CN112975171A - 一种超快激光微孔旋切加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于道威棱镜的贝塞尔激光光束旋切打孔装置。所述一种超快激光旋切打孔装置，包括超快激光器、激光光束能量分布转换系统、激光入射方位调节系统、激光偏振态平衡系统、旋转光学系统、平衡光学系统和贝塞尔激光束动态聚焦系统。其中激光入射方位调节系统选用三块楔形棱镜组成，在保持较低加工成本的同时极大的提升了加工精度；采用激光光束能量分布转换系统和贝塞尔激光束动态聚焦系统联合组成一种可适用于道威棱镜的贝塞尔光束实现系统；并且本发明利用贝塞尔光束进行激光旋切微孔加工，相比于现有的微孔加工方式，有效提高了所加工微孔的精度，增加了其锥度可控性，并且提高了所能加工微孔的深径比。

Description

一种超快激光微孔旋切加工装置
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于道威棱镜的贝塞尔超快激光光束的旋切打孔装置。
背景技术
随着制造技术以及微流体技术的发展，数十或者数百微米直径尺寸微孔或微孔阵列广泛应用于航空航天、能源、汽车制造等众多领域，并且随着相关性能要求的提高，其对于微孔制造的尺寸、精度、形貌以及深径比提出了更高层次的要求。传统的机械加工、放电加工、电化学加工等加工手段受制于加工尺寸、材料选择性以及精度的限制已不再适用于如今对于微孔制造的要求，相比于传统的加工方式，激光加工有着更高的加工效率、更小的加工特征尺寸以及对加工材料无选择性，因此利用激光技术加工微孔已经成为微孔制造的主要方式。
超快激光(激光脉宽<10ps)具有极高的峰值功率和超短的脉冲宽度，在加工制造过程中具有热影响区小，所加工形貌质量高，并且可以加工高温合金、宝石、陶瓷、玻璃等硬脆、难加工的材料，对所加工材料无选择性，同时又具有非接触和效率高的优势，使得超快激光加工成为微纳加工制造方式的不二之选。但由于传统的超快激光加工所采用的激光光束能量分布为激光器所直接射出的高斯型能量分布激光束，由于高斯型激光束在聚焦时，聚焦光斑越小，其发散角就越大，并且其瑞利半径就越小。而在微孔加工制造过程中，激光聚焦光斑处光束的发散角越大，所加工微孔的锥度就越大；激光光束聚焦处的瑞利半径越小，其所能加工微孔的深径比就越小。
利用激光旋切加工可以解决激光微孔加工中微孔孔径不可调的问题，目前多采用楔形棱镜组合的方式和道威棱镜的方式来实现激光旋切加工微孔，但这种方式依然无法解决所加工微孔的锥度不可控问题，并且不能加工出较大深径比的微孔；并且传统的基于道威棱镜的激光旋切加工系统在改变激光与材料之间的入射角度时，采用平移反射镜的方法来实现此功能，由于加工过程中所需改变的反射镜位移较小，因此利用此种方法来实现激光与材料之间的入射角度时其精度较差，所加工微孔的尺寸精度也随之较差；为解决激光微孔加工过程中微孔锥度的问题以及提高所加工微孔的深径比，相关研究人员提出利用贝塞尔光束进行微孔加工，但贝塞尔光束的实现受制于目前贝塞尔光束转换系统的影响，无法适用于基于道威棱镜的激光旋切微孔加工系统，因此目前的激光微孔旋切装置无法有效利用贝塞尔光束进行微孔加工。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种超快激光微孔旋切加工装置，克服现有技术中微孔的锥度问题、激光入射角度控制精度问题以及无法实现大深径比微孔加工的缺陷。
(二)技术方案
为了加工出更高形貌质量、更小锥度和更大深径比的微孔，解决上述问题，本发明提供一种超快激光微孔旋切加工装置，包括超快激光器、激光光束能量分布转换系统、激光入射方位调节系统、激光偏振态平衡系统、旋转光学系统、平衡光学系统和贝塞尔激光束动态聚焦系统；
所述超快激光器可以出射高斯能量分布的超快激光束，并且激光束依次通过所述激光光束能量分布转换系统、所述激光入射方位调节系统、所述激光偏振态平衡系统、所述旋转光学系统、所述平衡光学系统和贝塞尔激光束动态聚焦系统，最终作用于靶材上通过旋切的方式实现微孔加工；
所述激光光束能量分布转换系统与所述贝塞尔激光束动态聚焦系统相结合在激光聚焦位置形成贝塞尔光束，并且所述激光光束能量分布转换系统在实现激光束能量重新分布后仍能保持激光束的高度方向性；
所述激光偏振态平衡系统用于调节激光束的偏振态；
所述旋转光学系统用于使激光光束可以绕着主光轴进行快速旋转；
所述平衡光学系统用于平衡因光学元件的装配误差造成的光轴偏移；
所述激光动态聚焦系统用于实现在加工过程中激光焦点位置的改变。
其中，所述激光光束能量分布调节系统包括激光扩束准直系统、第一镜片和第二镜片。
其中，所述第一镜片和第二镜片为同轴放置的轴锥棱镜。
其中，所述激光入射方位调节系统包括第三镜片、第四镜片和第五镜片，所述第三镜片、第四镜片和第五镜片均与主光轴同轴放置。
其中，所述第三镜片、第四镜片和第五镜片均为楔形棱镜，并且所述第四镜片和第五镜片承中心对称放置。
其中，所述旋转光学系统由装配在空心电机内部的道威棱镜组成。
其中，所述激光偏振态平衡系统包括一块固定的半波片和一块随旋转光学系统一起运动的半波片。
其中，所述平衡光学系统由三块楔形棱镜组成，三块楔形棱镜均与主光轴同轴放置，并且后两块楔形棱镜呈中心对称放置。
其中，所述激光动态聚焦系统由可以同时在光轴方向上运动的聚焦凸透镜和轴锥棱镜组成。
(三)有益效果
与现有的激光微孔加工装置相比，本发明具有如下优点：
本发明提供一种超快激光微孔旋切装置，包括激光光束能量分布转换系统、激光入射方位调节系统、激光偏振态平衡系统、旋转光学系统、平衡光学系统和贝塞尔激光束动态聚焦系统。该发明中，用于调节激光与材料之间入射方位的激光入射方位调节系统由三块楔形棱镜构成，与现有的基于道威棱镜的激光旋切打孔装置中由一块反射镜和一块楔形棱镜所组成的激光入射方位调节系统相比，该结构在保持较低成本的同时提高了其运动控制精度，在激光旋切微孔过程易于调节激光相对于靶材时的入射角；该发明亦采用了由两块半波片组成的激光偏振态平衡系统，与传统的激光微孔旋切系统相比，该发明可以有效调节入射激光的偏振状态，有效消除因激光的偏振态所造成的加工误差；该发明相比于传统的贝塞尔光束生成光路，采用两块轴锥棱镜改变激光束的能量分布并使其可以在保持激光束能量分布的情况下保持高度方向性，然后再采用轴锥棱镜和聚焦透镜相结合的方式在激光束腰处形成贝塞尔光束，并且采用动态调焦系统可以使其聚焦位置发生改变而适用于较高深径比的微孔加工；该发明相比于传统的激光微孔旋切装置相比，采用贝塞尔光束作为加工光束，由于贝塞尔光束相比于传统的高斯光束，其线焦性、方向性好，光斑尺寸及强度不随传播距离变化，并且光束遇障碍物后可以自修复的特性，使得该激光微孔加工装置所加工微孔形貌质量好，锥度可控性更好，使得所加工微孔形貌质量更高，并且由于贝塞尔光束的线焦性使得该激光微孔加工装置可以加工更大深径比的微孔。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种超快激光微孔旋切装置的结构示意图；
图2为本发明一种超快激光微孔旋切装置中实现贝塞尔光束加工的光路示意图；
图3为本发明一种超快激光微孔旋切装置中激光入射方位调节系统中通过楔形棱镜调节激光入射角度示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
下面将结合附图对根据本发明公开实施例的通孔的激光加工方法进行详细的描述。
请参照图1和图2，图1为本发明一种超快激光微孔旋切装置的结构示意图，图2为本发明一种超快激光微孔旋切装置中实现贝塞尔光束加工的光路示意图。
本发明提供一种超快激光微孔旋切装置，包括超快激光器10、激光光束能量分布转换系统20、激光入射方位调节系统30、激光偏振态平衡系统40、旋转光学系统50、平衡光学系统60和贝塞尔激光束动态聚焦系统70。
所述超快激光器10可以出射高斯能量分布的超快激光束，并且激光束依次通过所述激光光束能量分布转换系统20、所述激光入射方位调节系统30、所述激光偏振态平衡系统40、所述旋转光学系统50、所述平衡光学系统60和贝塞尔激光束动态聚焦系统70，最终作用于靶材上通过旋切的方式实现微孔精密加工。
所述激光光束能量分布转换系统20与所述贝塞尔激光束动态聚焦系统70相结合在激光聚焦位置形成贝塞尔光束，并且所述激光光束能量分布转换系统20在实现激光束能量重新分布后仍能保持激光束的高度方向性；
所述激光光束能量分布转换系统20用于使激光器所出射激光光束能量满足作用于后续系统时，可以实现贝塞尔光束加工；
所述激光入射方位调节系统30用于调节激光与靶材之间的相互作用位置与角度；
所述激光偏振态平衡系统40用于调节激光束的偏振态；
所述旋转光学系统50用于使激光光束可以绕着主光轴进行快速旋转；
所述平衡光学系统60用于平衡因光学元件的装配误差造成的光轴偏移；
所述激光动态聚焦系统70用于实现在加工过程中激光焦点位置的改变。
其中，所述激光光束能量分布调节系统20包括激光扩束准直系统21、第一镜片22和第二镜片23。
其中，所述第一镜片22和第二镜片23为同轴放置的轴锥棱镜。
其中，参照图3，图3为本发明一种超快激光微孔旋切装置中激光入射方位调节系统中通过楔形棱镜调节激光入射角度示意图，所述激光入射方位调节系统30包括第三镜片31、第四镜片32和第五镜片33，所述第三镜片31、第四镜片32和第五镜片33均与主光轴同轴放置。
其中，所述第三镜片31、第四镜片32和第五镜片33均为楔形棱镜，并且所述第三镜片31和第四镜片32呈中心对称放置。
其中，所述旋转光学系统50由装配在空心电机内部的道威棱镜组成。
其中，所述激光偏振态平衡系统40包括一块固定的半波片41和一块随旋转光学系统一起运动的半波片42。
其中，所述平衡光学系统60由三块楔形棱镜61、62、63组成，三块楔形棱镜均61、62、63与主光轴同轴放置，并且后两块楔形棱镜62、63呈中心对称放置。
其中，所述激光动态聚焦系统70由可以同时在光轴方向上运动的聚焦凸透镜72和轴锥棱镜71组成。
使用基于道威棱镜的超快贝塞尔激光旋切微孔加工装置可以有效的解决传统的激光旋切打孔的相关问题，与传统的激光旋切打孔方法相比，该发明中，用于调节激光与材料之间入射方位的激光入射方位调节系统由三块楔形棱镜构成，与以往的由一块反射镜和一块楔形棱镜所组成的激光入射方位调节系统相比，该结构在保持较低成本的同时提高了其运动控制精度，在激光旋切微孔过程易于调节激光相对于靶材时的入射角；该发明亦采用了由两块半波片组成的激光偏振态平衡系统，与传统的激光微孔旋切系统相比，该发明可以有效调节入射激光的偏振状态，有效消除因激光的偏振态所造成的加工误差；该发明相比于传统的贝塞尔光束生成光路，采用两块轴锥棱镜改变激光束的能量分布并使其可以在保持激光束能量分布的情况下保持高度方向性，然后再采用轴锥棱镜和聚焦透镜相结合的方式在激光束腰处形成贝塞尔光束，并且采用动态调焦系统可以使其聚焦位置发生改变而适用于较高深径比的微孔加工；该发明相比于传统的激光微孔旋切装置相比，采用贝塞尔光束作为加工光束，由于贝塞尔光束相比于传统的高斯光束，其线焦性、方向性好，光斑尺寸及强度不随传播距离变化，并且光束遇障碍物后可以自修复的特性，使得该激光微孔加工装置所加工微孔形貌质量好，锥度可控性更好，使得所加工微孔形貌质量更高，并且由于贝塞尔光束的线焦性使得该激光微孔加工装置可以加工更大深径比的微孔。
本发明中使用的表述“示例性实施例”、“示例”等不是指同一实施例，而是被提供来着重描述不同的特定特征。然而，上述示例和示例性实施例不排除他们与其他示例的特征相组合来实现。例如，即使在另一示例中未提供特定示例的描述的情况下，除非另有陈述或与其他示例中的描述相反，否则该描述可被理解为与另一示例相关的解释。
本发明中使用的术语仅用于示出示例，而无意限制本发明。除非上下文中另外清楚地指明，否则单数表述包括复数表述。
虽然以上示出并描述了示例实施例，但对本领域技术人员将明显的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可做出变型和改变。

Claims (9)

1.一种超快激光微孔旋切加工装置，其特征在于：该超快激光微孔旋切加工装置包括超快激光器、激光光束能量分布转换系统、激光入射方位调节系统、激光偏振态平衡系统、旋转光学系统、平衡光学系统和贝塞尔激光束动态聚焦系统；
所述超快激光器可以出射高斯能量分布的超快激光束，并且激光束依次通过所述激光光束能量分布转换系统、所述激光入射方位调节系统、所述激光偏振态平衡系统、所述旋转光学系统、所述平衡光学系统和贝塞尔激光束动态聚焦系统，最终作用于靶材上通过旋切的方式实现微孔加工；
所述激光光束能量分布转换系统与所述贝塞尔激光束动态聚焦系统相结合在激光聚焦位置形成贝塞尔光束，并且所述激光光束能量分布转换系统在实现激光束能量重新分布后仍能保持激光束的高度方向性；
所述激光偏振态平衡系统用于调节激光束的偏振态；
所述旋转光学系统用于使激光光束可以绕着主光轴进行快速旋转；
所述平衡光学系统用于平衡因光学元件的装配误差造成的光轴偏移；
所述激光动态聚焦系统用于实现在加工过程中激光焦点位置的改变。
2.根据权利要求1所述的一种微孔激光旋切加工装置，其特征在于：所述激光光束能量分布调节系统包括激光扩束准直系统、第一镜片和第二镜片。
3.根据权利要求2所述的一种微孔激光旋切加工装置，其特征在于：所述第一镜片和第二镜片为同轴放置的轴锥棱镜。
4.根据权利要求1所述的一种微孔激光旋切加工装置，其特征在于：所述激光入射方位调节系统包括第三镜片、第四镜片和第五镜片，所述第三镜片、第四镜片和第五镜片均与主光轴同轴放置。
5.根据权利要求4所述的一种微孔激光旋切加工装置，其特征在于：所述第三镜片、第四镜片和第五镜片均为楔形棱镜，并且所述第三镜片和第四镜片呈中心对称放置。
6.根据权利要求1所述的一种微孔激光旋切加工装置，其特征在于：所述旋转光学系统由装配在空心电机内部的道威棱镜组成。
7.根据权利要求1和6所述的一种微孔激光旋切加工装置，其特征在于：所述激光偏振态平衡系统包括一块固定的半波片和一块随旋转光学系统一起运动的半波片。
8.根据权利要求1所述的一种微孔激光旋切加工装置，其特征在于：所述平衡光学系统由三块楔形棱镜组成，三块楔形棱镜均与主光轴同轴放置，并且后两块楔形棱镜呈中心对称放置。
9.根据权利要求1所述的一种微孔激光旋切加工装置，其特征在于：所述激光动态聚焦系统由可以同时在光轴方向上运动的聚焦凸透镜和轴锥棱镜组成。
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