CN112186487A - 一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头及其使用方法，包括壳体，所述壳体上开设有激光入射口和激光发射口；所述壳体的内腔中设置有空间光调制器，激光通过激光入射口入射至空间光调制器，空间光调制器输出的光束分为两路，一路入射至用于功率放大的激光放大模块；所述激光放大模块输出的光束经过激光发射口入射至激光加工系统；空间光调制器输出的另一路光束入射至用于实时采集光场分布的波前传感器；所述波前传感器和空间光调制器均连接至控制电路，所述控制电路用于向控制空间光调制器传输预设的光场分布；同时用于将波前传感器实时采集得到的光场分布与预设的光场分布进行比较，进而控制空间光调制器对入射光的调控，本发明能够实现高灵活性、高功率、高精度的柔性激光加工。

Description

一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头及其使用方法

技术领域

本发明属于激光放大及激光应用技术领域，特别涉及一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头及其使用方法

背景技术

当前，在高端制造领域，激光加工由于其高精度、高效率的特性占了重要的地位，而激光加工头作为激光加工系统中的重要辅助部件，在激光加工过程中起着至关重要的作用。目前的激光加工头按光斑是否可运动可分为固定式激光加工头与扫描振镜两种，其中固定式激光加工头的光路设计简单，可辅助吹气加工，但加工轨迹只能由运动平台规划，加工效率较慢；而扫描振镜的加工轨迹由振镜内电机规划，加工速度快，效率高，但光路设计复杂，且无法实现同轴吹气加工。并且，当前的激光加工头在进行光场调控时均需要重新设计光路，且不同光场分布的激光加工头不能很好的融合在同一加工头中，并且扫描振镜和固定式激光加工头均具有各自的特点，在不同场合具有不同的应用，而当前的激光头均只能符合其中一种，无法兼顾其优点，无法满足许多激光加工的需求，并且大大增加了成本。除此之外，当前入射至激光加工头前的光场分布往往无法实时观测，最终入射至加工面上的激光光束的光场分布不明，无法判断是否满足加工需求。因此，需要一种可以灵活进行光场调控、高效率、多功能的激光加工头来满足激光加工中应用场合多变，加工条件多变的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头及使用方法，解决了现有技术中存在的上述不足。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，包括壳体，所述壳体上开设有激光入射口和激光发射口；所述壳体的内腔中设置有空间光调制器，激光通过激光入射口入射至空间光调制器，空间光调制器输出的光束分为两路，一路入射至用于功率放大的激光放大模块；所述激光放大模块输出的光束经过激光发射口入射至激光加工系统；空间光调制器输出的另一路光束入射至用于实时采集光场分布的波前传感器；所述波前传感器和空间光调制器均连接至控制电路，所述控制电路用于向控制空间光调制器传输预设的光场分布；同时用于将波前传感器实时采集得到的光场分布与预设的光场分布进行比较，进而控制空间光调制器对入射光的调控。

优选地，所述激光放大模块采用光参量放大法、非线性放大法或行波放大法对入射光束的功率进行放大。

优选地，当所述激光放大模块采用行波放大法时，包括第二反射镜、λ/4波片、泵浦冷却源、泵浦源、增益介质、偏振分束镜和第三反射镜，其中，所述4f系统输出的光束入射至第三反射镜，第三反射镜输出的光束依次经过偏振分束镜、增益介质、泵浦源、泵浦冷却源和λ/4波片入射至第二反射镜；所述第二反射镜输出的反射光束依次经过λ/4波片、泵浦冷却源、泵浦源和增益介质入射至偏振分束镜；所述偏振分束镜输出的光束经过激光发射口入射至激光加工系统。

优选地，所述空间光调制器输出的光束入射至4f系统，所述4f系统输出的光束分为两路，一路入射至波前传感器，另一路入射至激光放大模块

优选地，所述4f系统输出的光束入射至二向色镜，二向色镜输出的一部分光束入射至波前传感器；剩余部分光束入射至激光放大模块。

优选地，4f系统由第一透镜、空间滤波器和第二透镜组成，其中，第一反射镜输出的光束依次经过第二透镜和空间滤波器入射至第一透镜。

优选地，所述空间光调制器为相位型空间光调制器、振幅型空间光调制器或混合型空间光调制器。

一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头的使用方法，基于所述的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，包括以下步骤：

根据预设的光场分布对入射的激光进行光场调控，得到调控后的光束；

将调控后的光束进行功率放大处理，得到功率放大的光束；之后将功率放大的光束入射至激光加工系统进行激光加工；

同时，对调控后的传输中的光场分布进行实时采集，之后将采集到的光场分布与预设的光场分布进行比对，之后根据比对结果对入射的激光进行光场调控。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，通过空间光调制器对入射激光光束进行光场调控，将调控后的光束进行功率放大，实现高功率的预设激光光场分布，出口处可连接激光加工系统，满足多种激光加工需求；同时，利用波前传感器实时采集传输中的光场分布情况，之后与预设的光场分布进行对比，根据对比结果控制对入射光的调控，用以实现高灵活性、高功率、高精度的柔性激光加工。

本发明提供的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，可实现对入射光场进行任意光场调控，在提升加工效率、增强加工质量方面具有显著优势；并且采用波前传感器进行实时观测光场调控后的光场分布，进一步监测并反馈系统工作状态；为解决空间光调制器的损失阈值低问题，进一步采用激光放大模块对调控后光场分布进行放大，以增加激光加工能量，从而适用于高硬脆材料的加工；整个加工头可灵活应用于各个加工场合，后续可灵活根据应用需求接入加工系统，并且可根据光场加工需求灵活改变光场，为激光材料加工的工艺优化提供了新方法、新理念，在激光材料加工等领域具有显著的高加工效率、精加工质量、宽加工适用性等优势。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构图；

图2是本发明实施例的系统外形图；

图3是本发明实施例的部件结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

为解决当前激光加工头技术中功能单一、加工效率低、灵活性差、无反馈等问题，本发明提供了一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头及使用方法，通过空间光调制器对入射激光光束进行光场调控，并利用波前传感器实时监测光场分布情况，将调控后的光束进行功率放大，实现高功率的预设激光光场分布，出口处可连接扫描振镜或固定式激光加工头等加工系统，满足多种激光加工需求，并且通过控制电路可以与计算机通信，实时控制并监测激光传输，可以实现高灵活性、高功率、高精度的柔性激光加工。

如图1所示，本发明提供的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，基本元件包括加工头外壳1、λ/2波片2、第一反射镜3、加工头盖4、空间光调制器5、控制电路6、第二反射镜7、λ/4波片8、泵浦冷却源9、泵浦源10、增益介质11、偏振分束镜12、波前传感器13、第三反射镜14、二向色镜15、第一透镜16、空间滤波器17、第二透镜18、固定架19和扩束镜20，其中：激光依次入射至扩束镜20、λ/2波片2和空间光调制器5，经过空间光调制器对入射激光进行光场调控。

空间光调制器5输出的光束入射至第一反射镜3，所述第一反射镜3通过固定架19固定在加工头外壳1的内腔中。

所述第一反射镜3输出的光束入射至4f系统进行空间滤波，进而提高再现光场的质量。

所述4f系统由第一透镜16、空间滤波器17和第二透镜18组成，其中，第一反射镜3输出的光束依次经过第二透镜18和空间滤波器1入射至第一透镜16。

所述第一透镜16输出的光束入射至二向色镜15，经过二向色镜15进行分束，分束后的一部分光束入射至波前传感器13，通过波前传感器实时采集光场分布；剩余部分光束入射至激光放大模块进行功率放大，以减少入射激光经调控后的光场能量损失，获取高功率的任意光场分布。

所述激光放大模块包括第二反射镜7、λ/4波片8、泵浦冷却源9、泵浦源10、增益介质11、偏振分束镜12和第三反射镜14，其中，剩余部分光束入射至第三反射镜14，第三反射镜14输出的光束依次经过偏振分束镜12、增益介质11、泵浦源10、泵浦冷却源9和λ/4波片8，入射至第二反射镜7；所述第二反射镜7输出的反射光束依次经过λ/4波片8、泵浦冷却源9、泵浦源10和增益介质11入射至偏振分束镜12。

所述偏振分束镜12输出的光束入射至激光加工系统。

所述空间光调制器5和波前传感器13还连接有控制电路6，所述控制电路6用于向控制空间光调制器5传输预设的光场分布；空间光调制器5用于对入射光进行任意光场整形，用以得到预设光场分布；所述波前传感器13用于实时采集经过空间光调制器5调控的光场分布，并将得到的光场分布传输至控制电路6，通过控制电路6将实时采集得到的光场分布传输至计算机，用于与预设的光场分布进行比较，进而控制空间光调制器5对入射光的调控。

所述的空间光调制器5为相位型空间光调制器、振幅型空间光调制器或混合型空间光调制器。

所述的泵浦源10为灯泵浦或者半导体泵浦。

所述的增益介质11为光纤增益介质、激光晶体增益介质、二氧化碳增益介质或液体增益介质。

所述的激光放大模块的泵浦方式为端泵或侧泵。

所述的激光放大模块的放大方法为光参量放大、非线性放大或行波放大。

本发明的工作原理：

将该激光加工头与激光加工系统连接，其激光入射端与出射端如图2所示；

控制电路6与计算机通信，用户可通过计算机加载全息图至空间光调制器5上，实现任意光场调控；

波前传感器13实时采集激光传输中的光场分布，并将采集到的光场分布与预设的光场分布进行比对，并将对比结果反馈控制系统；

将调控后的激光入射至激光放大模块，泵浦源10用于产生放大的必要条件，增益介质用于对激光进行能量放大，λ/4波片用于改变激光偏振状态，偏振分束镜12与第二反射镜7用于输出高功率激光；

用户根据使用需求选择在出口出连接固定式激光加工头或扫描振镜等加工系统，调控后的光场经放大后入射至激光加工系统中用于激光加工；

用户可实时观测光场分布，并且在加工过程中可实时切换激光光场分布，以满足不同激光加工的需求。

尽管本说明书中较多地使用了加工头外壳1，λ/2波片2，第一反射镜3，加工头盖4，空间光调制器5，控制电路6，第二反射镜7，λ/4波片8，泵浦冷却源9，10、泵浦源10，增益介质11，偏振分束镜12，波前传感器13，第三反射镜14，二向色镜15，第一透镜16，空间滤波器17，第二透镜18，固定架19，扩束镜20，激光放大模块，4f系统，固定式激光加工头，扫描振镜，但并不排除使用其他术语地可能性，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述本发明地本质，把他们解释成任何一种附加地限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含于在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，其特征在于，包括壳体，所述壳体上开设有激光入射口和激光发射口；所述壳体的内腔中设置有空间光调制器(5)，激光通过激光入射口入射至空间光调制器(5)，空间光调制器(5)输出的光束分为两路，一路入射至用于功率放大的激光放大模块；所述激光放大模块输出的光束经过激光发射口入射至激光加工系统；空间光调制器(5)输出的另一路光束入射至用于实时采集光场分布的波前传感器(13)；所述波前传感器(13)和空间光调制器(5)均连接至控制电路(6)，所述控制电路(6)用于向控制空间光调制器(5)传输预设的光场分布；同时用于将波前传感器(13)实时采集得到的光场分布与预设的光场分布进行比较，进而控制空间光调制器(5)对入射光的调控。

2.根据权利要求1所述的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，其特征在于，所述激光放大模块采用光参量放大法、非线性放大法或行波放大法对入射光束的功率进行放大。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，其特征在于，当所述激光放大模块采用行波放大法时，包括第二反射镜(7)、λ/4波片(8)、泵浦冷却源(9)、泵浦源(10)、增益介质(11)、偏振分束镜(12)和第三反射镜(14)，其中，所述4f系统输出的光束入射至第三反射镜(14)，第三反射镜(14)输出的光束依次经过偏振分束镜(12)、增益介质(11)、泵浦源(10)、泵浦冷却源(9)和λ/4波片(8)入射至第二反射镜(7)；所述第二反射镜(7)输出的反射光束依次经过λ/4波片(8)、泵浦冷却源(9)、泵浦源(10)和增益介质(11)入射至偏振分束镜(12)；所述偏振分束镜(12)输出的光束经过激光发射口入射至激光加工系统。

4.根据权利要求1所述的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，其特征在于，所述空间光调制器(5)输出的光束入射至4f系统，所述4f系统输出的光束分为两路，一路入射至波前传感器(13)，另一路入射至激光放大模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，其特征在于，所述4f系统输出的光束入射至二向色镜(15)，二向色镜(15)输出的一部分光束入射至波前传感器(13)；剩余部分光束入射至激光放大模块。

6.根据权利要求4所述的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，其特征在于，4f系统由第一透镜(16)、空间滤波器(17)和第二透镜(18)组成，其中，第一反射镜(3)输出的光束依次经过第二透镜(18)和空间滤波器(1)入射至第一透镜(16)。

7.根据权利要求1所述的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，其特征在于，所述空间光调制器(5)为相位型空间光调制器、振幅型空间光调制器或混合型空间光调制器。

8.一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头的使用方法，其特征在于，基于权利要求1-7中任一项所述的一种基于光场调控的柔性多光束激光加工头，包括以下步骤：

根据预设的光场分布对入射的激光进行光场调控，得到调控后的光束；

将调控后的光束进行功率放大处理，得到功率放大的光束；之后将功率放大的光束入射至激光加工系统进行激光加工；

同时，对调控后的传输中的光场分布进行实时采集，之后将采集到的光场分布与预设的光场分布进行比对，之后根据比对结果对入射的激光进行光场调控。

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