CN112247378A - 一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统，包括沿光路依次设置的激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元，其中，激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元位于同一中轴线；激光束偏转单元包括偏转透镜，偏转透镜的光束入射端端面为平面结构，其光束出射端端面为圆锥面，且圆锥面的母线与偏转透镜的光束入射端端面呈一定角度；聚焦单元和激光束偏转单元的相对距离可调。另外，本发明还提供了采用上述光学系统的微孔加工方法。该发明通过各个光学元件之间的配合，获得能量分布在边缘，可满足不同孔径和锥度的微孔的加工要求的环形激光束，有效解决了现有环形光斑半径调节较小，难以满足不同加工要求的问题。

Description

一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统及加工方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统及加工方法。
背景技术
激光打孔在很多领域都有广泛的应用，如何做到打出的孔符合需要的孔径，达到想要的锥度，就是激光打孔需要考虑的主要问题。目前主流的打孔方式是旋切打孔方式，即使用光学装置偏转激光然后通过旋转的方式来实现钻孔，其使用的激光束主要为高斯分布，能量集中在中心区域，而在激光焊接、激光钻孔、激光切割等加工领域，高斯光束并不能满足所有的加工需求，过短焦深加工深孔以及切割材料时会出现较大的锥度和斜面，高斯分布的激光束边缘区域的能量较弱，但依旧会对加工材料产生影响，在加工材料时会产生热累积，进而造成加工边缘存在毛刺，烧灼严重等问题。
使用环形光斑可以有效的解决这一问题，环形光斑相对于高斯分布的激光束，其能量均匀分布在边缘，可以有效避免由于边缘能量不足而产生加工边缘不平整的情况。现有的产生环形光斑的技术主要有基于计算全息法产生组合环形光斑，计算全息原则上可以设计产生含组合环形光斑在内的任意光斑，但由于计算全息一般使用离轴一级衍射光，再加上损耗等因素，所以光能利用率较低，因而相对使用较少；另一种是采用基于光纤实现的可调光斑模式的激光器来产生组合环形光斑，这种方法在光纤内实现光斑分布模式的调节的难度和成本较大，由于无可调节的外部光路，在使用的灵活性、便捷性上有所欠缺。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中环形光斑分布模式的调节的难度和成本较大，难以满足不同加工要求的问题。
为此，本发明提供了一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统，包括沿光路依次设置的激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元，其中，
所述激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元位于同一中轴线，激光束沿此中轴线入射；
所述激光束整形单元用于对激光束进行整形，将入射的平行光束变为收束或者发散的光束，从而改变出射光斑大小；
所述激光束偏转单元包括偏转透镜，所述偏转透镜的光束入射端端面为平面结构，其光束出射端端面为圆锥面，且圆锥面的旋转轴与经激光束整形单元整形后的激光束中心重合，圆锥面的母线与偏转透镜的光束入射端端面呈一定角度；经激光束整形单元整形后的激光束由偏转透镜的平面端面入射，经圆锥面偏转后使激光束的能量变为环形分布，并具有一定的偏转角度；
所述聚焦单元用于对环形激光束进行聚焦，得到能量集中的环形光斑；所述聚焦单元和激光束偏转单元的相对距离可调。
进一步的，在激光束整形单元之前还设置有激光器，该激光器出射光强呈高斯分布的平行激光束，且激光器和激光束整形单元之间还设置有用于使激光器出射的激光束沿激光束整形单元的中轴线射入的反射镜，激光束的中心与激光束整形单元的中轴线重合。
进一步的，所述激光束整形单元包括一个固定的第一聚焦镜和一个可沿光路方向来回移动的第二聚焦镜，且第一聚焦镜和第二聚焦镜位于同一中轴线上。
进一步的，所述偏转透镜由圆柱体结构的透镜一和圆锥结构的透镜二组合构成，且透镜二的圆锥底面与透镜一的圆柱底面重合。
进一步的，所述聚焦单元包括配合使用的透镜组。
另外，本发明还提供了采用上述光学系统的微孔加工方法，包括如下过程：
S1、将激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元光路依次设置，且激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元位于同一中轴线，激光束沿此中轴线入射；其中，激光束整形单元包括一个固定的第一聚焦镜和一个可沿光路方向来回移动的第二聚焦镜；激光束偏转单元包括偏转透镜，所述偏转透镜的光束入射端端面为平面结构，其光束出射端端面为圆锥面，且圆锥面的旋转轴与经激光束整形单元整形后的激光束中心重合，圆锥面的母线与偏转透镜的光束入射端端面呈一定角度布置；
S2、通过控制激光束偏转单元中偏转透镜的圆锥面母线与偏转透镜的光束入射端端面所成的角度对加工的微孔孔径进行粗调，同时通过调节激光束整形单元中第一聚焦镜和第二聚焦镜的相对距离对加工的微孔孔径进行微调，从而使得微孔孔径满足加工要求；
S3、通过控制激光束偏转单元和聚焦单元的相对距离对加工的微孔锥度进行调节，满足不同锥度的微孔加工要求。
具体的，所述微孔孔径粗调的方式：偏转透镜的圆锥面母线与偏转透镜的光束入射端端面所成的角度越大，光束偏转越大，得到聚焦单元输出的环形光斑越大，从而使得加工的微孔孔径变大；反之，偏转透镜的圆锥面母线与偏转透镜的光束入射端端面所成的角度越小，得到加工的微孔孔径变小。
具体的，所述微孔孔径微调的方式：所述第一聚焦镜和第二聚焦镜的焦距分别为f1和f2，通过移动第二聚焦镜的位置控制第一聚焦镜和第二聚焦镜的相对距离d，当d＜f1＋f2时，光斑会随着d的减小而增大，当d＞f1＋f2时，光斑会随着d的增大而减小。
具体的，所述微孔锥度的调节方式：激光束偏转单元和聚焦单元的相对距离变大时，加工的微孔会形成正锥度的加工面，激光束偏转单元和聚焦单元的相对距离变小时，加工的微孔会形成负锥度的加工面， 激光束偏转单元和聚焦单元的相对距离处于临界点位置时，加工的微孔会形成无锥度的加工面。
具体的，所述第一聚焦镜和第二聚焦镜的相对距离，以及激光束偏转单元和聚焦单元的相对距离通过手动调节，或者通过由无线控制的带电源的电控系统自动调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统，其输出的是一个环形的光斑，能量均匀的分布在聚焦单元焦距处的环形光斑上，相对于直接使用光强为高斯分布的激光束进行加工，环形光斑的能量均匀分布在环四周，边缘区域的能量最强，不会产生由于边缘的能量弱而影响材料加工面的平整度的问题。
(2)本发明提供的这种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统进行加工的方式为环形光斑对微孔的环径同步加工，所需要的时间相对较短，而且环形光斑，能量分散在环周围，单个点的功率较小，可以有效避免使用高斯分布的激光束直接对工件进行打孔加工时功率较高时会造成崩边、背面孔边缘热反应过大、黑边等现象，同时使用的激光束功率进一步增加，可以进一步缩短加工时间。
(3)本发明提供的这种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统加工的微孔孔径由激光束偏转单元进行粗调，由激光束整形单元进行微调，可调范围广，可调精度高，微孔的锥度由激光束偏转单元与聚焦单元之间的相对距离决定，可满足各种锥度的微孔的加工要求，有效解决了现有技术中环形光斑半径调节较小，难以满足不同加工要求的问题。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例中用于实现微孔锥度可调加工的光学系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中偏转透镜的结构示意图；
图3是本发明实施例中加工的微孔孔径改变的结构示意图；
图4是本发明实施例中加工的微孔锥度改变的结构示意图。
附图标记说明：1、激光束；2、第一聚焦镜；3、第二聚焦镜；4、激光束偏转单元；5、聚焦单元；6、透镜一；7、透镜二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，本实施例提供了一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统，包括沿光路依次设置的激光束整形单元、激光束偏转单元4和聚焦单元5，其中，所述激光束整形单元、激光束偏转单元4和聚焦单元5位于同一中轴线，激光束1沿此中轴线入射，其激光束1的中心与该光学系统的中轴线的中心相吻合。
激光束整形单元用于对激光束1进行整形，将入射的平行光束变为收束或者发散的光束，从而改变出射光斑大小。具体的，所述激光束整形单元包括一个固定的第一聚焦镜2和一个可沿光路方向来回移动的第二聚焦镜3，且第一聚焦镜2和第二聚焦镜3位于同一中轴线上，从而激光束1入射的中心位于该激光束整形单元的中轴线上；而通过调节激光束整形单元中第二聚焦镜3的位置可以对输出光斑的直径进行微调，具体的，第一聚焦镜2和第二聚焦镜3的焦距分别为f1和f2，通过移动第二聚焦镜3的位置控制第一聚焦镜2和第二聚焦镜3的相对距离d，当d＜f1＋f2时，输出以小角度向内收束的激光束，经激光束偏转单元4对激光束1进行均匀分割，激光束1的能量均匀分布为环状，在经聚焦单元5进行能量的汇聚，得到一个环形光斑，同时输出的环形光斑会随着d的减小而增大，而当d＞f1＋f2时，输出的环形光斑会随着d的增大而减小。
激光束整形单元中第二聚焦镜3位置的调节可以是手动调节实现，也可以使用由无线控制的带电源的电控系统自动调节实现。
激光束偏转单元4用于对激光束整形单元整形后的光束进行偏转，从而得到能量呈环形并以一定角度向中心聚集的激光束。具体的，激光束偏转单元4包括偏转透镜，所述偏转透镜的光束入射端端面为平面结构，其光束出射端端面为圆锥面，且圆锥面的旋转轴与经激光束整形单元整形后的激光束中心重合，圆锥面的母线与偏转透镜的光束入射端端面呈一定角度；经激光束整形单元整形后的激光束由偏转透镜的平面端面入射，经圆锥面将激光束整形单元输出的发散或收束的激光束进行偏转和分光，变为收束的激光束，同时使激光束的能量变为环形分布，其中圆锥面的形状和制造材料不同，输出的环形光斑的模式和光斑大小也不同。
一种具体的实施方式，如图2所示，偏转透镜由圆柱体结构的透镜一6和圆锥结构的透镜二7组合构成，且透镜二6的圆锥底面与透镜一6的圆柱底面重合，通过调节圆锥结构的透镜二7的圆锥面和圆锥底面的角度关系可以对输出环形光斑直径进行粗调；具体的，偏转透镜的圆锥面母线与偏转透镜的光束入射端端面所成的角度越大，光束偏转越大，得到聚焦单元输出的环形光斑越大，从而使得加工的微孔孔径变大；反之，偏转透镜的圆锥面母线与偏转透镜的光束入射端端面所成的角度越小，得到加工的微孔孔径变小。
如图3所示，通过控制激光束偏转单元4中偏转透镜的圆锥面母线与偏转透镜的光束入射端端面所成的角度对加工的微孔孔径进行粗调，同时配合调节激光束整形单元中第一聚焦镜2和第二聚焦镜3的相对距离对加工的微孔孔径进行微调，使得微孔孔径满足加工要求，可调范围广，且可调精度高。
聚焦单元5用于对环形激光束进行聚焦，得到能量集中的环形光斑，聚焦单元5包括配合使用的透镜组；所述聚焦单元5和激光束偏转单元4的相对距离可调，其相对距离会影响到微孔加工面的锥度，通过控制激光束偏转单元4和聚焦单元5的相对距离对加工的微孔锥度进行调节，可满足不同锥度的微孔加工要求。具体的，如图4所示，激光束偏转单元4和聚焦单元5的相对距离变大时，加工的微孔会形成正锥度的加工面，激光束偏转单元4和聚焦单元5的相对距离变小时，加工的微孔会形成负锥度的加工面， 激光束偏转单元4和聚焦单元5的相对距离处于临界点位置时，加工的微孔会形成无锥度的加工面，该临界点位置可通过调试得到。
而激光束偏转单元4和聚焦单元5的相对距离的改变主要通过调节激光束偏转单元4的位置实现，激光束偏转单元4位置的调节亦可以是手动调节实现，也可以使用由无线控制的带电源的电控系统自动调节实现。
当第一聚焦镜2和第二聚焦镜3的相对距离，以及激光束偏转单元4和聚焦单元5的相对距离均通过由无线控制的带电源的电控系统自动调节时，可以在加工微孔过程中实时控制孔径和锥度，加工复杂结构的微孔，扩大了其应用范围。
进一步优化的实施方式，在激光束整形单元之前还设置有激光器，该激光器出射光强呈高斯分布的平行激光束，且激光器和激光束整形单元之间还设置有用于使激光器出射的激光束沿激光束整形单元的中轴线射入的反射镜，激光束的中心与激光束整形单元的中轴线重合。
综上所述，本发明提供的这种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统通过各个光学元件之间的组合，获得一种能量分布在边缘，可以直接用于微型圆孔加工、异性孔加工以及切割的环形激光束，同时通过控制激光束整形单元、激光束偏转单元、聚焦单元的相对位置关系，可满足不同孔径和锥度的微孔的加工要求，有效解决了现有技术中环形光斑半径调节较小，难以满足不同加工要求的问题，而且可调范围广，可调精度高。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元，其中，
所述激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元位于同一中轴线，激光束沿此中轴线入射；
所述激光束整形单元用于对激光束进行整形，将入射的平行光束变为收束或者发散的光束，从而改变出射光斑大小；
所述激光束偏转单元包括偏转透镜，所述偏转透镜的光束入射端端面为平面结构，其光束出射端端面为圆锥面，且圆锥面的旋转轴与经激光束整形单元整形后的激光束中心重合，圆锥面的母线与偏转透镜的光束入射端端面呈一定角度；经激光束整形单元整形后的激光束由偏转透镜的平面端面入射，经圆锥面偏转后使激光束的能量变为环形分布，并具有一定的偏转角度；
所述聚焦单元用于对环形激光束进行聚焦，得到能量集中的环形光斑；所述聚焦单元和激光束偏转单元的相对距离可调。
2.如权利要求1所述的一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统，其特征在于：在激光束整形单元之前还设置有激光器，该激光器出射光强呈高斯分布的平行激光束，且激光器和激光束整形单元之间还设置有用于使激光器出射的激光束沿激光束整形单元的中轴线射入的反射镜，激光束的中心与激光束整形单元的中轴线重合。
3.如权利要求1所述的一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统，其特征在于：所述激光束整形单元包括一个固定的第一聚焦镜和一个可沿光路方向来回移动的第二聚焦镜，且第一聚焦镜和第二聚焦镜位于同一中轴线上。
4.如权利要求1所述的一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统，其特征在于：所述偏转透镜由圆柱体结构的透镜一和圆锥结构的透镜二组合构成，且透镜二的圆锥底面与透镜一的圆柱底面重合。
5.如权利要求1所述的一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统，其特征在于：所述聚焦单元包括配合使用的透镜组。
6.采用如权利要求1～5任一项光学系统的微孔加工方法，其特征在于，包括如下过程：
S1、将激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元光路依次设置，且激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元位于同一中轴线，激光束沿此中轴线入射；其中，激光束整形单元包括一个固定的第一聚焦镜和一个可沿光路方向来回移动的第二聚焦镜；激光束偏转单元包括偏转透镜，所述偏转透镜的光束入射端端面为平面结构，其光束出射端端面为圆锥面，且圆锥面的旋转轴与经激光束整形单元整形后的激光束中心重合，圆锥面的母线与偏转透镜的光束入射端端面呈一定角度布置；
S2、通过控制激光束偏转单元中偏转透镜的圆锥面母线与偏转透镜的光束入射端端面所成的角度对加工的微孔孔径进行粗调，同时通过调节激光束整形单元中第一聚焦镜和第二聚焦镜的相对距离对加工的微孔孔径进行微调，从而使得微孔孔径满足加工要求；
S3、通过控制激光束偏转单元和聚焦单元的相对距离对加工的微孔锥度进行调节，满足不同锥度的微孔加工要求。
7.如权利要求6所述的微孔加工方法，其特征在于，所述微孔孔径粗调的方式：偏转透镜的圆锥面母线与偏转透镜的光束入射端端面所成的角度越大，光束偏转越大，得到聚焦单元输出的环形光斑越大，从而使得加工的微孔孔径变大；反之，偏转透镜的圆锥面母线与偏转透镜的光束入射端端面所成的角度越小，得到加工的微孔孔径变小。
8.如权利要求6所述的微孔加工方法，其特征在于，所述微孔孔径微调的方式：所述第一聚焦镜和第二聚焦镜的焦距分别为f1和f2，通过移动第二聚焦镜的位置控制第一聚焦镜和第二聚焦镜的相对距离d，当d＜f1＋f2时，光斑会随着d的减小而增大，当d＞f1＋f2时，光斑会随着d的增大而减小。
9.如权利要求6所述的微孔加工方法，其特征在于，所述微孔锥度的调节方式：激光束偏转单元和聚焦单元的相对距离变大时，加工的微孔会形成正锥度的加工面，激光束偏转单元和聚焦单元的相对距离变小时，加工的微孔会形成负锥度的加工面， 激光束偏转单元和聚焦单元的相对距离处于临界点位置时，加工的微孔会形成无锥度的加工面。
10.如权利要求6所述的微孔加工方法，其特征在于，所述第一聚焦镜和第二聚焦镜的相对距离，以及激光束偏转单元和聚焦单元的相对距离通过手动调节，或者通过由无线控制的带电源的电控系统自动调节。
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