CN110640338A - 一种基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置，包括短/超短脉冲激光光源、双面镀膜平面镜、小孔光阑、倍频晶体、准直镜、1/4波片、高斯‑贝塞尔转换装置、扫描振镜；利用复合脉冲激光进行微孔分步加工：先利用短脉冲激光加工效率高的优势进行微孔的初步加工，然后根据超短脉冲激光加工精度高、热影响区小的优势对上述初加工微孔进行重铸层及热影响区的去除。利用贝塞尔光束光斑直径小、焦深长的性质进行高深径比的微孔的加工；利用双面镀膜平面镜及小孔光阑进行同轴组束，并通过倍频装置统一复合激光的波长，保证了复合脉冲激光在同一光学系统中传输稳定性，提高复合脉冲激光的加工精度。

Description

一种基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置
技术领域
本发明属于激光加工领域，尤其是涉及一种基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置。
背景技术
微孔制造在航空航天、微流体器件、电子元器件等相关领域有着及其重要的应用，随着科学技术的迅速发展，传统的加工方法已经不能满足微孔加工的要求，尤其是对于航空发动机构件上深径比大的微小孔加工。激光微孔加工由于其非接触、几乎可对任何材料进行加工等优势已被应用在各种微孔加工中，激光微孔加工技术根据脉宽主要可分为三种：长脉冲激光加工，短脉冲激光加工及超短脉冲激光激光加工。其中，长脉冲和短脉冲激光进行微孔加工的优势在于打孔效率高，但是微孔加工的质量和精度低，尤其是直径小于200μm的孔，孔内存在着重铸层及热影响区域，重铸层及热影响区域的存在严重影响了上述航空发动机构件的使用性能与寿命。
超短脉冲激光具有极小的脉冲宽度和极高的峰值功率，由于超快激光的高峰值功率及极短的作用时间，在进行微孔加工时候，热量还没有来得及扩散，材料已经被直接去除，被加工微孔具有很小的重铸层及热影响区，因此，超快激光微孔加工的精度非常高，达到纳米量级；但是超短脉冲激光受限于其光源输出功率，微孔加工的效率较低，尤其是加工孔群会耗时很久，不适应大规模应用。专利申请号201511021452.9的中国专利《复合脉冲激光打孔及装置》，提出了利用高重频复合短脉冲序列进行微孔加工，该方法有效将气膜孔重铸层厚度降低到11.5μm，同时也很大的提高了微孔的加工速度，但是该申请没有准确说明复合激光的定位精度问题，同时该方法是在高斯光束下进行，对于高深径比微孔孔群加工的应用存在限制。
发明内容
本发明为了解决航空发动机构建上的高深径比气膜孔加工锥度大效率低，复合脉冲激光加工定位精准度低的问题，提供了一种基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工方法及装置。
同时利用贝塞尔光束及双面镀膜平面镜，其中，利用贝塞尔光束光斑直径小、焦深长的性质，结合扫面振镜的光束快速动态调控，实现了航空发动机构建上的高深径比气膜孔的高效加工，利用双面镀膜平面镜与小孔光阑解决了复合激光加工中的对位精度问题，同时利用倍频装置统一复合激光的波长，保证了脉冲激光复合在同一光学系统的传输稳定性，从而提高复合脉冲激光的加工精度。
本发明为解决上述问题所提供技术方案如下：
一种基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置，包括超短脉冲激光光源、短脉冲激光光源、反射镜、双面镀膜平面镜、小孔光阑、倍频晶体、准直镜、1/4波片、高斯-贝塞尔转换装置、扫描振镜和工件；
所述超短脉冲激光光源波长为短脉冲激光光源波长的2倍；
所述短脉冲激光光源发出的激光束辐照在双面镀膜平面镜上，经双面镀膜平面镜后经小孔光阑、准直镜、1/4波片、高斯-贝塞尔转换装置、扫描振镜辐照在工件上进行打孔；
所述超短脉冲激光光源发出的激光束辐照在双面镀膜平面镜上，经双面镀膜平面镜后经小孔光阑、倍频晶体、准直镜、1/4波片、高斯-贝塞尔转换装置、扫描振镜辐照在工件上去重铸层及热影响区。
进一步的，所述双面镀膜平面镜包括平面镜和第一薄膜和第二薄膜，第一薄膜和第二薄膜分别设置在平面镜的两侧；其中，第一薄膜为增透膜，用来反射超短脉冲激光光源发出的激光束，第二薄膜为增反膜，用来透射短脉冲激光光源发出的激光束。
进一步的，所述平面镜材质为二氧化硅，第二薄膜材质为氟化镁，第一薄膜材质为二氧化钛。
进一步的，短脉冲激光光源波长为532nm、超短脉冲激光光源波长为1064nm。
进一步的，还包括计算机，计算机与超短脉冲激光光源、短脉冲激光光源相连；所述计算机与扫描振镜系统相连接，实现光束的动态调控；所述计算机与倍频晶体相连，控制倍频晶体的位置。
进一步的，所述高斯-贝塞尔转换装置为轴棱锥透镜。
进一步的，所述短脉冲激光光源波长为400nm～760nm；超短脉冲激光光源波长为800nm～1100nm。
进一步的，超短脉冲激光光源、短脉冲激光光源处分别设置有第一扩束器与第二扩束器。
本发明的有益效果是：
利用了贝塞尔光束光斑直径小、焦深长的性质，结合扫面振镜的光束快速动态调控，实现了航空发动机构建上的高深径比气膜孔的高效加工。本发明中双面镀膜平面镜结合小孔光阑解决了复合激光的对位精度问题，同时利用倍频装置统一复合激光的波长，保证了脉冲激光复合打孔的传输稳定性，从而提高复合脉冲激光的加工精度。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术中的技术描述中所需使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例的一种基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置的结构示意图；
图2为本发明涉及到的复合脉冲激光分步加工步骤示意图；
图3为本发明图1中涉及到的置中双面镀膜平面镜的结构示意图；
图4为本发明图1涉及到的原理图。
附图标记如下：
1-短脉冲激光光源；2-第一扩束器；3-反射镜；4-超短脉冲激光光源；5-第二扩束器；6-双面镀膜平面镜；7-小孔光阑；8-倍频晶体；9-准直镜；10-1/4波片；11-高斯-贝塞尔转换装置；12-扫描振镜；13-工件；14-移动工作平台；16-计算机；15-保护墙。
具体实施方式
如图2所示，包括：复合脉冲激光分步加工步骤S1，短脉冲激光能量输出，实现微孔的初步加工；步骤S2超短脉冲能量输出，实现对S1产生的微孔重铸层及热影响区域的材料去除。
图中，其中，双面镀膜平面镜的上表面第一薄膜作用是增强对1064nm波长激光的反射率，降低对1062nm波长激光的透射率；下表面第二薄膜作用是增强对532nm波长激光的透射率，降低对532nm波长激光的反射率。
双面镀膜平面镜的原理：透射光增强的膜被称为增透膜，使反射光增强的膜被称为增反膜。其原理都是利用光在波膜上的干涉理论。当入射光射到介质膜表面时，改变介质膜的厚度，将会使入射光产生的两列反射相干光加强或是减弱。当反射相干光为干涉极大时，此时透射光的能量最小，这种膜就是增反膜。当反射相干光为干涉极小时，透射光的能量最强，这种膜就是增透膜。
具体为：第一薄膜为增反膜即上表面膜：材质为TiO2，厚度为129.8±1.8nm，实现对1064nm波长折射率为1.9。采用磁控溅射镀膜技术在平面镜SiO2上获得。
第二薄膜为增透膜即下表面膜：材质为氟化镁MgF2，厚度为80-90nm，实现对532nm波长折射率为1.38。采用溶胶-凝胶镀膜技术在平面镜SiO2上获得。
如图1所示，一种基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置包括：超短脉冲激光光源1、短脉冲激光光源4、反射镜3、双面镀膜平面镜6、小孔光阑7、倍频晶体8、准直镜9、1/4波片10、高斯-贝塞尔转换装置11、扫描振镜12和工件13。
所述轴棱锥透镜11的作用是将平行入射的高斯光束转换为贝塞尔光束，高斯-贝塞尔转换装置为轴棱锥透镜11，实现将普通高斯光束转换为光斑更小，焦深更长的贝塞尔光束，提高微孔加工深度和质量。
所述计算机16与532nm波长短脉冲激光光源4、1064nm波长超短脉冲激光光源1相连接，实现激光光源参数的控制。
所述计算机16与扫描振镜系统12相连接，实现光束的动态调控。
所述计算机16与倍频晶体8相连接，控制倍频晶体8的位置：当超短脉冲激光光源1进行加工时，将倍频晶体8移入光路；当532nm激光光源4进行加工时候，将倍频晶体8移出光路。
所述1/4波片的作用是改变激光的偏振方向(不改变激光的强度、脉宽、波长)，根据文献资料，使用1/4波片进行微孔加工能有效提高微孔的质量(圆度)。
所述保护墙15作用是将经过定制镀膜平面镜6后，未参与加工的激光进行吸收，防止造成操作人员的损伤。
所述1064nm波长超短脉冲激光经倍频晶体后变频为532nm波长，统一短脉冲激光与超短脉冲的波长，以实现激光在后续光学系统中的共轴传输。
进行微孔加工之前，调整第一扩束器2、反射镜3、第二扩束器5、定制镀膜平面镜6、小孔光阑7、倍频晶体8、准直镜9、1/4波片10、轴棱锥透镜11、扫描振镜系统12的位置及角度，实现短脉冲激光与超短脉冲激光延垂直于工件方向共轴传播。
将532nm波长短脉冲激光进行微孔的初步加工。
将1064nm波长超短脉冲激光经倍频后为532nm波长激光对初加工微孔进行重铸层及热影响区域去除。
使用两种不同波长和脉宽的激光器：短脉冲激光器和超短脉冲激光器根据脉宽区分加工的效率和质量各有优势，而目前的技术不能达到同一个激光器既可以产生短脉冲激光又产生超短脉冲激光，因此复合激光加工必然是使用两个激光器。该两个激光器发出的波长不同，经双面镀膜平面镜及小孔光阑后实现精准对位；其中超短脉冲激光器发出的激光经过倍频晶体后，脉宽不变，波长与短脉冲激光波长统一，实现复合激光共光路同轴传播，提高微孔加工精度。
结合以上实施例，本发明实施例的一种基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置，利用了贝塞尔光束光斑直径小、焦深长的性质，结合扫面振镜的光束快速动态调控，实现了航空发动机构建上的高深径比气膜孔的高效加工。本发明中双面镀膜平面镜结合小孔光阑解决了复合激光的对位精度问题，同时利用倍频装置统一复合激光的波长，保证了脉冲激光复合打孔的传输稳定性，从而提高复合脉冲激光的加工精度。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置，其特征在于，包括超短脉冲激光光源(1)、短脉冲激光光源(4)、反射镜(3)、双面镀膜平面镜(6)、小孔光阑(7)、倍频晶体(8)、准直镜(9)、1/4波片(10)、高斯-贝塞尔转换装置(11)、扫描振镜(12)和工件(13)；
所述超短脉冲激光光源(1)波长为短脉冲激光光源(4)波长的2倍；
所述短脉冲激光光源(4)发出的激光束辐照在双面镀膜平面镜(6)上，经双面镀膜平面镜(6)后经小孔光阑(7)、准直镜(9)、1/4波片(10)、高斯-贝塞尔转换装置(11)、扫描振镜(12)辐照在工件(13)上进行打孔；
所述超短脉冲激光光源(1)发出的激光束辐照在双面镀膜平面镜(6)上，经双面镀膜平面镜(6)后经小孔光阑(7)、倍频晶体(8)、准直镜(9)、1/4波片(10)、高斯-贝塞尔转换装置(11)、扫描振镜(12)辐照在工件(13)上去重铸层及热影响区。
2.根据权利要求1所述的基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置，其特征在于，所述双面镀膜平面镜(6)包括平面镜和第一薄膜和第二薄膜，第一薄膜和第二薄膜分别设置在平面镜的两侧；其中，第一薄膜为增透膜，用来反射超短脉冲激光光源(1)发出的激光束，第二薄膜为增反膜，用来透射短脉冲激光光源(4)发出的激光束。
3.根据权利要求2所述的基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置，其特征在于，所述平面镜材质为二氧化硅，第二薄膜材质为氟化镁，第一薄膜材质为二氧化钛。
4.根据权利要求1所述的基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置，其特征在于，短脉冲激光光源(4)波长为532nm、超短脉冲激光光源(1)波长为1064nm。
5.根据权利要求1所述的基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置，其特征在于，还包括计算机(16)，计算机(16)与超短脉冲激光光源(1)、短脉冲激光光源(4)相连；所述计算机(16)与扫描振镜系统(12)相连接，实现光束的动态调控；所述计算机(16)与倍频晶体(8)相连，控制倍频晶体(8)的位置。
6.根据权利要求1所述的基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置，其特征在于，所述高斯-贝塞尔转换装置(11)为轴棱锥透镜。
7.根据权利要求1所述的基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置，其特征在于，所述短脉冲激光光源(4)波长为400nm～760nm；超短脉冲激光光源(1)波长为800nm～1100nm。
8.根据权利要求1所述的基于贝塞尔光束的复合脉冲激光深孔加工装置，其特征在于，超短脉冲激光光源(1)、短脉冲激光光源(4)处分别设置有第一扩束器(2)与第二扩束器(5)。
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