CN111604582B - 一种三波段激光双聚焦头激光加工系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三波段激光双聚焦头激光加工系统和方法。通过三波段激光光束分束处理和双聚焦头设计，能够实现一个装置同时匹配紫外、可见和红外三波段激光传输和加工；使用复合光束进行照明，在进行紫外光加工时使用可见和红外光进行照明，而在使用可见和红外光加工时，使用紫外光进行照明，此时CCD捕获的光仅包括照明光，不包括加工的光，可以更加清晰的对加工位置进行成像和观察；利用多个精密二维调整架和平移支架，便于激光光束传输方向精密调节和成像控制，降低对入射激光光束方向调节要求，满足多种激光光源、多种规格聚焦镜或场镜的加工及成像需求。

Description

一种三波段激光双聚焦头激光加工系统和方法

技术领域

本发明属于激光加工领域，涉及光束传输和加工方法，尤其涉及同时支持紫外、可见和红外三波段激光光束传输和加工系统和方法。

背景技术

激光加工技术作为新型制造技术，在现在工业中得到了越来越广泛的应用，并且已经在汽车、电子、航空、航天等领域占据了重要的制造地位。其中激光传输控制是激光加工系统的重要组成部分之一，其主要包括方向控制、运动控制以及聚焦控制等。

目前，激光传输控制中光学元件的介质膜虽然可以实现对单一波长、双波长以及一定波段激光的反射、运动、聚焦等控制，但是由于光学元件介质膜性能的局限性无法覆盖更宽波段激光传输的控制，尤其是激光基频光经过三倍频或四倍频产生的紫外激光与基频红外激光和二倍频可见波段激光无法实现同一套光学元件传输控制，导致激光加工设备需要针对不同波段的激光配备不同的部件，激光加工设备对不同波长激光光源兼容性较差。因此，目前亟需一种兼容红外、可见和紫外三波段激光传输控制的方法。

专利申请CN 201711215878.7公开了一种使用不同波长的光路传输不同的光线的装置，其第一波段输出光路上设第一光路传输模组，第二波段输出光路上设第二光路传输模组，其输出的光束经合束镜合为一束，合束镜输出端依次设第一光路切换装置、第二光路切换装置和第三光路切换装置，第三波段输出光路上设第三光路传输模组，第三光路传输模组输出的光束处于另一光路上，第三光路传输模组输出端依次设第四光路切换装置、第五切换装置和第六反射镜，其中心在垂直方向上分别与第一光路切换装置、第二光路切换装置和第三光路切换装置的中心对齐，其垂直射出端光路均设光阑，光阑输出端设加工模块。实现数种组合方式的加工模式。其光开关结构相对复杂，而且使用过多的反射镜等装置会造成光强度下降以及光束质量的下降，影响激光加工的效果。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明提供了一种三波段激光双聚焦头激光加工系统，该系统利用多个紫外波段全反镜以及可见和红外双波段全反镜，通过把紫外波段激光与可见或红外波段激光分束处理，并利用两个聚焦头分别对紫外波段激光聚焦以及可见或红外波段激光扫描运动和聚焦控制，实现同一装置对三波段激光传输与加工控制。

针对上述内容，为解决上述问题提供一种三波段激光双聚焦头激光加工系统，包括飞秒激光光源、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第一加工部、第二加工部和照明成像部；

飞秒激光光源为可发出紫外光波段激光、可见光波段激光及红外波段激光的飞秒激光器；

第一反射镜透过可见和红外波段的光且对紫外波段的光全反射；第二反射镜、第三反射镜对紫外波段的光全反射；第四反射镜、第五反射镜透过紫外波段的光且对可见和红外波段的光反射；

飞秒激光光源发出紫外波段的光被第一反射镜第二反射镜第三反射镜反射后被第四反射镜第五反射镜透射后到达第一加工部，第一加工部使用紫外光对待加工试件进行加工；

飞秒激光光源发出的可见或红外波段的光被第一反射镜透射后被第四反射镜第五反射镜反射后到达第二加工部，第二加工部使用可见或红外波段的光对待加工试件进行加工；

照明成像部设置于第五反射镜的一侧，照明成像部发出的复色光的可见和红外部分被第五反射镜反射后到达第一加工部提供照明，且被第一加工部反射的可见和红外部分被第五反射镜反射后回到照明成像部进行成像；照明成像部发出的复色光的紫外部分被第五反射镜透射后到达第二加工部提供照明，且被第二加工部反射的紫外部分被第五反射镜透射后回到照明成像部进行成像。

照明成像部包括半透半反镜、成像镜、照明光源、CCD相机；照明光源发出的光经半透半反镜反射后到达第五反射镜；第五反射镜返回的光经半透半反镜透射后经成像镜聚焦后到达CCD相机。

第一加工部包括五维调整架和紫外波段激光聚焦镜，紫外光经过五维调整架的调整后被紫外波段激光聚焦镜聚焦实现对待加工试件的加工。

第二加工部包括扫描振镜和场镜，可见和红外光经扫描振镜调整后通过场镜的调整实现对待加工试件的加工。

飞秒激光光源基频为1030nm的飞秒激光器，利用四倍频功能实现基频1030nm、二倍频515nm、三倍频343nm和四倍频258nm四色飞秒激光加工

第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜均安装在二维调整架上，成像镜和CCD相机均设置在平移支架上。

一种利用激光加工系统进行激光加工的方法，包括如下步骤：

待加工材料为复合材料，首先针对不同材料成分预先选择适合的加工波长；选择紫外光进行加工、选择可见光进行加工或者选择红外光进行加工；选择好加工波长后，针对加工的波长和吸收率计算加工激光所需的能量密度；

将待加工复合材料放置于待加工的工位上，开启照明光源发射复色光进行照明，照明光波长覆盖紫外至红外波段范围；

先将激光器调节至发射紫外光，然后调节支撑平台、五维调整架和紫外聚焦镜使得紫外光聚焦于待加工的复合材料上；调节CCD和成像镜使得显示屏上可以清晰的呈现待加工位置的图像；调节激光加工参数，开启激光器进行紫外激光加工，并在显示屏上观察复合材料的加工情况；

待完成紫外光加工后，将激光器调节至发射可见光，然后调节支撑平台、振镜系统和场镜使得可见光聚焦于待加工的复合材料上；调节CCD和成像镜使得显示屏上可以清晰的呈现待加工位置的图像；调节激光加工参数，开启激光器进行可见光激光加工，并在显示屏上观察复合材料的加工情况；

待完成可见光加工后，将激光器调节至发射红外光，然后调节支撑平台、振镜系统和场镜使得红外光聚焦于待加工的复合材料上；调节CCD和成像镜使得显示屏上可以清晰的呈现待加工位置的图像；调节激光加工参数，开启激光器进行红外光激光加工，并在显示屏上观察复合材料的加工情况；

上述的紫外、可见、红外光的加工步骤可以互换，且可以重复多次进行，直至完成整个加工过程。

本发明的有益效果为：

(1)通过三波段激光光束分束处理和双聚焦头设计，能够实现一个装置同时匹配紫外、可见和红外三波段激光传输和加工；

(2)本发明使用复合光束进行照明，在进行紫外光加工时使用可见和红外光进行照明，而在使用可见和红外光加工时，使用紫外光进行照明，此时CCD捕获的光仅包括照明光，不包括加工的光，可以更加清晰的对加工位置进行成像和观察；

(3)利用多个精密二维调整架和平移支架，便于激光光束传输方向精密调节和成像控制，降低对入射激光光束方向调节要求，满足多种激光光源、多种规格聚焦镜或场镜的加工及成像需求。

附图说明

被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。

图1是本发明提出的一种三波段激光双聚焦头加工系统结构示意图

图2是1030nm(基频)或515nm(二倍频)波长飞秒激光加工方法示意图

图3是343nm(三倍频)或258nm(四倍频)波长飞秒激光加工方法示意图

图中标记说明：

1.入射激光束，2.紫外波段激光，3、3’二维调整架，4、4’紫外波段全反镜，5.二维调整架，6.可见和红外双波段全反镜，7.扫描振镜，8.场镜，9.待加工试件，10.紫外波段激光聚焦镜，11.五维调整架，12.可见和红外双波段全反镜，13.半透半反镜，14.平移支架，15.CCD相机，16.照明光源，17.照明光束，18.可见或红外波段激光，19.成像镜，20.二维调整架，21.紫外波段全反镜。

具体实施方式

本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。

实施例1：

如图1所示，一种三波段激光双聚焦头激光加工系统，包括飞秒激光光源、第一反射镜21、第二反射镜4、第三反射镜4’、第四反射镜6、第五反射镜12、第一加工部、第二加工部和照明成像部；

飞秒激光光源为可发出紫外光波段激光、可见光波段激光及红外波段激光的飞秒激光器；

第一反射镜21透过可见和红外波段的光且对紫外波段的光全反射；第二反射镜4、第三反射镜4’对紫外波段的光全反射；第四反射镜6、第五反射镜12透过紫外波段的光且对可见和红外波段的光反射；

飞秒激光光源发出紫外波段的光被第一反射镜21第二反射镜4第三反射镜4’反射后被第四反射镜6第五反射镜12透射后到达第一加工部，第一加工部使用紫外光对待加工试件进行加工；

飞秒激光光源发出的可见或红外波段的光被第一反射镜21透射后被第四反射镜6第五反射镜12反射后到达第二加工部，第二加工部使用可见或红外波段的光对待加工试件进行加工；

照明成像部设置于第五反射镜12的一侧，照明成像部发出的复色光的可见和红外部分被第五反射镜12反射后到达第一加工部提供照明，且被第一加工部反射的可见和红外部分被第五反射镜12反射后回到照明成像部进行成像；照明成像部发出的复色光的紫外部分被第五反射镜12透射后到达第二加工部提供照明，且被第二加工部反射的紫外部分被第五反射镜12透射后回到照明成像部进行成像。

照明成像部包括半透半反镜13、成像镜14、照明光源16、CCD相机15；照明光源16发出的光经半透半反镜13反射后到达第五反射镜12；第五反射镜12返回的光经半透半反镜13透射后经成像镜14聚焦后到达CCD相机15。

第一加工部包括五维调整架11和紫外波段激光聚焦镜10，紫外光经过五维调整架11的调整后被紫外波段激光聚焦镜10聚焦实现对待加工试件9的加工。

第二加工部包括扫描振镜7和场镜8，可见和红外光经扫描振镜7调整后通过场镜8的调整实现对待加工试件的加工。

飞秒激光光源基频为1030nm的飞秒激光器，利用四倍频功能实现基频1030nm、二倍频515nm、三倍频343nm和四倍频258nm四色飞秒激光加工

第一反射镜21、第二反射镜4、第三反射镜4’、第四反射镜6均安装在二维调整架上，成像镜14和CCD相机15均设置在平移支架上。

(1)当选用1030nm(基频)或515nm(二倍频)波长飞秒激光作为加工光源时，如图2所示，入射光束首先透过紫外波段全反镜21，在可见和红外双波段全反镜6和7的反射下，进入扫描振镜7，经场镜8聚焦后作用到待加工试件9上，利用扫描振镜控制激光光束运动轨迹，从而实现对待加工试件9的加工。调节平移支架使CCD相机和成像镜19到一定位置后，使待加工物体9加工区域的清晰光学影像在显示屏上显现，实现激光加工在线实时观测；

(2)当选用343nm(三倍频)或258nm(四倍频)波长飞秒激光作为加工光源时，如图3所示，入射光束先后经过紫外波段全反镜21和4反射，透过可见和红外双波段全反射镜6和12后，经紫外波段激光聚焦镜10后作用到待加工试件9上，从而实现对待加工试件9的加工。调节平移支架使CCD相机和成像镜19到一定位置后，使待加工物体9加工区域的清晰光学影像在显示屏上显现，实现激光加工在线实时观测。

在该激光加工系统中，把紫外波段激光与可见或红外波段激光分开传输，并设置透镜和扫描振镜加场镜两种聚焦头分别对紫外波段激光和可见、红外波段激光聚焦控制；

当输入紫外波段激光光束时，其利用紫外波段全反镜改变光束传输方向，透过可见和红外双波段全反镜，经过聚焦镜后作用到试件表面，实现对试件的加工，同时利用CCD成像在线实时观测加工过程；

当输入可见或红外波段激光时，其利用可见和红外双波段全反镜改变光束传输方向，透过紫外波段全反镜，经过扫描振镜控制运动轨迹，再经过场镜聚焦到试件表面，实现对试件的加工，同时利用CCD在线实时观测加工过程。

优选的紫外波段全反镜，对波长250nm-360nm波段激光0°到45°入射角反射率＞99％；

优选的可见和红外双波段全反镜，对波长510nm-540nm、1010nm-1060nm双波段激光0°到45°入射角反射率＞99％。

实现该系统特殊之处在于：包括三个紫外波段全反镜、两个可见和红外双波段全反镜、两个聚焦头(紫外波段激光聚焦头以及可见和红外波段激光聚焦头)。图1为该系统结构示意图。

紫外波段全反镜3和21，分别安装在二维调整架3和20上，与入射激光束1和紫外波段激光束2呈0°到45°度；

两个可见和红外双波段全反镜6和12，分别安装在二维调整架5和固定支架上；

聚焦头，包括紫外波段激光聚焦头以及可见和红外波段激光聚焦头，其中紫外波段激光聚焦镜10安装在五维调整架11上组成紫外波段激光聚焦头，场镜8安装在扫描振镜上组成可见和红外波段激光聚焦头；

上述CCD成像包括平移支架14、照明光源16、照明光束17、成像镜19、CCD相机15和半透半反镜13，其中CCD相机和成像镜19安装在平移支架14上；

优选的紫外波段全反镜21，对波长510nm-540nm、1010nm-1060nm波段激光0°到45°入射角透过率＞99％；

优选的可见和红外双波段全反镜6和12，对波长250nm-360nm波段激光0°到45°入射角透过率＞99％；

优选的五维调整架11，与紫外波段激光2垂直设置，可以精确调整激光聚焦镜11姿态和位置，使其与紫外波段激光2保持垂直且紫外波段激光2穿过激光聚焦镜11的中心；

优选的平移支架14，对CCD相机15和成像镜19的提供平移控制，实现该装置两个聚焦头加工在线成像切换，并且支持更换不同焦距聚焦镜或场镜后，在线清晰成像。

选优的照明光束17，由照明光源16产生，并通过半透半反镜13控制传输方向，所述半透半反镜13，对照明光束17的透射率和反射率各50％；

优选的CCD相机15，把待加工物体9加工区域的光学影像转化为数字信号，在显示屏上实现成像。

实施例2：

本实施例针对性介绍本装置的使用激光加工方法，本方法使用本发明的装置对复合材料进行激光加工。

待加工的复合材料为多层材料，且各层之间的对于不同波长的光吸收能力不同；例如层数为三层的复合材料，该复合材料包括第一层、第二层和第三层；第一层对紫外光的吸收率很高其大于50％，但对红外光的反射率很高大于70％，第二层对于可见光的吸收率很高50％，但对于红外光的吸收率，小于30％，第三层对于红外光的吸收率很高大于60％，但对于紫外光的反射率很高，为75％；采用传统的单一波长的激光加工方式，则其由于不同层之间的激光吸收能力不同，因此需要采用的激光加工参数也不同。如果某一层材料对于加工激光的波长反射率过高，则有反射光破坏激光加工系统的风险；因此加工时需要分别在三层上进行激光加工。

利用本申请的激光加工系统首先针对不同层先预先选择适合的加工波长；第一步选择紫外光进行加工，第二步选择可见光进行加工，第三步选择红外光进行加工；选择好加工波长后，针对加工的波长和吸收率计算加工激光所需的能量密度；

将待加工复合材料放置于待加工的工位上，开启照明光源发射复色光进行照明，照明光波长覆盖紫外至红外波段范围；

先将激光器调节至发射紫外光，然后调节支撑平台、五维调整架和紫外聚焦镜使得紫外光聚焦于待加工的复合材料上；调节CCD和成像镜使得显示屏上可以清晰的呈现待加工位置的图像；调节激光加工参数，开启激光器进行紫外激光加工，并在显示屏上观察复合材料的加工情况；

待完成紫外光加工后，将激光器调节至发射可见光，然后调节支撑平台、振镜系统和场镜使得可见光聚焦于待加工的复合材料上；调节CCD和成像镜使得显示屏上可以清晰的呈现待加工位置的图像；调节激光加工参数，开启激光器进行可见光激光加工，并在显示屏上观察复合材料的加工情况；

待完成可见光加工后，将激光器调节至发射红外光，然后调节支撑平台、振镜系统和场镜使得红外光聚焦于待加工的复合材料上；调节CCD和成像镜使得显示屏上可以清晰的呈现待加工位置的图像；调节激光加工参数，开启激光器进行红外光激光加工，并在显示屏上观察复合材料的加工情况；

上述的紫外、可见、红外光的加工步骤可以互换，且可以重复多次进行，直至完成整个加工过程，由于支撑平台和紫外光路、红外光路在同一个系统中，仅仅需要移动支撑平台就可以准确的使待加工材料在紫外、可见、红外光的条件下加工，即可以提高加工的效果，又可以避免在不同系统中加工带来的误差。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种三波段激光双聚焦头激光加工系统，包括飞秒激光光源、第一反射镜(21)、第二反射镜(4)、第三反射镜(4’)、第四反射镜(6)、第五反射镜(12)、第一加工部、第二加工部和照明成像部；其特征在于：

飞秒激光光源为可发出紫外光波段激光、可见光波段激光及红外波段激光的飞秒激光器；

第一反射镜(21)透过可见和红外波段的光且对紫外波段的光全反射；第二反射镜(4)、第三反射镜(4’)对紫外波段的光全反射；第四反射镜(6)、第五反射镜(12)透过紫外波段的光且对可见和红外波段的光反射；

飞秒激光光源发出紫外波段的光被第一反射镜(21)第二反射镜(4)第三反射镜(4’)反射后被第四反射镜(6)第五反射镜(12)透射后到达第一加工部，第一加工部使用紫外光对待加工试件进行加工；

飞秒激光光源发出的可见或红外波段的光被第一反射镜(21)透射后被第四反射镜(6)第五反射镜(12)反射后到达第二加工部，第二加工部使用可见或红外波段的光对待加工试件进行加工；

照明成像部设置于第五反射镜(12)的一侧，照明成像部发出的复色光的可见和红外部分被第五反射镜(12)反射后到达第一加工部提供照明，且被第一加工部反射的可见和红外部分被第五反射镜(12)反射后回到照明成像部进行成像；照明成像部发出的复色光的紫外部分被第五反射镜(12)透射后到达第二加工部提供照明，且被第二加工部反射的紫外部分被第五反射镜(12)透射后回到照明成像部进行成像。

2.根据权利要求1所述的三波段激光双聚焦头激光加工系统，其特征在于：

照明成像部包括半透半反镜(13)、成像镜(14)、照明光源(16)、CCD相机(15)；照明光源(16)发出的光经半透半反镜(13)反射后到达第五反射镜(12)；第五反射镜(12)返回的光经半透半反镜(13)透射后经成像镜(14)聚焦后到达CCD相机(15)。

3.根据权利要求2所述的三波段激光双聚焦头激光加工系统，其特征在于：

第一加工部包括五维调整架(11)和紫外波段激光聚焦镜(10)，紫外光经过五维调整架(11)的调整后被紫外波段激光聚焦镜(10)聚焦实现对待加工试件(9)的加工。

4.根据权利要求3所述的三波段激光双聚焦头激光加工系统，其特征在于：

第二加工部包括扫描振镜(7)和场镜(8)，可见和红外光经扫描振镜(7)调整后通过场镜(8)的调整实现对待加工试件的加工。

5.根据权利要求4所述的三波段激光双聚焦头激光加工系统，其特征在于：

飞秒激光光源基频为1030nm的飞秒激光器，利用四倍频功能实现基频1030nm、二倍频515nm、三倍频343nm和四倍频258nm四色飞秒激光加工。

6.根据权利要求5所述的三波段激光双聚焦头激光加工系统，其特征在于：

第一反射镜(21)、第二反射镜(4)、第三反射镜(4’)、第四反射镜(6)均安装在二维调整架上，成像镜(14)和CCD相机(15)均设置在平移支架上。

7.一种利用权利要求6的激光加工系统进行激光加工的方法，其特征在于包括如下步骤：

待加工材料为复合材料，首先针对不同材料成分预先选择适合的加工波长；选择紫外光进行加工、选择可见光进行加工或者选择红外光进行加工；选择好加工波长后，针对加工的波长和吸收率计算加工激光所需的能量密度；

将待加工复合材料放置于待加工的工位上，开启照明光源发射复色光进行照明，照明光波长覆盖紫外至红外波段范围；

先将激光器调节至发射紫外光，然后调节支撑平台、五维调整架和紫外聚焦镜使得紫外光聚焦于待加工的复合材料上；调节CCD和成像镜使得显示屏上可以清晰的呈现待加工位置的图像；调节激光加工参数，开启激光器进行紫外激光加工，并在显示屏上观察复合材料的加工情况；

待完成紫外光加工后，将激光器调节至发射可见光，然后调节支撑平台、振镜系统和场镜使得可见光聚焦于待加工的复合材料上；调节CCD和成像镜使得显示屏上可以清晰的呈现待加工位置的图像；调节激光加工参数，开启激光器进行可见光激光加工，并在显示屏上观察复合材料的加工情况；

待完成可见光加工后，将激光器调节至发射红外光，然后调节支撑平台、振镜系统和场镜使得红外光聚焦于待加工的复合材料上；调节CCD和成像镜使得显示屏上可以清晰的呈现待加工位置的图像；调节激光加工参数，开启激光器进行红外光激光加工，并在显示屏上观察复合材料的加工情况；

上述的紫外、可见、红外光的加工步骤可以互换，且可以重复多次进行，直至完成整个加工过程。

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