，如图11所示。经过压缩后的激光束激光光斑28经聚焦镜8聚焦后，产生的聚焦光斑11将会补偿激光束偏离光轴1并倾斜后因慧差而引起的聚焦光斑畸变，从而减小激光焦点在离光轴1方向上的能量离散，有效改善离轴倾斜聚焦光斑打孔尺寸精度和一致性以及提高了激光能量密度。

由于在非球面镜组压缩方式中，出射激光28仍沿光轴1传播，所以为了使聚焦后的激光束11产生倾斜角，引入第一组相同楔角的大倾角楔形镜29和30，并且大倾角楔形镜29和30的斜面互成180°相对，如图12所示。其工作原理是当沿光轴1传播的激光束28经过大倾角楔形镜29时，会产生向Y轴正向折射，与光轴1形成一定角度，然后再通过大倾角楔形镜30时，激光束又被同角度反向折射，形成平行偏移光轴1的激光束31。楔形镜29和30之间的距离15越大，激光离轴的平移量就越大，聚焦后激光的倾斜角度就越大，反之亦然，因此可以通过精密调节机构13调节楔形镜30沿Z轴方向来回移动，改变楔形镜29和30之间的距离15，可改变聚焦激光束11的倾斜角度，而聚焦激光束11的位置保持不变，从而实现独立调节打孔锥度大小功能。

小角度楔形镜7的作用是使平行于光轴1的激光束31在聚焦之前与光轴1产生一定的倾斜角度22，形成倾斜的激光束23，再通过聚焦镜8进行聚焦，使激光焦点11向Y轴的负方向偏离光轴1一定的距离24，如图13所示。当整套光学系统装置旋转起来时，这个偏离的距离24就是加工中孔的半径。

球面或非球面聚焦镜8的作用是将激光束聚焦，使其功率密度足够高以满足激光打孔加工的需求；为了改变激光焦点11的旋转半径24，本发明在聚焦镜后引入第二组相同楔角的大倾角楔形镜9和10，并且大倾角楔形镜9和10的斜面互成180°相对，如图14所示。其工作原理是将入射的聚焦激光束11经过楔形镜9折射和楔形镜10反折射后，由于两片楔形镜9和10的楔形角相同，聚焦激光束11的倾斜角保持不变，仅旋转半径24发生改变。旋转半径24变化的大小与两片楔形镜9和10之间距离16有关。当楔形镜9和10之间的距离16逐步增加时，聚焦激光束11的旋转半径24在负Y轴方向偏离光轴1的绝对值逐步减小到零，这个过程是激光倒锥旋转打孔；进一步增加距离16，聚焦激光束11的旋转半径24由零逐步向Y轴正方向偏离光轴1，如图15所示，这个过程是激光正锥旋转打孔，通过精密调节机构14调节楔形镜10沿Z轴方向来回移动，改变楔形镜9和10之间的距离16，可改变聚焦激光束11的旋转半径24大小和孔型，而激光倾斜角度保持不变，从而实现独立调节打孔半径大小以及激光正锥和倒锥旋转模式功能。

此外，当采用压缩棱镜组作为激光束单方向压缩组件时，可优选将第一片压缩用楔形镜后表面与旋转轴的交点与第二片压缩用楔形镜前表面与旋转轴的交点两者之间的距离为0到100mm之间，这个距离对光束的压缩没有影响，但会改变激光偏离初始入射光轴的平行离轴量，当楔形镜楔角以及摆放角度固定时，这个距离越大，激光的平移量就越大。在楔形镜压缩组的压缩方式中，光束压缩会使激光向上平移，进而影响后续对光束倾斜角度的调整。例如，可通过调整上述距离，使激光平移量达到后续镜片所能承受的最大值，然后可以通过调整后续的第一组楔形镜之间的距离将平移量逐步缩小，进而实现对光束倾斜角度的大范围调节。

并且，由于激光束单方向压缩组件除了采用压缩棱镜组外，还可采用柱面非球面镜组，压缩的方式不同时，对应后续的第一楔形镜组的摆放方式也可以灵活调整。例如，当采用楔形镜压缩组时，第一楔形镜组的作用是减小激光向上的平行离轴量，即两片楔形镜的间距越大，激光向上的离轴量越小；而当采用非球面压缩镜组时，由于激光经过压缩后并没有产生离轴，所以第一楔形镜组的作用是使激光向上离轴，两片楔形镜的间距越大，激光向上的离轴量就越大。

以下为具体实施例：

实例1：440um厚铜板棱镜组压缩正锥孔加工

利用一台平均功率60W、波长1064nm、脉冲长度10ps的激光器作为光源，重复频率选定为20kHz。激光束单方向棱镜压缩装置的压缩比选4:1；楔形镜5和6选用楔角为18°9′的楔形棱镜；楔形镜7的楔角为3°53′；聚焦镜8选有效焦距为50mm左右的聚焦透镜；楔形镜9和10的楔角为11°22′。所有镜片的直径为25.4mm。输入激光束直径为12mm，经过4倍激光束压缩系统Y方向长度被压缩至3mm，调整精密位移调节装置13使楔形镜5、6的间距15为5mm，经过聚焦镜8后激光的倾斜角度为5°，调整精密位移调节装置14使楔形镜9、10的间距16为19.5mm，使激光正锥旋转的扫描半径为250um。通过空心机控制激光变锥变径旋切孔加工光学系统装置以300转/分的速度旋转。激光焦点置于铜板中间，加工得入口半径255um，出口半径214um，锥度正5°的正锥孔。

实例2：440um厚铜板非球面镜组倒锥孔加工

利用一台平均功率60W、波长1064nm、脉冲长度10ps的激光器作为光源，重复频率选定为20kHz。激光束单方向非球面镜压缩装置的压缩比选4:1；楔形镜29和30选用楔角为18°9′的楔形棱镜；楔形镜7的楔角为3°53′；聚焦镜8选有效焦距为50mm左右的聚焦透镜；楔形镜9和10的楔角为11°22′。所有镜片的直径为25.4mm。输入激光束直径为12mm，经过4倍激光束压缩系统Y方向长度被压缩至3mm，调整精密位移调节装置13使楔形镜29、30的间距15为25mm，经过聚焦镜8后激光的倾斜角度为5°，调整精密位移调节装置14使楔形镜9、10的间距16为12.2mm，使激光负锥度旋转的扫描半径为250um。通过空心机控制激光变锥变径旋切孔加工光学系统装置以300转/分的速度旋转。激光焦点置于铜板中间，加工得入口半径473um，出口半径514um，锥度负5°的倒锥孔。

实例3：1220um厚镍基高温合金棱镜组柱形孔加工

利用一台平均功率60W、波长1064nm、脉冲长度10ps的激光器作为光源，重复频率选定为20kHz。激光束单方向棱镜组压缩装置的压缩比选4:1；楔形镜5和6选用楔角为18°9′的楔形棱镜；楔形镜7的楔角为3°53′；聚焦镜8选有效焦距为50mm左右的聚焦透镜；楔形镜9和10的楔角为11°22′。所有镜片的直径为25.4mm。输入激光束直径为12mm，经过4倍激光束压缩系统Y方向长度被压缩至3mm，调整精密位移调节装置13使楔形镜5、6的间距15为20mm，经过聚焦镜8后激光的倾斜角度为1°，调整精密位移调节装置14使楔形镜9、10的间距16为14.7mm，使激光正锥旋转的扫描半径为243um。通过空心机控制激光变锥变径旋切孔加工光学系统装置以300转/分的速度旋转。激光焦点处于加工材料表面，加工得到一个半径250um，深1200um的圆柱形直孔。

本发明可实现变锥变径调节，锥度调节和孔径调节两者可以各自独立调节，即，在调节锥度时孔径几乎不改变，在调节孔径时锥度也几乎不改变。此外，上述实例均是以直径为1英寸(25.4mm)的镜子为例，可以采用更大直径的光学元件使激光锥度及加工半径的调节幅度范围更大；例如，若改用直径为两英寸的镜子，在聚焦镜焦距不变的条件下，激光的最大倾斜角度可以达到上述实例中的二倍，加工半径的调节范围也将有所扩大。

本发明所采用的整组光学元件共光轴设置，光轴经过各光学元件的中心点。另外，关于楔形镜的中心点：由于楔形镜有两个光学表面，均能够作为激光束的入射面或出射面，其中，一个光学表面与楔形镜边缘是垂直的(即，呈90°的竖直光学端面)，另一个表面与楔形镜边缘有一定倾斜角度(即按楔角倾斜的倾斜光学端面)；楔形镜的中心点指的是与楔形镜边缘垂直的表面的中心点。装置整体可由空心电机或电机带动的其它空心旋转装置带动进行同光轴高速旋转；两组大倾角楔形镜组(即，第一楔形镜组与第二楔形镜组)内楔形镜之间的距离由小型精密调节机构调节；小型精密调节机构为手动精密调节机构或电控精密调节机构，例如，调节机构可移动范围为0mm到200mm，移动的精度至少不劣于0.1mm(当然，精度越精细越好)；聚焦镜可以是球面聚焦镜或非球面聚焦镜。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光变锥变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，该系统具有旋转轴，并包括依次沿光路设置的以下光学元件，这些光学元件均位于壳体内且能够绕旋转轴同步旋转：激光束单方向压缩组件，由两片楔角相同的楔形镜构成的、且用于调节激光束偏移量的第一楔形镜组，用于诱导激光倾斜角的单片楔形镜(7)，聚焦镜(8)，以及由两片楔角相同的楔形镜构成的、且用于调节聚焦光斑偏移量的第二楔形镜组；其中：

所述激光束单方向压缩组件为压缩棱镜组或柱面非球面镜组，其中，所述压缩棱镜组包括多片压缩用楔形镜，所述柱面非球面镜组包括多片柱面非球面镜；该激光束单方向压缩组件整体用于在与激光入射方向相垂直的激光截面上，沿单方向对初始入射激光光束进行压缩，并且经该激光束单方向压缩组件处理后，激光的传播方向仍平行于初始入射激光的入射方向；

所述第一楔形镜组整体用于使激光截面上激光光斑的中心位置发生偏移，所述第一楔形镜组整体处理前后激光的传播方向保持不变，经所述第一楔形镜组整体处理后的激光传播方向仍平行于初始入射激光的入射方向；记该第一楔形镜组中依次沿光路设置的两片楔形镜分别为第一楔形镜与第二楔形镜，则在所述第一楔形镜或/和所述第二楔形镜上还连接有位置调节组件，该位置调节组件能够带动与之连接的楔形镜移动，用于调节这两个楔形镜之间的间距，从而调节激光截面上激光光斑中心的偏移量；

所述单片楔形镜(7)用于改变激光传播方向，使激光传播方向发生倾斜，从而使得经过所述单片楔形镜(7)的激光其传播方向与激光入射方向之间产生倾斜角；

所述聚焦镜(8)用于对经所述单片楔形镜(7)诱导产生倾斜角的激光进行聚焦，产生聚焦激光束，并在焦平面上生成聚焦光斑；

所述第二楔形镜组整体用于使焦平面上聚焦光斑的中心位置发生偏移，所述第二楔形镜组整体处理前后激光的传播方向不改变；记该第二楔形镜组中依次沿光路设置的两片楔形镜分别为第三楔形镜与第四楔形镜，在所述第三楔形镜或/和所述第四楔形镜上还设置有位置调节组件，该位置调节组件同样能够带动与之连接的楔形镜移动，用于调节这两个楔形镜之间的间距，从而调节焦平面上聚焦光斑中心的偏移量；

此外，所述旋转轴与初始入射激光光束的光轴相重合；

当所述激光束单方向压缩组件为压缩棱镜组时，所述压缩棱镜组的激光压缩方向平行于激光光斑中心位置的偏移方向，当所述激光束单方向压缩组件为柱面非球面镜组时，所述柱面非球面镜组的激光压缩方向平行于激光光斑中心位置的偏移方向，或者所述柱面非球面镜组的激光压缩方向与激光光斑中心位置的偏移方向两者所在直线之间的夹角不超过20°，从而减小聚焦光斑离光轴倾斜后因慧差而引起的聚焦光斑畸变；利用所述第一楔形镜组对激光截面上激光光斑中心位置偏移量的调节，配合所述聚焦镜(8)的作用，能够调节经过所述聚焦镜(8)得到的聚焦激光束的锥度；基于所述单片楔形镜(7)与所述聚焦镜(8)的作用，利用所述第二楔形镜组对焦平面上聚焦光斑的中心偏移量的调节，即可调节焦平面上聚焦光斑的中心距所述旋转轴的距离，从而调节聚焦激光束的加工半径；基于该激光变锥变径旋切孔加工光学系统的整体作用，即可实现具有变锥变径调节效果的激光对孔的旋切加工。

2.如权利要求1所述激光变锥变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，所述单片楔形镜(7)的楔角为0.01°到42°之间；

所述第一楔形镜的楔角为0.01°到42°之间；

所述第三楔形镜的楔角为0.01°到42°之间；

所述聚焦镜(8)为球面聚焦镜或非球面聚焦镜。

3.如权利要求1所述激光变锥变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，所述位置调节组件能够带动与之连接的楔形镜移动0mm到200mm，移动的精度不劣于0.1mm。

4.如权利要求1所述激光变锥变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，所述旋转轴还经过各个光学元件的中心点；

其中，任意一片楔形镜的中心点是指该楔形镜中呈90°的竖直光学端面的中心点。

5.如权利要求1所述激光变锥变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，对于所述第一楔形镜组，所述第一楔形镜中呈90°的竖直光学端面与所述第二楔形镜中呈90°的竖直光学端面两者均与初始入射激光光束的光轴相垂直，所述第一楔形镜中按楔角倾斜的倾斜光学端面与所述第二楔形镜中按楔角倾斜的倾斜光学端面两者相互平行；

对于所述第二楔形镜组，所述第三楔形镜中呈90°的竖直光学端面与所述第四楔形镜中呈90°的竖直光学端面两者均与初始入射激光光束的光轴相垂直，所述第三楔形镜中按楔角倾斜的倾斜光学端面与所述第四楔形镜中按楔角倾斜的倾斜光学端面两者相互平行。

6.如权利要求1所述激光变锥变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，所述压缩棱镜组包括两片压缩用楔形镜，每片压缩用楔形镜的楔角在0.01°到42°之间，任意一片压缩用楔形镜均是以呈90°的竖直光学端面作为入射面，以按楔角倾斜的倾斜光学端面作为出射面，且所述竖直光学端面均垂直于初始入射激光光束的光轴；记依次沿光路先后设置的这两片压缩用楔形镜分别为第一片压缩用楔形镜和第二片压缩用楔形镜，则：所述第一片压缩用楔形镜后表面与旋转轴的交点与所述第二片压缩用楔形镜前表面与旋转轴的交点两者之间的距离为0到100mm之间。

7.如权利要求1－6任意一项所述激光变锥变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，所述柱面非球面镜组包括两片柱面非球面镜，记依次沿光路先后设置的这两片柱面非球面镜分别为第一片柱面非球面镜和第二片柱面非球面镜，其中，第一片柱面非球面镜具有激光束单方向会聚作用，第二片柱面非球面镜具有激光束单方向发散作用。

8.如权利要求7所述激光变锥变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，所述第一片柱面非球面镜为双凸柱面非球面镜、平凸柱面非球面镜或凸凹柱面非球面镜；

所述第二片柱面非球面镜为双凹柱面非球面镜、平凹柱面非球面镜或凸凹柱面非球面镜。

9.如权利要求1－8任意一项所述激光变锥变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，所述激光变锥变径旋切孔加工光学系统还与空心旋转装置连接，用于在该空心旋转装置的带动下实现绕所述旋转轴的转动；所述转动的转速为0.1rpm～6000rpm。

10.如权利要求9所述激光变锥变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，所述空心旋转装置为电机带动的空心旋转装置，或者为空心电机；所述壳体为空心圆筒(12)。