CN110695524A - 激光微孔加工的光束扫描系统 - Google Patents

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Abstract

一种激光微孔加工的光束扫描系统，包括二维光束扫描系统、光束分光位移装置及聚焦镜；光束到达所述二维光束扫描装置后，所述二维光束扫描装置改变光束方向后使光束投射至所述光束分光位移装置，所述光束分光位移装置将光束分成相对于所述聚焦镜的中心轴的夹角相同且具有相同偏移量的第一光束及第二光束，所述聚焦镜用于将所述第一光束及第二光束分别聚焦为相对于所述聚焦镜的中心轴具有相同偏移量的第一焦点及第二焦点。本发明第一焦点及第二焦点加工对功率进行了平分，对于有背伤保护需求的情况，加工更安全、质量会更好且效率高。

Description

激光微孔加工的光束扫描系统
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种激光微孔加工的光束扫描系统。
背景技术
随着现代产品性能的提升，微小孔的加工要求也越来越高。加工微小孔的方法有很多，激光加工由于加工效率快、材料选择性低、无污染、质量好等优点，使用越来越广泛。
目前激光加工微小孔的光束扫描系统主要有振镜、道威棱镜、压电陶瓷扫描镜、双光楔结构装置等，但是无论哪一种加工中都只有一个焦点。如果加工普通孔，单焦点装置可以很好的完成。但是加工对热影响或内壁质量有要求的微孔时，为了保证加工质量，通常需要降低激光器的功率。功率降低不但会大大降低微孔的加工效率，而且也不能充分使用激光器的功率，造成激光器的浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以同时产生两个焦点进行并行加工，可以在不降低加工质量的前提下，大大提高制孔效率和激光利用率的激光微孔加工的光束扫描系统。
本发明提供一种激光微孔加工的光束扫描系统，包括二维光束扫描装置、光束分光位移装置及聚焦镜；光束到达所述二维光束扫描装置后，所述二维光束扫描装置改变光束方向后使光束投射至所述光束分光位移装置，所述光束分光位移装置将光束分成相对于所述聚焦镜的中心轴的夹角相同且具有相同偏移量的第一光束及第二光束，所述聚焦镜用于将所述第一光束及第二光束分别聚焦为相对于所述聚焦镜的中心轴具有相同偏移量的第一焦点及第二焦点。
本发明当光束扫描装置和光束分光位移装置同步旋转时，第一焦点及第二焦点会在工件上同速、同圆心同半径运动；在激光器功率为固定值的情况下，第一焦点及第二焦点加工对功率进行了平分，每个焦点所拥有的功率是单焦点情况下的一半，对于有背伤保护需求的情况，采用双焦点加工比单焦点加工更安全，加工质量会更好；另外，相同焦点功率的情况下，双焦点加工比单焦点加工效率提升一倍。
附图说明
图1本发明激光微孔加工的光束扫描系统的结构图。
图2为图1所示的激光微孔加工的光束扫描系统的第一实施例的光束分光位移装置的结构图。
图3为本发明激光微孔加工的光束扫描系统的第二实施例的光束分光位移装置的结构图。
图4为本发明激光微孔加工的光束扫描系统的第三实施例的光束分光位移装置的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人士在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，本发明优选实施方式提供的一种激光微孔加工的光束扫描系统100，包括二维光束扫描装置4、光束分光位移装置5及聚焦镜6。光束到达所述二维光束扫描装置4后，所述二维光束扫描装置4改变光束方向后使光束投射至所述光束分光位移装置5，所述光束分光位移装置5将光束分成相对于所述聚焦镜6的中心轴9的夹角相同且具有相同偏移量的第一光束L1及第二光束L2，所述聚焦镜6用于将所述第一光束L1及第二光束L2分别聚焦为相对于所述聚焦镜6的中心轴具有相同偏移量的第一焦点f1及第二焦点f2。
如此，当光束扫描装置4和光束分光位移装置5同步旋转时，第一焦点f1及第二焦点f2会在工件7上同速、同圆心同半径(圆心位于聚焦镜6的中心轴9)运动；在激光器1功率为固定值的情况下，第一焦点f1及第二焦点f2对激光器1的功率进行了平分，每个焦点所拥有的功率是现有技术的单焦点情况下的一半，对于有背伤保护需求的情况，采用双焦点加工比单焦点加工更安全，加工质量会更好；另外，在相同焦点功率的情况下，双焦点加工比单焦点加工效率提升一倍。
到达所述二维光束扫描装置4的光束是由激光器1发出的，经过扩束器2准直扩束后由反射镜3将光束反射到所述二维光束扫描装置4。所述激光微孔加工的光束扫描系统100还包括控制单元8，所述控制单元8可以为计算机,控制单元8用于控制二维光束扫描装置4和光束分光位移装置5的运动。本实施方式中，所述光束扫描装置4包括第一旋转电机(图未示)，所述光束分光位移装置5包括第二旋转电机(图未示)，所述控制单元8与第一旋转电机及第二旋转电机电性连接，用于控制第一旋转电机及第二旋转电机转动以此分别带动光束扫描装置4及所述光束分光位移装置5转动。
所述扩束器2的扩束倍率可以为8-10倍。所述二维光束扫描装置4可以是振镜、pzt(压电陶瓷驱动反射镜)、双光楔棱镜、声光偏转器等，作用是控制光束产生一定的倾角，并能控制光束作圆周或螺旋线扫描运动。如图1所示，本实施方式中，所述二维光束扫描装置4为双光楔棱镜并且包括间隔设置的第一光楔41及第二光楔42，第一光楔41及第二光楔42均为横截面呈直角三角形的三棱柱。所述反射镜3将光束反射至双光楔棱镜后由双光楔棱镜透射至所述光束分光位移装置5，具体的，所述反射镜3反射的光束首先投射至第一光楔41的入光面以此进入第一个光楔41，经第一光楔41折射后由第一光楔41的出光面出射至第二光楔42的入光面再经第二光楔42折射后由第二光楔42的出光面出射至所述光束分光位移装置5，本实施方式中，第一光楔41的出光面与第二个光楔42入光面平行设置。第一旋转电机包括分别与第一光楔41及第二光楔42连接的第一旋转子电机及第二旋转子电机，用于分别带动第一光楔41及第二光楔42转动。在其它实施方式中，光楔41、42的横截面也可为其它形状，只需要保证光楔41、42的入光面与出光面有夹角即可。
如图1及2所示，本发明第一实例提供的光束分光位置移装置5，包括一个平行平板镜51及一个五角棱镜52。所述平行平板镜51的横截面呈矩形且包括一对与所述聚焦镜6的中心轴9呈45度夹角的长边511，所述平行平板镜51的入光面及出光面分别为所述平行平板镜51的矩形横截面的一对长边511所在的面。所述五角棱镜52的横截面呈五边形且包括入射边521、与入射边521垂直连接的出射边522、与出射边522连接的第一反射边523、与入射边521连接的第二反射边524、以及与第一反射边523及第二反射边524均连接的顶边525。本实施方式中，所述入射边521平行于所述聚焦镜6的中心轴9，所述出射边522垂直于所述聚焦镜6的中心轴9。
所述五角棱镜52的入光面及出光面分别为所述五角棱镜52的呈五边形的横截面的入射边521及出射边522所在的面。所述平行平板51的入光面与所第二光楔42的出光面及所述五角棱镜52的入光面相对，所述平行平板51的出光面及所述五角棱镜52的出光面与所述聚焦镜6相对。所述第二光楔42的出光面出射的光束投射至所述平行平板51的光入面，一部分光被平行平板51折射形成第一光束L1，另一部分光被反射至五角棱镜52的入射边521所在的面(亦即五角棱镜52的入光面)形成第二光束L2。第一光束L1经平行平板51的出光面后投射至聚焦镜6。第二光束L2依次经过五角棱镜52的第一反射边523所在的面反射至第二反射边524所在的面，并经第二反射边524所在的面反射至出射边522所在的面(亦即五角棱镜52的出光面)，再投射至聚焦镜6。
当从第二光楔42的出光面出射的光束投射至所述平行平板51的光入面的方向与所述聚焦镜6的中心轴9平行时，第一光束L1从平行平板51的出光面、第二光束L2从五角棱镜52的出射边522所在的面沿平行于所述聚焦镜6的中心轴9方向投向于聚焦镜6(如图2中的粗线条的L1及L2所示)。当旋转双光楔棱镜时，从第二光楔42的出光面出射的光束投射至所述平行平板51的光入面的方向与所述聚焦镜6的中心轴9有一定夹角α，第一光束L1从平行平板51的出光面出射、第二光束L2从五角棱镜的出射边522所在的面出射且与所述聚焦镜6的中心轴9均形成夹α(图2中细线的L1及L2所示)，但是指向不同，由第一光束L1及第二光束L2通过聚焦镜6后产生相对于所述聚焦镜6的中心轴具有相同偏移量的第一焦点f1及第二焦点f2。第一光束L1从平行平板51的出光面出射、第二光束L2从五角棱镜的出射边525所在的面出射且相对于所述聚焦镜6的中心轴9产生了相等距离的横向移动，光束横向移动的作用主要是有助于直孔或倒锥孔的加工。在其他实施方式中，所述入射边521也可以不平行于所述聚焦镜6的中心轴9，所述出射边522也可以不垂直于所述聚焦镜6的中心轴9，只要保证第一光束L1及第二光束L2通过聚焦镜6后产生相对于所述聚焦镜6的中心轴具有相同偏移量的第一焦点f1及第二焦点f2即可。
如图3所示，本发明第二实例提供的光束分光位置移装置5，为一个多面棱镜53。所述多面棱镜53的横截面呈六边形且包括入光边531、一对相邻且呈45度夹角连接的第一反光边532及第二反光边533、垂直相连接的第一出光边534及第二出光边535、及连接第一出光边534与入光边531的连接边536。所述入光边531与所述聚焦镜6的中心轴9呈45度夹角设置。
所述多面棱镜53的入光面及出光面分别为所述多面棱镜53的呈六边形的横截面的入光边531和第一出光边534及第二出光边535所在的面。所述入光边531所在的面与所述第二光楔42的出光面相对，所述第一出光边534所在的面及所述第二出光边535所在的面与所述聚焦镜6相对。所述第二光楔42的出光面出射的光束投射至所述入光边531所在的面后折射到达所述第一出光边534所在的面，一部分光被从第一出光边533所在的面折射出来形成第一光束L1，另一部分光被第一出光边534所在的面反射至第一反光边532所在的面形成第二光束L2。第一光束从L1从第一出光面534出射后投射至所述聚焦镜6。第二光束L2依次经过第一反光边532所在的面反射至第二反光边533所在的面，并经第二反光边533所在的面反射至第二出光边535所在的面，从所述第二出光边535所在的面出射后再投射至聚焦镜6。当第二光楔42的出光面出射的光束投射至所述多面棱镜53的入光面的方向与所述聚焦镜6的中心轴平行时，第一光束L1从第一出光边534所在的面、第二光束L2从第二出光边535所在的面沿平行于所述聚焦镜6的中心轴9方向投向于聚焦镜6(如图3所示粗线条第一光束L1及第二光束L2)。当旋转双光楔棱镜时，第二光楔42的出光面出射的光束投射至所述多面棱镜53的光入面的方向与所述聚焦镜6的中心轴有一定夹角α时，第一光束L1从第一出光边534所在的面、第二光束L2从第二出光边535所在的面与所述聚焦镜6的中心轴9方向都有形成夹角α(图3中细线的L1及L2所示)，但是指向不同，由第一光束L1及第二光束L2通过聚焦镜6后产生相对于所述聚焦镜6的中心轴具有相同偏移量的第一焦点f1及第二焦点f2。本实施方式中，所述第一出光边534所在的面可以通过粘贴或镀膜的方式设置半透半反射膜。所述第二出光边535所在的面可以通过粘贴或镀膜的方式设置增透膜。
如图4所示，本发明第三实例提供的光束分光位置移装置5，包括一个平行平板镜51、一个五角棱镜52及一个分光平板54。所述平行平板镜51的横截面呈矩形且包括一对与所述聚焦镜6的中心轴9呈45度夹角的长边511，所述平行平板镜51的入光面及出光面分别为所述平行平板镜51的矩形横截面的一对长边511所在的面。所述五角棱镜52的横截面呈五边形且包括入射边521、与入射边521垂直连接的出射边522、与出射边522连接的第一反射边523、与入射边521连接的第二反射边524、以及一与第一反射边523及第二反射边524均连接的顶边525。本实施方式中，所述入射边521平行于所述聚焦镜6的中心轴9，所述出射边522垂直于所述聚焦镜6的中心轴9。
所述五角棱镜52的入光面及出光面分别为所述五角棱镜52的呈五边形的横截面的入射边521及出射边522所在的面。所述平行平板51的入光面与所第二光楔42的出光面相对，所述分光平板54的入光面与所述平行平板51的出光面及所述五角棱镜52的入光面(即所述入射边521所在的面)相对，所述分光平板54的出光面及所述五角棱镜52的出光面(即所述出射边522所在的面)与所述聚焦镜6相对。
所述第二光楔42的出光面出射的光束投射至所述平行平板51的入光面，经所述平行平板51的出光面出射后投射至所述分光平板54的入光面，一部分光被分光平板54折射并从所述分光平板54的出光面出射形成第一光束L1，另一部分光被分光平板54的入光面反射至五角棱镜52的入光面形成第二光束L2。第一光束L1从分光平板54的出光面出射后投射至聚焦镜6。第二光束L2依次经过五角棱镜第一反射边523所在的面反射至第二反射边524所在的面，并经第二反射边524所在的面反射至四角棱镜52的出光面，再投射至聚焦镜6。当第二光楔42的出光面出射的光束投射至所述平行平板51的光入面的方向与所述聚焦镜6的中心轴9平行时，第一光束L1从分光平板54的出光面、第二光束L2从五角棱镜52的出光面沿平行于所述聚焦镜6的中心轴9方向投向于聚焦镜6(如图4所示粗线条第一光束L1及第二光束L2)。当旋转双光楔棱镜时，第二光楔42的出光面出射的光束投射至所述平行平板51的入光面的方向与所述聚焦镜6的中心轴9有一定夹角α时，第一光束L1从分光平板54的出光面、第二光束L2从五角棱镜52的出光面与所述聚焦镜6的中心轴9方向都有形成夹角α(图4中细线的L1及L2所示)，但是指向不同，由第一光束L1及第二光束L2通过聚焦镜6后产生相对于所述聚焦镜6的中心轴具有相同偏移量的第一焦点f1及第二焦点f2。本实施方式中，所述分光平板设置于所述平行平板及五角棱镜的光路之间，这种结构可以在横向节省空间。本实施方式中，所述分光平板54与聚焦镜6的中心轴呈45度夹角。
请再次参阅图1，本实施方式中，所述激光器1、扩束器2的中心轴相重合且与所述聚焦镜6的中心轴9垂直，所述反射镜3的法线与所述扩束器2的中心轴及所述聚焦镜6的中心轴9均呈45度夹角。
本发明激光微孔加工的光束扫描系统可以进行光束圆扫描运动和螺旋线扫描运动，控制方法分别如下：首先定义从双光楔棱镜出来的光束的方向与聚焦镜6的中心轴9平行时为垂直光束，从双光楔棱镜出来的光束与聚焦镜6的中心轴9具有一定夹角时为倾斜光束；从双光楔棱镜出来的光束与聚焦镜6的中心轴9组成的平面与光束分光位移装置5中的平行平板51主截面平行，且当光束向右偏折时，平行平板能够将光束向左平移，当光束向左偏折时，平行平板能够将光束向右平移，此时它们之间的相对位置定义为初始相位。
光束双焦点圆扫描运动：
首先，根据需求孔径确定双光楔棱镜的倾斜角；其次，调整双光楔棱镜和光束分光位移装置5的相对位置，使其处于初始相位；然后，双光楔棱镜和光束分光位移装置5以相同速度运动，此时光束经过聚焦镜6后将会在工件7上形成两个焦点，同半径同速画圆。
光束双焦点螺旋线运动：
当双光楔棱镜相对旋转时，例如第一光楔速度按正弦运动，第二光楔的速度按照余弦运动，此时光线的运动轨迹即为螺旋线，当光线始终处于光束分光位移装置5主截面内，且满足初始相位关系时，经聚焦镜6后在工件上会形成双焦点螺旋扫描加工。
以上所述实施方式仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多个变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，包括二维光束扫描装置、光束分光位移装置及聚焦镜；光束到达所述二维光束扫描装置后，所述二维光束扫描装置改变光束方向后使光束投射至所述光束分光位移装置，所述光束分光位移装置将光束分成相对于所述聚焦镜的中心轴的夹角相同且具有相同偏移量的第一光束及第二光束，所述聚焦镜用于将所述第一光束及第二光束分别聚焦为相对于所述聚焦镜的中心轴具有相同偏移量的第一焦点及第二焦点。
2.根据权利要求1所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元用于控制所述二维光束扫描装置和所述光束分光位移装置的运动。
3.根据权利要求1所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述二维光束扫描装置为双光楔棱镜并且包括间隔设置的第一光楔及第二光楔。
4.根据权利要求1所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述二维光束扫描装置为振镜或者PZT或者声光偏转器。
5.根据权利要求1所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述光束分光位置移装置包括一个平行平板镜及一个五角棱镜；所述平行平板镜的入光面及出光面相互平行且均与所述聚焦镜的中心轴呈45度夹角；所述五角棱镜的横截面呈五边形且包括入射边、出射边、与出射边连接的第一反射边、与入射边连接的第二反射边；所述二维光束扫描装置出射的光束投射至所述平行平板的入光面，一部分光被平行平板折射形成第一光束，另一部分光被反射至五角棱镜的入射边所在的面形成第二光束；第一光束经平行平板的出光面后投射至所述聚焦镜，第二光束依次经过五角棱镜的第一反射边所在的面反射至第二反射边所在的面，并经第二反射边所在的面反射至出射边所在的面，再投射至所述聚焦镜。
6.根据权利要求5所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述入射边平行于所述聚焦镜的中心轴，所述出射边垂直于所述聚焦镜的中心轴。
7.根据权利要求1所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述光束分光位置移装置为一个多面棱镜；所述多面棱镜的横截面呈六边形且包括入光边、相连接的第一反光边及第二反光边、相连接的第一出光边及第二出光边、及连接第一出光边与入光边的连接边；所述二维光束扫描装置出射的光束投射至所述入光边所在的面后折射到达所述第一出光边所在的面，一部分光被从第一出光边所在的面折射出来形成第一光束，另一部分光被第一出光边所在的面反射至第一反光边所在的面形成第二光束；第一光束从第一出光面出射后投射至所述聚焦镜；第二光束依次经过第一反光边所在的面反射至第二反光边所在的面，并经第二反光边所在的面反射至第二出光边所在的面，从所述第二出光边所在的面出射后再投射至所述聚焦镜。
8.根据权利要求7所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述第一出光边所在的面通过粘贴或镀膜的方式设置半透半反射膜；所述第二出光边所在的面通过粘贴或镀膜的方式设置增透膜。
9.根据权利要求1所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述光束分光位置移装置包括一个平行平板镜、一个五角棱镜及一个分光平板；所述平行平板镜的入光面及出光面相互平行且均与所述聚焦镜的中心轴呈45度夹角；所述五角棱镜的横截面呈五边形且包括一个入射边、出射边、与出射边连接的第一反射边、与入射边连接的第二反射边；所述二维光束扫描装置出射的光束投射至所述平行平板的入光面，经所述平行平板的出光面出射后投射至所述分光平板的入光面，一部分光被分光平板折射并从所述分光平板的出光面出射形成第一光束，另一部分光被分光平板的入光面反射至五角棱镜的入光面形成第二光束；第一光束从分光平板的出光面出射后投射至所述聚焦镜；第二光束依次经过五角棱镜第一反射边所在的面反射至第二反射边所在的面，并经第二反射边所在的面反射至四角棱镜的出光面，再投射至所述聚焦镜。
10.根据权利要求9所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述入射边平行于所述聚焦镜的中心轴，所述出射边垂直于所述聚焦镜的中心轴；所述分光平板与聚焦镜的中心轴呈45度夹角。
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