CN111958108A - 一种用于激光加工的声光双焦点镜头及激光加工系统 - Google Patents

一种用于激光加工的声光双焦点镜头及激光加工系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于激光加工的声光双焦点镜头以及激光加工系统，属于激光加工领域，包括：布拉格声光调制器，用于使沿光轴入射的激光束在声光作用下发生衍射，并输出与入射的激光束方向一致的0级衍射光束，以及偏转角为θ(θ≠0)的1级衍射光束；与声光调制器同轴设置且位于其后的聚焦透镜，用于将声光调制器输出的两个光束分别聚焦于待加工表面；与所述声光调制器相连的驱动信号源，用于向声光调制器注入射频信号，以控制声光调制器内部的声光作用，从而控制两个光束的能量分布，和/或控制两个光束聚焦后两个焦点的间距。本发明能够精确、灵活地控制分光所得两个光束的能量分布以及两个焦点的间距，并且输出高质量的加工光束。

Description

一种用于激光加工的声光双焦点镜头及激光加工系统
技术领域
本发明属于激光加工领域，更具体地，涉及一种用于激光加工的声光双焦点镜头及激光加工系统。
背景技术
随着激光技术与应用的不断发展，激光加工已经成为了先进制造技术的重要组成部分，相比于传统的单焦点激光加工系统，双焦点的加工系统能调整能量分布及作用区域，在实际应用中具有更高的加工效率和质量，因此其应用也愈加的广泛。
双焦点加工系统促进了双光束焊接的发展，提高了焊接过程可靠性与稳定性，可减小热应力和焊接气孔率，适合非金属焊接、高速焊和复合焊。具体的，串列双光束焊接可改善表面成型，减小飞溅、缩孔以及咬边等缺陷，降低冷却速度，改善接头组织性能；并列双光束焊接可降低对间隙、对中、错边的敏感度，适合不等厚度焊接。
为了实现双焦点加工，需要首先将入射的激光束分为两个光束，传统的双焦点镜头主要采用空间分光。空间分光是通过较为复杂的光学结构组合进行分光，然而该方法获得的两焦点相对位置以及能量分布通常是不易改变的，一般需要外加机械结构进行微调，且由于该方法需要把一个光斑切割为两半，最终输出光斑大多不规则，缺少一定的灵活性。例如公开号为CN103111755A的专利申请文件中公开了一种非轴向双焦点加工系统，采用分光镜、凸面镜以及聚焦镜可获得可调的第二焦点，然而引入分光镜等光学元件会增加系统的复杂度和额外成本，并且极容易引入误差。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于激光加工的声光双焦点镜头及激光加工系统，其目的在于，解决现有的双焦点镜头因依赖于复杂的光学系统而导致的系统复杂、成本高且易引入误差的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种应用于激光加工的声光双焦点镜头，包括：声光调制器、聚焦透镜以及驱动信号源；声光调制器和聚焦透镜同轴设置，且声光调制器设置于聚焦透镜之前；驱动信号源与声光调制器相连；
声光调制器为布拉格声光调制器；声光调制器用于使沿光轴入射的激光束在声光作用下发生衍射，并输出与入射的激光束方向一致的0级衍射光束，以及偏转角为θ的1级衍射光束，分别作为第一光束和第二光束；θ≠0；
聚焦透镜用于将声光调制器输出的第一光束和第二光束分别聚焦于待加工表面，聚焦后的焦点分别为第一焦点和第二焦点；
驱动信号源用于向声光调制器注入射频信号，以控制声光调制器内部的声光作用，从而控制第一光束和第二光束的能量分布，和/或控制第一焦点和第二焦点的间距。
本发明提供的用于激光加工的声光双焦点镜头，利用声光调制器将入射激光束分为第一光束和第二光束；第二光束相对于第一光束的偏转角θ满足θ＝2θB，θB为入射的激光束与声波波面间的布拉格角，其表达式为
Figure BDA0002592993570000021
其中，λ0表示入射的激光束的波长，n和νs分别表示声光调制器中声光介质折射率和内部声速，fs表示驱动信号源输出的射频信号的频率；由此可知，第二光束的偏转角与所加载的射频信号频率直接相关，通过改变外加射频信号可精确控制第二光束的输出角度，从而第二光束可在一定角度范围内进行扫描，第二焦点的位置也将得到相应的调节；具体地，第一焦点和第二焦点的间距为
Figure BDA0002592993570000031
其中，f表示聚焦透镜的像方焦距，由此可知，通过调节外加射频信号的频率即可精确调节第一焦点和第二焦点的间距。
本发明提供的用于激光加工的声光双焦点镜头中，第二光束与入射的激光束的功率比值为
Figure BDA0002592993570000032
其中，λ0表示入射的激光束的波长，L和H分别表示声光调制器中电声换能器的长度和宽度，M2表示声光调制器中声光介质的品质因数，Ps表示驱动信号源输出的射频信号的功率，由此可知，通过改变外加射频信号功率可精确控制第二束光的功率；由于第一束光和第二束光的功率相加等于入射激光束的功率，第二光束的功率发生变化时，第一光束的能量将相应发生变化，因此，通过调节射频信号功率，即可精确控制第一光束和第二光束的能量分布。
本发明提供的用于激光加工的声光双焦点镜头中，利用衍射的方式实现分光，分光后得到的第一光束和第二光束的光斑与入射激光束的光斑保持一致，因此，得到的光束质量较高。
总体而言，本发明提供的应用于激光加工的声光双焦点镜头，利用声光调制器进行分光，能够精确、灵活地控制分光所得两个光束的能量分布以及两个焦点的间距，并且输出高质量的加工光束。
进一步地，声光调制器中的声光介质的材料为二氧化碲或石英晶体。
进一步地，声光调制器中的电声换能器的材料为铌酸锂晶体。
进一步地，驱动信号源输出的射频信号的中心频率为75MHz。
进一步地，驱动信号源输出的射频信号的频率范围为59MHz～91MHz。
进一步地，入射的激光束的波长为1030nm～1100nm。
按照本发明的另一个方面，提供了一种激光加工系统，包括本发明提供的用于激光加工的声光双焦点镜头。
进一步地，本发明提供的激光加工系统，工作时，按照
Figure BDA0002592993570000041
调节驱动信号源输出的射频信号的频率，将第一焦点和第二焦点的间距调整为目标间距；
其中，d表示第一焦点和第二焦点的间距，λ0表示入射的激光束的波长，f表示聚焦透镜的像方焦距，n和νs分别表示声光调制器中声光介质的折射率和内部声速，fs表示驱动信号源输出的射频信号的频率。
进一步地，本发明提供的激光加工系统，工作时，按照
Figure BDA0002592993570000042
调节驱动信号源输出的射频信号的功率，将第一光束和第二光束的能量分布调整为预期的能量分布；
其中，ηs表示第二光束功率与入射的激光束的功率比值，λ0表示入射的激光束的波长，L和H分别表示声光调制器中电声换能器的长度和宽度，M2表示声光调制器中声光介质的品质因数，Ps表示驱动信号源输出的射频信号的功率。
由于本发明所提供的双焦点镜头能够精确、灵活地控制分光所得两个光束的能量分布以及两个焦点的间距，并且输出高质量的加工光束，因此，本发明提供的激光加工系统具有较高的加工精度和加工效率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的应用于激光加工的声光双焦点镜头，利用声光调制器进行分光，能够精确、灵活地控制分光所得两个光束的能量分布以及两个焦点的间距，并且输出高质量的加工光束。
(2)本发明提供的应用于激光加工的声光双焦点镜头，仅包括声光调制器及与其相连的驱动信号源，以及聚焦镜头这两个主要部分，相比于多光学元件的双焦点系统，系统复杂度大为降低，同时能够有效减少光束多次通过光学元件时由于反射或吸收而造成的能量损失，有利于提高光束能量的利用率，并有效减少误差引入。
附图说明
图1为本发明实施例提供的应用于激光加工的声光双焦点镜头；
图2为本发明实施例采用的一种声光调制器的结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为声光调制器，2为聚焦透镜，3为驱动信号源，4为入射的激光束，5为第一光束，6为第二光束，7为待加工表面，8为电声换能器，9为声光介质，10为声吸收装置。
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。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等如果存在是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了解决现有的双焦点镜头因依赖于复杂的光学系统而导致的系统复杂、成本高且易引入误差的问题，本发明提供了一种应用于激光加工的声光双焦点镜头及激光加工系统，其整体思路在于，利用声光调制器结合外加的驱动信号源，使入射激光束发生衍射，将入射激光束分为第一光束和第二光束，一方面，通过调节驱动信号源输出的射频信号的功率可调节两个光束的能量分布，并且通过调节驱动信号源输出的射频信号的频率可调节两个焦点的间距，另一方面，避免利用复杂的纯光学系统进行分光，简化了系统，并减少了能量损失和引入的误差。
本发明提供的应用于激光加工的声光双焦点镜头，如图1所示，包括：声光调制器1、聚焦透镜2以及驱动信号源3；声光调制器1和聚焦透镜2同轴设置，且声光调制器1设置于聚焦透镜2之前；驱动信号源3与声光调制器1相连；
声光调制器1为布拉格声光调制器；声光调制器1用于使沿光轴入射的激光束4在声光作用下发生衍射，并输出与入射的激光束4方向一致的0级衍射光束，以及偏转角为θ的1级衍射光束，分别作为第一光束5和第二光束6；θ≠0；
聚焦透镜用于将声光调制器1输出的第一光束5和第二光束6分别聚焦于待加工表面7，聚焦后的焦点分别为第一焦点和第二焦点，即图1中所示的F0和F1；
驱动信号源3用于向声光调制器1注入射频信号，以控制声光调制器1内部的声光作用，从而控制第一光束5和第二光束6的能量分布，和/或控制第一焦点F0和第二焦点F1的间距；
在本实施例中，所采用的声光调制器1的结构如图2所，其中包括声光介质9，以及分别位于声光介质9相对的两个面的电声换能器8和声吸收装置10，其中，电声换能器8通过压焊技术和声光介质9紧密连接在一起，声吸收装置10和声光介质9紧密接触，驱动信号源3的两电极和电声换能器8的两端面连接。
工作时，驱动电信号3输出的射频信号作用于电声换能器8上产生超声波，耦合至声光介质9，形成超声体光栅；光波通过声光介质9时，由于声光作用，光载波受到调制而成为携带信息的强度调制波；声吸收装置10防止声波原路反射回去影响声波波面；
入射激光束4与声波波面以布拉格角θB斜入射时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将相互抵消，只出现0级衍射光和1级衍射光，其中0级衍射光与入射激光束4的方向一致，1级衍射光与0级衍射光存在θ＝2θB的偏转角；
其中，
Figure BDA0002592993570000071
λ0表示入射的激光束的波长，n表示声光介质9的折射率，νs表示声光介质9内部的声速，fs表示驱动信号源3输出的射频信号的频率，因此，第一焦点F0和第二焦点F1的间距为
Figure BDA0002592993570000072
f表示聚焦透镜2的像方焦距；
第二光束与入射的激光束的功率比值为
Figure BDA0002592993570000073
其中，λ0表示入射的激光束的波长，L和H分别表示电声换能器8的长度和宽度，M2表示声光介质9的品质因数，Ps表示驱动信号源3输出的射频信号的功率；
由此可知，两个焦点的间距由外加射频信号频率fs控制，两个衍射光束的能量分布可通过改变外加电信号功率Ps进行控制。
在一些实施例中，声光介质9的材料为二氧化碲或石英晶体。
在一些实施例中，电声换能器8的材料为铌酸锂晶体。
在一些实施例中，入射的激光束4的波长为1030nm～1100nm，常用的高功率激光加工设备主要波长范围即为1030nm～1100nm，如此设置入射激光束4的波长范围，能够保证本实施例所提供的双焦点镜头可很好地应用于激光加工。
在一些实施例中，驱动信号源3输出的射频信号的中心频率为75MHz，相应地，可控制偏转角θ为8.1mrad左右；进一步优选地，驱动信号源3输出的射频信号的频率范围为59MHz～91MHz，使得扫描角度在6.4mrad～9.5mrad范围内。
由于第一焦点F0与聚焦透镜2的中心的间距为固定值，第二焦点F1与聚焦透镜2的中心的间距为变化值，在一些实施例中，聚焦透镜2可是单透镜，也可以是复合透镜，其焦距f(即第一焦点F0与聚焦透镜2的中心的间距)为0.1m～0.15m，第二焦点F1与聚焦透镜2的中心的间距根据偏转角θ和聚焦透镜的焦距f，在dmin～dmax之间变化，其中，当聚焦透镜2的焦距f选用最小值100mm时，dmin为0.64mm～0.95mm，当聚焦透镜2的焦距f选用最大值150mm时，dmax为0.96mm～1.47mm。
在一些实施例中，聚焦透镜2的外径为10mm～40mm。
本发明还提供了一种激光加工系统，该激光加工系统包括上述任一实施例提供的用于激光加工的声光双焦点镜头；工作时，该激光加工系统可以灵活、精确地调节两个光束之间的能量分布，以及两个焦点之间的距离；
具体地，按照
Figure BDA0002592993570000081
调节驱动信号源3输出的射频信号的频率，将第一焦点和第二焦点的间距调整为目标间距；
按照
Figure BDA0002592993570000082
调节驱动信号源3输出的射频信号的功率，将第一光束和第二光束的能量分布调整为预期的能量分布。
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 (9)

1.一种用于激光加工的声光双焦点镜头，其特征在于，包括：声光调制器(1)、聚焦透镜(2)以及驱动信号源(3)；所述声光调制器(1)和所述聚焦透镜(2)同轴设置，且所述声光调制器(1)设置于所述聚焦透镜(2)之前；所述驱动信号源(3)与所述声光调制器(1)相连；
所述声光调制器(1)为布拉格声光调制器；所述声光调制器(1)用于使沿光轴入射的激光束在声光作用下发生衍射，并输出与所述入射的激光束方向一致的0级衍射光束，以及偏转角为θ的1级衍射光束，分别作为第一光束和第二光束；θ≠0；
所述聚焦透镜用于将所述声光调制器(1)输出的所述第一光束和所述第二光束分别聚焦于待加工表面，聚焦后的焦点分别为第一焦点和第二焦点；
所述驱动信号源(3)用于向所述声光调制器(1)注入射频信号，以控制所述声光调制器(1)内部的声光作用，从而控制所述第一光束和所述第二光束的能量分布，和/或控制所述第一焦点和所述第二焦点的间距。
2.如权利要求1所述的用于激光加工的声光双焦点镜头，其特征在于，所述声光调制器(1)中的声光介质(9)的材料为二氧化碲或石英晶体。
3.如权利要求1所述的用于激光加工的声光双焦点镜头，其特征在于，所述声光调制器(1)中的电声换能器(8)的材料为铌酸锂晶体。
4.如权利要求1所述的用于激光加工的声光双焦点镜头，其特征在于，所述驱动信号源(3)输出的射频信号的中心频率为75MHz。
5.如权利要求4所述的用于激光加工的声光双焦点镜头，其特征在于，所述驱动信号源(3)输出的射频信号的频率范围为59MHz～91MHz。
6.如权利要求1所述的用于激光加工的声光双焦点镜头，其特征在于，所述入射的激光束的波长为1030nm～1100nm。
7.一种激光加工系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的用于激光加工的声光双焦点镜头。
8.如权利要求7所述的激光加工系统，其特征在于，工作时，按照
Figure FDA0002592993560000021
调节所述驱动信号源(3)输出的射频信号的频率，将所述第一焦点和所述第二焦点的间距调整为目标间距；
其中，d表示所述第一焦点和所述第二焦点的间距，λ0表示所述入射的激光束的波长，f表示所述聚焦透镜(2)的像方焦距，n和νs分别所述声光调制器(1)中声光介质(9)的折射率和内部声速，fs表示所述驱动信号源(3)输出的射频信号的频率。
9.如权利要求7或8所述的激光加工系统，其特征在于，工作时，按照
Figure FDA0002592993560000022
调节所述驱动信号源(3)输出的射频信号的功率，将所述第一光束和所述第二光束的能量分布调整为预期的能量分布；
其中，ηs表示所述第二光束功率与所述入射的激光束的功率比值，λ0表示所述入射的激光束的波长，L和H分别表示所述声光调制器(1)中电声换能器(8)的长度和宽度，M2表示所述声光调制器(1)中声光介质(9)的品质因数，Ps表示所述驱动信号源(3)输出的射频信号的功率。
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