CN115740738A - 一种激光制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学系统技术领域，尤其涉及一种激光制造系统，包括：激光光源，激光光源用于发射激光；激光分频系统，激光分频系统包括依次设置的激光分频模块和激光分色模块，激光分频模块用于将激光光源发射的激光进行处理并产生紫外激光和可见激光，激光分色模块用于将激光分频模块处理后的光分为独立的紫外激光、可见激光和红外激光；辅助照明系统，辅助照明系统包括依次设置的激光衰减装置和调焦模块，激光衰减装置的入光侧用于接收经所述激光分色模块出射的可见激光。可以通过一个激光光源同时产生紫外激光和可见激光，同时满足激光加工和照明需求，降低系统复杂程度，降低成本，提升系统的集成度和紧凑性。

Description

一种激光制造系统

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，尤其涉及一种激光制造系统。

背景技术

现有技术中，视觉辅助在线实时成像激光制造系统主要为基于多光线主动照明的同轴激光加工监测装置，大多通过增设辅助光源增加视觉传感器的成像清晰度，以实现多光线共光路的激光制造技术及在线同轴监测技术。

现有技术中的基于主动照明的多光线共光路同轴激光加工监测装置包括激光制造单元、视觉监测模组以及辅助光源单元。其中，视觉监测模组主要用于监测激光制造单元的加工过程，辅助光源单元主要用于给视觉监测模组和激光制造单元增加光通量。除此之外还包含用于光学调整的调整模块以及用于光束调制的各光学元件。使得辅助光源可以将光束平行入射至激光加工区域，光线更加均匀，提升了视觉成像单元的成像清晰度。然而上述装置存在着如下缺陷：

（1）、通过增设辅助光源对激光加工区域实现照明，增加系统复杂度以及系统成本，且系统集成度较低；

（2）、其照明光强不满足激光高速扫描制造应用场景中视觉传感器的清晰成像需求；

（3）、该系统视觉监测模组仅用于观测激光加工区域靶材表面形貌变化，其观测信号未实现对激光制造系统的加工精度反馈调节。

发明内容

本发明提供一种激光制造系统，用以解决现有技术中的视觉辅助在线实时成像激光制造系统系统复杂、成本高的技术缺陷，实现一个激光光源的基础上同时产生可见激光束和紫外激光束，降低系统复杂程度，降低成本，提升系统的集成度和紧凑性。

本发明提供一种激光制造系统，包括：

激光光源，所述激光光源用于发射激光；

激光分频系统，所述激光分频系统包括依次设置的激光分频模块和激光分色模块，所述激光分频模块用于将所述激光光源发射的激光进行处理并产生紫外激光和可见激光，所述激光分色模块用于将所述激光分频模块处理后的光分为独立的紫外激光、可见激光和红外激光；

辅助照明系统，所述辅助照明系统包括依次设置的激光衰减装置和调焦模块，所述激光衰减装置的入光侧用于接收经所述激光分色模块出射的可见激光。

根据本发明提供的激光制造系统，所述激光分频模块包括依次设置的半波片、激光倍频装置、双波长波片和激光和频装置。

根据本发明提供的激光制造系统，所述激光分色模块包括第一分色镜和第二分色镜，所述半波片、所述激光倍频装置、所述双波长波片、所述激光和频装置、所述第一分色镜和所述第二分色镜依次设置。

根据本发明提供的激光制造系统，所述半波片与所述激光倍频装置之间设有第一激光缩束结构，所述第一激光缩束结构包括第一缩束镜片和第二缩束镜片，所述半波片、所述第一缩束镜片、所述第二缩束镜片、所述激光倍频装置、所述双波长波片和所述激光和频装置依次设置。

根据本发明提供的激光制造系统，所述调焦模块包括第一调焦镜片和第二调焦镜片，所述激光衰减装置、所述第一调焦镜片和所述第二调焦镜片依次设置。

根据本发明提供的激光制造系统，还包括视觉伺服反馈系统、光场调控系统和分光合束模块；

所述视觉伺服反馈系统包括视觉成像模块和激光扫描装置，所述视觉成像模块包括依次设置的成像装置和图像放大结构；

所述光场调控系统包括依次设置的光束整形装置和光束质量分析装置，所述光束整形装置的入光侧用于接收分色后形成的紫外激光；

所述分光合束模块包括第一分光镜、第二分光镜和第三分色镜，所述第一分光镜设置在所述调焦模块与所述图像放大结构之间，所述第二分光镜设置在所述光束整形装置与所述光束质量分析装置之间，所述第三分色镜设置在所述激光扫描装置的入光侧。

根据本发明提供的激光制造系统，所述视觉伺服反馈系统还包括用于调节待加工靶材的运动台。

根据本发明提供的激光制造系统，所述图像放大结构与所述第一分光镜之间设有衰减滤光片。

根据本发明提供的激光制造系统，所述图像放大结构包括第一图像放大镜片和第二图像放大镜片，所述成像装置、所述第一图像放大镜片和所述第二图像放大镜片依次设置。

根据本发明提供的激光制造系统，所述光束整形装置的入光侧设有第二激光缩束结构，所述第二激光缩束结构包括第三缩束镜片和第四缩束镜片，所述第三缩束镜片、所述第四缩束镜片和所述光束整形装置依次设置。

本发明提供的一种激光制造系统，通过激光分频系统中的激光分频模块和激光分色模块的作用，能够将激光光源发射的激光先经过激光分频模块分频处理产生紫外激光和可见激光，再通过激光分色模块分色使红外激光、紫外激光和可见激光分别独立，其中紫外激光可以供加工使用，可见激光可用于对加工过程进行照明，即可以通过一个激光光源同时产生紫外激光和可见激光，同时满足激光加工和照明需求，降低系统复杂程度，降低成本，提升系统的集成度和紧凑性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明提供的激光制造系统实施例的示意图；

图2是本发明提供的激光制造系统的工作示意图。

附图标记：

1、激光光源；2、半波片；3、激光倍频装置；4、双波长波片；5、激光和频装置；6、激光衰减装置；7、第一分色镜；8、第二分色镜；9、第一缩束镜片；10、第二缩束镜片；11、第一调焦镜片；12、第二调焦镜片；13、激光扫描装置；14、成像装置；15、光束整形装置；16、光束质量分析装置；17、第一分光镜；18、第二分光镜；19、第三分色镜；20、运动台；21、衰减滤光片；22、第一图像放大镜片；23、第二图像放大镜片；24、第三缩束镜片；25、第四缩束镜片；26、挡板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1和图2描述本发明的激光制造系统。

如图1所示，为本发明提供的激光制造系统实施例的示意图。本实施例的激光制造系统包括：

激光光源1，激光光源1用于发射激光，本实施例中，激光光源1采用红外激光器；

激光分频系统，激光分频系统包括激光分频模块和激光分色模块，激光分频模块包括依次设置的半波片2、激光倍频装置3、双波长波片4和激光和频装置5，激光分色模块用于将和频后的光分为红外激光、紫外激光和可见激光。本实施例中，激光倍频装置3采用LBO晶体（三硼酸锂晶体），激光和频装置5采用BBO晶体（偏硼酸钡晶体）。激光倍频装置3主要用于将一部分红外激光光束调制为可见激光光束，然后再通过激光和频装置5，将红外激光光束和可见激光光束和频产生紫外激光光束。即激光在经过激光分频模块和激光分色模块的处理后，产生的紫外激光、可见激光以及剩余的红外激光三种光束分别进入系统的不同部位。

辅助照明系统，辅助照明系统包括依次设置的激光衰减装置6和调焦模块，激光衰减装置6的入光侧用于接收分色后形成的可见激光，激光分色模块分色产生的可见激光经过激光衰减装置6和调焦模块的调节作用之后可以用于系统照明。

如图1所示，本实施例中，激光分色模块包括第一分色镜7和第二分色镜8，半波片2、激光倍频装置3、双波长波片4、激光和频装置5、第一分色镜7和第二分色镜8依次设置。和频后的激光经过第一分色镜7后，红外激光和可见激光两部分透射射入第二分色镜8中，紫外激光经第一分色镜7反射射出，红外激光和可见激光经第二分色镜8后，可见激光透射射入辅助照明系统的激光衰减装置6中，剩余的红外激光部分则被第二分色镜8反射射出。

如图1所示，本实施例中，半波片2与激光倍频装置3之间设有第一激光缩束结构，第一激光缩束结构包括第一缩束镜片9和第二缩束镜片10，半波片2、第一缩束镜片9、第二缩束镜片10、激光倍频装置3、双波长波片4和激光和频装置5依次设置。第一激光缩束结构用于将入射激光光束光斑直径缩小至激光倍频装置3和激光和频装置5特征尺寸大小，以便于对入射激光光束进行充分倍频与和频。本实施例中，第一缩束镜片9采用凸透镜，第二缩束镜片10采用凹透镜。需要说明的是，第一激光缩束结构中缩束镜片的数量不限于两片，也可以是单片或者多片，能够满足缩束需求即可。

如图1所示，本实施例中，调焦模块包括第一调焦镜片11和第二调焦镜片12，激光衰减装置6、第一调焦镜片11和第二调焦镜片12依次设置。可见激光在第一调焦镜片11和第二调焦镜片12的调焦作用后，能够保证图像的清晰度。需要说明的是，调焦镜片的数量不限于两片，也可以是单片或者多片，能够实现调焦功能即可。

如图1所示，本实施例中，激光制造系统还包括视觉伺服反馈系统、光场调控系统和分光合束模块；

视觉伺服反馈系统包括视觉成像模块和激光扫描装置13，激光扫描装置13包括但不限于激光扫描振镜、激光扫描转镜等通过改变激光光束方位角实现激光光斑相对于材料表面快速扫描的相关系统。视觉成像模块包括依次设置的成像装置14和图像放大结构，本实施例中，成像装置14采用CCD相机或CMOS相机；

光场调控系统包括依次设置的光束整形装置15和光束质量分析装置16，光束整形装置15的入光侧用于接收分色后形成的紫外激光；

分光合束模块包括第一分光镜17、第二分光镜18和第三分色镜19，第一分光镜17设置在调焦模块与图像放大结构之间，第二分光镜18设置在光束整形装置15与光束质量分析装置16之间，第三分色镜19设置在激光扫描装置13的入光侧。

如图1所示，本实施例中，视觉伺服反馈系统还包括用于调节待加工靶材的运动台20。系统工作时，靶材放置在运动台20上，可通过调节运动台20对靶材的位置进行调节，从而调节靶材与激光的相对位置。

如图1所示，本实施例中，图像放大结构与第一分光镜17之间设有衰减滤光片21。设置衰减滤光片21能够削减进入成像装置14中的光的量，使进入成像装置14中的光保持适宜状态。

如图1所示，本实施例中，图像放大结构包括第一图像放大镜片22和第二图像放大镜片23，成像装置14、第一图像放大镜片22和第二图像放大镜片23依次设置。其中，第一图像放大镜片22采用凹透镜，第二图像放大镜片23采用凸透镜。需要说明的是，图像放大结构中图像放大镜片的数量不限于两片，也可以为单片或者多片，能够满足图像放大的功能即可。

如图1所示，本实施例中，光束整形装置15的入光侧设有第二激光缩束结构，第二激光缩束结构包括第三缩束镜片24和第四缩束镜片25，第三缩束镜片24、第四缩束镜片25和光束整形装置15依次设置。第二激光缩束结构用于将分色后产生的紫外激光光束光斑直径缩小至光束整形装置15特征尺寸大小，以便于对入射的紫外激光光束进行充分调制。需要说明的是，第二激光缩束结构中缩束镜片的数量也不限于两片，也可以是单片或者多片，能够满足缩束需求即可。

如图1所示，本实施例中，还包括用于吸收分色后形成的红外激光的挡板26。

下面就本实施例的激光制造系统的工作过程进行详细阐述，请参照附图2。

激光光源1出射红外激光光束经过激光分频模块同时生成可见激光光束和紫外激光光束，以上两种光束以及残余红外激光光束通过激光分色模块分成三束激光光束，分别为：紫外激光、可见激光以及红外激光。其中残余红外激光光束照射挡板26做后处理。

可见光激光光束通过激光衰减装置6调节光强大小，然后通过调焦模块控制该可见激光在靶材加工面上的照明光斑大小，以满足后续视觉成像需求。

紫外激光光束入射进入光场调控系统，首先经过第二缩束结构将紫外激光光束缩束至光束整形装置15特征尺寸大小，再进入光束整形装置15，通过光束整形装置15将紫外激光光束调制为所需具有特殊光场分布的光束，且该光束通过光斑形貌分析模块进行能量分布检验及反馈调节。

调制后的紫外激光光束和可见激光光束同轴入射激光扫描装置13，通过对激光光束的偏转实现在激光在靶材表面的高速扫描。

同时，靶材表面形貌反射辐照光经入射光束同一路径返回，经激光扫描模块后入射视觉成像模块，通过视觉成像模块的处理反馈实时调节激光扫描模块及精密运动系统的运动精度。

通过以上的实施方式的描述，可知，本发明提供的激光制造系统具备如下优点：

（1）、系统采用激光分频技术和分色技术，将单一入射红外激光束调制为可见激光光束和紫外激光光束，同时满足激光制造系统的激光加工和辅助照明需求，相较于现有技术，降低了系统复杂程度，降低了成本，提升了系统的集成度和紧凑性；

（2）、系统采用可见激光光束对激光制造靶材表面进行辅助照明，保证了激光高速扫描制造时靶材加工部位的辅助光照强度；

（3）、系统通过视觉成像系统实时反馈激光光斑相对于靶材的相对位置关系，并通过闭环调节实现高精度的激光制造；

（4）、系统采用光束整形装置15，实现具有特殊光场分布的激光光束制造，并通过光束质量分析仪实时反馈调节光束能量分布，实现高质量的激光制造。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光制造系统，其特征在于，包括：

激光光源，所述激光光源用于发射激光；

激光分频系统，所述激光分频系统包括依次设置的激光分频模块和激光分色模块，所述激光分频模块用于将所述激光光源发射的激光进行处理并产生紫外激光和可见激光，所述激光分色模块用于将所述激光分频模块处理后的光分为独立的紫外激光、可见激光和红外激光；

辅助照明系统，所述辅助照明系统包括依次设置的激光衰减装置和调焦模块，所述激光衰减装置的入光侧用于接收经所述激光分色模块出射的可见激光。

2.根据权利要求1所述的激光制造系统，其特征在于，所述激光分频模块包括依次设置的半波片、激光倍频装置、双波长波片和激光和频装置。

3.根据权利要求2所述的激光制造系统，其特征在于，所述激光分色模块包括第一分色镜和第二分色镜，所述半波片、所述激光倍频装置、所述双波长波片、所述激光和频装置、所述第一分色镜和所述第二分色镜依次设置。

4.根据权利要求2所述的激光制造系统，其特征在于，所述半波片与所述激光倍频装置之间设有第一激光缩束结构，所述第一激光缩束结构包括第一缩束镜片和第二缩束镜片，所述半波片、所述第一缩束镜片、所述第二缩束镜片、所述激光倍频装置、所述双波长波片和所述激光和频装置依次设置。

5.根据权利要求1所述的激光制造系统，其特征在于，所述调焦模块包括第一调焦镜片和第二调焦镜片，所述激光衰减装置、所述第一调焦镜片和所述第二调焦镜片依次设置。

6.根据权利要求1-5任一项所述的激光制造系统，其特征在于，还包括视觉伺服反馈系统、光场调控系统和分光合束模块；

所述视觉伺服反馈系统包括视觉成像模块和激光扫描装置，所述视觉成像模块包括依次设置的成像装置和图像放大结构；

所述光场调控系统包括依次设置的光束整形装置和光束质量分析装置，所述光束整形装置的入光侧用于接收分色后形成的紫外激光；

所述分光合束模块包括第一分光镜、第二分光镜和第三分色镜，所述第一分光镜设置在所述调焦模块与所述图像放大结构之间，所述第二分光镜设置在所述光束整形装置与所述光束质量分析装置之间，所述第三分色镜设置在所述激光扫描装置的入光侧。

7.根据权利要求6所述的激光制造系统，其特征在于，所述视觉伺服反馈系统还包括用于调节待加工靶材的运动台。

8.根据权利要求6所述的激光制造系统，其特征在于，所述图像放大结构与所述第一分光镜之间设有衰减滤光片。

9.根据权利要求6所述的激光制造系统，其特征在于，所述图像放大结构包括第一图像放大镜片和第二图像放大镜片，所述成像装置、所述第一图像放大镜片和所述第二图像放大镜片依次设置。

10.根据权利要求6所述的激光制造系统，其特征在于，所述光束整形装置的入光侧设有第二激光缩束结构，所述第二激光缩束结构包括第三缩束镜片和第四缩束镜片，所述第三缩束镜片、所述第四缩束镜片和所述光束整形装置依次设置。

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