CN116967599A - 一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统及方法，该系统包括三维移动平台，待加工工件固定在三维移动平台上，还包括激光分束及调控系统以及激光扫描系统；激光分束及调控系统用于将激光光源分束为多路激光束，并对每路激光束的重复频率进行单独调制；激光扫描系统用于调控各路激光束的传输路径、出射方向及激光束阵列的排布方式，并将各路激光束聚焦到对应的待加工工件的表面或内部。本发明方法在不改变三维移动平台运动速度的情况下，对每路激光束的重复频率进行单独调制，使其以脉冲串的形式输出，并使激光束阵列中不同激光束经历不同的转角路径。本发明可改善转角区域加工的不均匀性，提高转角加工区域的加工质量。

Description

一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统及方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统及方法。
背景技术
超快激光因其超短的脉冲持续时间、超高的峰值功率，能够极大提高精密加工的质量，已被广泛应用于微孔加工、切割、焊接和超表面结构制造等众多领域。为提高加工效率，目前多采用空间光调制器(SLM)或衍射光学器件(DOE)等分束器件结合扫描振镜和场镜来实现多光束并行加工，提高加工效率。然而对于实际工业生产来说，往往需要对工件进行大面积加工，振镜的扫描范围十分有限，并不能满足大面积加工的需求。工业上一般采用三维移动平台进行大面积工件的加工。
材料焊接、材料切割等加工工艺有时需要激光束进行转角运动。不同于单光束的近似垂直转角运动，多光束阵列在转角处应做圆弧运动，其转角运动无法仅通过三维移动平台实现。另外，转角时内圈激光束和外圈激光束在转角处所经历的路程不同，作用于加工区域单位面积内的激光脉冲数也不同，极大影响了待加工工件的质量，需要对不同激光束进行单独调控。现有发明和工业技术并未提及多光束加工中单独调控不同激光束的方案，仅针对改善单光束加工中的工件质量，提出改变转角处激光加工速度。该方案一定程度上能够优化转角区域的加工质量。但由于机械位移平台的固有缺陷，其速度的改变不能瞬时完成，激光束变速时须经历短时的加速(减速)过程，从而依旧存在转角区域内加工稳定性不足的问题，无法满足高精度的加工要求。
目前，为满足工业工件大面积、高精度的加工需求，需要一种激光并行转角加工系统，包括多光束转角运动的实现以及转角区域高精度加工的实现。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统及方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统，该系统包括三维移动平台，待加工工件固定在三维移动平台上，还包括激光分束及调控系统以及激光扫描系统；激光分束及调控系统用于将激光光源分束为多路激光束，并对每路激光束的重复频率进行单独调制；激光扫描系统用于调控各路激光束的传输路径、出射方向及激光束阵列的排布方式，并将各路激光束聚焦到对应的待加工工件的表面或内部。
进一步地，激光分束及调控系统包括多级激光分束模块及若干声光调制器，各级激光分束模块均包括沿光路依次设置的四分之一波片及偏振分束棱镜；四分之一波片用于将线偏振光转变为圆偏振光；偏振分束棱镜用于将圆偏振光分束为P光和S光；每个声光调制器对应调整一激光束的重复频率。
进一步地，激光分束及调控系统还包括若干反射镜及若干二向色镜；各级激光分束模块分束输出的P光和S光，这两偏振光的其中之一通过一声光调制器进行单独调制，未被调制的另一偏振光通过一反射镜反射，其反射后光路与被调制的偏振光的光路平行；设由第一级激光分束模块分束输出并被调制的偏振光为L1，设由第n级激光分束模块分束输出并被调制的偏振光为Ln，n≥2；在Ln的光路设置一反射镜，使Ln反射后的光路与L1的光路垂直相交；在Ln与L1的光路垂直相交处设一个二向色镜，该二向色镜使Ln反射，且反射后光路与L1光路平行，该二向色镜同时使L1及与L1光路平行的L2至Ln-1透过，从而使L1至Ln的光路传输方向一致；通过调整对应光路上的反射镜及二向色镜位置来调整L1至Ln的光路间距。
进一步地，激光扫描系统包括MEMS反射镜系统及场镜；MEMS反射镜系统包括多个可调控MEMS微反射镜单元，每个MEMS微反射镜单元单独调控每一激光束的出射方向，从而改变多光束阵列的排布方式，通过场镜将调整后的多光束阵列聚焦到待加工工件的表面或内部。
本发明还提供了一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工方法，该方法设置三维移动平台，将待加工工件固定在三维移动平台上，还设置激光分束及调控系统以及激光扫描系统；激光分束及调控系统用于将激光光源分束为多路激光束，并对每路激光束的重复频率进行单独调制；激光扫描系统用于调控各路激光束的传输路径、出射方向及激光束阵列的排布方式，并将各路激光束聚焦到对应的待加工工件的表面或内部；在不改变三维移动平台运动速度的情况下，对每路激光束的重复频率进行单独调制，使其以脉冲串的形式输出，并使激光束阵列中不同激光束经历不同的转角路径。
进一步地，激光分束及调控系统设置多级激光分束模块及若干声光调制器，各级激光分束模块均设置沿光路依次设置的四分之一波片及偏振分束棱镜；四分之一波片用于将线偏振光转变为圆偏振光；偏振分束棱镜用于将圆偏振光分束为P光和S光；每个声光调制器对应调整一激光束的重复频率；激光分束及调控系统还设置若干反射镜及若干二向色镜；各级激光分束模块分束输出的P光和S光，这两偏振光的其中之一通过一声光调制器进行单独调制，未被调制的另一偏振光通过一反射镜反射，其反射后光路与被调制的偏振光的光路平行；设由第一级激光分束模块分束输出并被调制的偏振光为L1，设由第n级激光分束模块分束输出并被调制的偏振光为Ln，n≥2；在Ln的光路设置一反射镜，使Ln反射后的光路与L1的光路垂直相交；在Ln与L1的光路垂直相交处设一个二向色镜，该二向色镜使Ln反射，且反射后光路与L1光路平行，该二向色镜同时使L1及与L1光路平行的L2至Ln-1透过，从而使L1至Ln的光路传输方向一致；通过调整对应光路上的反射镜及二向色镜位置来调整L1至Ln的光路间距。
进一步地，对各级激光分束模块输出的P光通过单独的声光调制器进行重复频率调制；对各级激光分束模块输出的S光通过反射镜反射，使同一级激光分束模块输出的P光与S光光路平行；
设末级激光分束模块的级数为k；k≥2；设由第一级激光分束模块分束输出并被调制的P光为P1；设由第n-1级激光分束模块分束输出的P光、S光对应为P’n-1、S’n-1，第n级激光分束模块分束输出的P光、S光对应为P’n、S’n，使S’n-1的光路与P’n-1的光路平行传输的反射镜为Fsn-1，设使S’n的光路与P’n的光路平行传输的反射镜为Fsn，n≤k；
设P’n经声光调制器调制后转变为Pn；Pn光路上设置一反射镜使Pn与P1的光路相交，设该反射镜为Fpn-1；在Pn与P1的光路相交处设一个二向色镜，该二向色镜用于透过P1至Pn-1并反射Pn，设该二向色镜为Cn-1；调节Fsn-1、Fpn-1及Cn-1，使Pn与Pn-1的光路间距为h；
S’k经反射镜Fsk反射后，通过一声光调制器进行重复频率调制，重复频率调制后转变为Sk，Sk再经一反射镜反射，使Sk与P1的光路相交，设该反射镜为Fsk+1，在Sk与P1的光路相交处设一个二向色镜，该二向色镜用于透过P1至Pk并反射Sk，设该二向色镜为Ck；调节Fsk、Fsk+1及Ck，使Sk与Pk的光路间距为h。
进一步地，激光扫描系统设置MEMS反射镜系统及场镜；MEMS反射镜系统设置多个可调控MEMS微反射镜单元，每个MEMS微反射镜单元单独调控每一激光束的出射方向，从而改变多光束阵列的排布方式，通过场镜将调整后的多光束阵列聚焦到待加工工件的表面或内部。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明提出了一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统，其采用三维移动平台结合MEMS反射镜系统实现多光束转角运动的技术方案，该技术方案能够在满足工业工件大面积加工的要求的同时实现多光束转角运动；本发明还提出了一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工方法，在不改变加工样品平台运动速度的情况下单独调控不同激光束的重复频率，同时通过脉冲编码技术对激光脉冲阵列中的每一激光束进行单独编码，使其以脉冲串的形式输出。脉冲编码技术在加工中提供了新的调整自由度，运用该方法能够比仅仅改变加工速度或激光重复频率得到更好的加工结果。两者结合即能够实现转角区域的高精度加工。
本发明其中之一方案采用声光调制器调整每个激光束的重复频率。通过控制软件设置各激光束的重复频率，通过改变驱动信号,可获得不同特性的脉冲激光输出，可改善转角区域加工的不均匀性。同时针对不同材料进行激光编码技术的优化，根据所加工材料选择最佳脉冲串长度以及最佳脉冲串间隔，通过改变不同激光束的重复频率以及应用脉冲编码技术，能够精确控制转角加工区域的加工质量。
附图说明
图1为本发明的一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统结构示意图。
图2为调制激光束的重复频率后激光束阵列转角路径示意图。
图3为只改变三维移动平台的移动速度时的激光束阵列转角路径示意图。
图4为采用激光扫描系统实现多光束阵列的重新排布示意图。
图5为使用脉冲编码技术生成不同长度和不同间隔脉冲串的示意图。
图中：1、飞秒脉冲激光器；2-1、第一四分之一波片；2-2、第二四分之一波片；3-1、第一偏振分束棱镜；3-2、第二偏振分束棱镜；4-1、第一声光调制器；4-2、第二声光调制器；4-3、第三声光调制器；5-1、第一二向色镜；5-2、第二二向色镜；6-1、第一反射镜；6-2、第二反射镜；6-3、第三反射镜；6-4、第四反射镜；7、MEMS反射镜系统；8、场镜；9、待加工工件；10、三维移动平台。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参见图1至图5，一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统，该系统包括三维移动平台10，待加工工件9固定在三维移动平台10上，还包括激光分束及调控系统以及激光扫描系统；激光分束及调控系统用于将激光光源分束为多路激光束，并对每路激光束的重复频率进行单独调制；激光扫描系统用于调控各路激光束的传输路径、出射方向及激光束阵列的排布方式，并将各路激光束聚焦到对应的待加工工件9的表面或内部。
进一步地，激光分束及调控系统可包括多级激光分束模块及若干声光调制器，各级激光分束模块均可包括沿光路依次设置的四分之一波片及偏振分束棱镜；四分之一波片用于将线偏振光转变为圆偏振光；偏振分束棱镜用于将圆偏振光分束为P光和S光；每个声光调制器对应调整一激光束的重复频率。
优选地，激光分束及调控系统还可包括若干反射镜及若干二向色镜；各级激光分束模块分束输出的P光和S光，这两偏振光的其中之一可通过一声光调制器进行单独调制，未被调制的另一偏振光可通过一反射镜反射，其反射后光路与被调制的偏振光的光路平行；可设由第一级激光分束模块分束输出并被调制的偏振光为L1，可设由第n级激光分束模块分束输出并被调制的偏振光为Ln，n≥2；可在Ln的光路设置一反射镜，使Ln反射后的光路与L1的光路垂直相交；可在Ln与L1的光路垂直相交处设一个二向色镜，该二向色镜使Ln反射，且反射后光路与L1光路平行，该二向色镜同时使L1及与L1光路平行的L2至Ln-1透过，从而使L1至Ln的光路传输方向一致；可通过调整对应光路上的反射镜及二向色镜位置来调整L1至Ln的光路间距。
优选地，激光扫描系统可包括MEMS反射镜系统7及场镜8；MEMS反射镜系统7可包括多个可调控MEMS微反射镜单元，每个MEMS微反射镜单元可单独调控每一激光束的出射方向，从而改变多光束阵列的排布方式，通过场镜8将调整后的多光束阵列聚焦到待加工工件9的表面或内部。
本发明还提供了一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工方法，该方法设置三维移动平台10，将待加工工件9固定在三维移动平台10上，还设置激光分束及调控系统以及激光扫描系统；激光分束及调控系统用于将激光光源分束为多路激光束，并对每路激光束的重复频率进行单独调制；激光扫描系统用于调控各路激光束的传输路径、出射方向及激光束阵列的排布方式，并将各路激光束聚焦到对应的待加工工件9的表面或内部；在不改变三维移动平台10运动速度的情况下，对每路激光束的重复频率进行单独调制，同时结合脉冲编码技术控制声光调制器电驱动开关使其以脉冲串的形式输出，并使激光束阵列中不同激光束经历不同的转角路径。
优选地，激光分束及调控系统可设置多级激光分束模块及若干声光调制器，各级激光分束模块均可设置沿光路依次设置的四分之一波片及偏振分束棱镜；四分之一波片用于将线偏振光转变为圆偏振光；偏振分束棱镜用于将圆偏振光分束为P光和S光；每个声光调制器对应调整一激光束的重复频率；激光分束及调控系统还可设置若干反射镜及若干二向色镜；各级激光分束模块分束输出的P光和S光，这两偏振光的其中之一可通过一声光调制器进行单独调制，未被调制的另一偏振光可通过一反射镜反射，其反射后光路与被调制的偏振光的光路平行；可设由第一级激光分束模块分束输出并被调制的偏振光为L1，可设由第n级激光分束模块分束输出并被调制的偏振光为Ln，n≥2；可在Ln的光路设置一反射镜，使Ln反射后的光路与L1的光路垂直相交；可在Ln与L1的光路垂直相交处设一个二向色镜，该二向色镜使Ln反射，且反射后光路与L1光路平行，该二向色镜同时使L1及与L1光路平行的L2至Ln-1透过，从而使L1至Ln的光路传输方向一致；可通过调整对应光路上的反射镜及二向色镜位置来调整L1至Ln的光路间距。
优选地，可对各级激光分束模块输出的P光通过单独的声光调制器进行重复频率调制；对各级激光分束模块输出的S光通过反射镜反射，使同一级激光分束模块输出的P光与S光光路平行。
可设末级激光分束模块的级数为k；k≥2；设由第一级激光分束模块分束输出并被调制的P光为P1；设由第n-1级激光分束模块分束输出的P光、S光对应为P’n-1、S’n-1，第n级激光分束模块分束输出的P光、S光对应为P’n、S’n，使S’n-1的光路与P’n-1的光路平行传输的反射镜为Fsn-1，设使S’n的光路与P’n的光路平行传输的反射镜为Fsn，n≤k。
可设P’n经声光调制器调制后转变为Pn；Pn光路上设置一反射镜使Pn与P1的光路相交，设该反射镜为Fpn-1；在Pn与P1的光路相交处设一个二向色镜，该二向色镜用于透过P1至Pn-1并反射Pn，设该二向色镜为Cn-1；调节Fsn-1、Fpn-1及Cn-1，使Pn与Pn-1的光路平行且间距为h。
S’k经反射镜Fsk反射后，通过一声光调制器进行重复频率调制，重复频率调制后转变为Sk，Sk再经一反射镜反射，使Sk与P1的光路相交，设该反射镜为Fsk+1，在Sk与P1的光路相交处设一个二向色镜，该二向色镜用于透过P1至Pk并反射Sk，设该二向色镜为Ck；调节Fsk、Fsk+1及Ck，使Sk与Pk的光路平行且间距为h。
优选地，可对各级激光分束模块输出的S光通过单独的声光调制器进行重复频率调制；对各级激光分束模块输出的P光通过反射镜反射，使同一级激光分束模块输出的P光与S光光路平行。
可设末级激光分束模块的级数为k；k≥2；设由第一级激光分束模块分束输出并被调制的S光为S1；设由第n-1级激光分束模块分束输出的P光、S光对应为P’n-1、S’n-1，第n级激光分束模块分束输出的P光、S光对应为P’n、S’n，使P’n-1的光路与S’n-1的光路平行传输的反射镜为Fpn-1，设使P’n的光路与S’n的光路平行传输的反射镜为Fpn，n≤k。
可设S’n经声光调制器调制后转变为Sn；Sn光路上设置反射镜使Sn与S1的光路相交，设该反射镜为Fsn-1；在Sn与S1的光路相交处设一个二向色镜，该二向色镜用于透过S1至Sn-1并反射Sn，设该二向色镜为Dn-1；调节Fsn-1、Fpn-1及Dn-1，使Sn与Sn-1的光路平行且间距为h。
P’k经反射镜Fpk反射后，通过一声光调制器进行重复频率调制，重复频率调制后转变为Pk，Pk再经一反射镜反射，使Pk与S1的光路相交，设该反射镜为Fpk+1，在Pk与S1的光路相交处设一个二向色镜，该二向色镜用于透过S1至Sk并反射Pk，设该二向色镜为Dk；调节Fpk、Fpk+1及Dk，使Pk与Sk的光路平行且间距为h。
优选地，激光扫描系统可设置MEMS反射镜系统7及场镜8；MEMS反射镜系统7可设置多个可调控MEMS微反射镜单元，每个MEMS微反射镜单元可单独调控每一激光束的出射方向，从而改变多光束阵列的排布方式，通过场镜8将调整后的多光束阵列聚焦到待加工工件9的表面或内部。
以下以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作流程及工作原理：
请参见图1，一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统，该系统包括三维移动平台10，待加工工件9固定在三维移动平台10上，还包括激光分束及调控系统以及激光扫描系统；激光分束及调控系统用于将激光光源分束为多路激光束，并对每路激光束的重复频率进行单独调制；激光扫描系统用于调控各路激光束的传输路径、出射方向及激光束阵列的排布方式，并将各路激光束聚焦到对应的待加工工件9的表面或内部。
激光分束及调控系统包括两级激光分束模块及三个声光调制器，各级激光分束模块均包括沿光路依次设置的四分之一波片及偏振分束棱镜；四分之一波片用于将线偏振光转变为圆偏振光；偏振分束棱镜用于将圆偏振光分束为P光和S光。第一级激光分束模块包括第一四分之一波片2-1和第一偏振分束棱镜3-1；第二级激光分束模块包括第二四分之一波片2-2和第二偏振分束棱镜3-2；三个声光调制器分别为第一声光调制器4-1、第二声光调制器4-2及第三声光调制器4-3。
声光调制器利用电子驱动信号可以用来控制激光光束的功率、频率或者其空间方向的器件，其可以将脉冲序列中的单个激光脉冲分离并传输到一条新的光路上。其工作原理是：在声光调制器上施加短的射频脉冲，按照所需重复频率选取脉冲，将该脉冲偏转一定角度，此时仅该被偏转的脉冲能够出射，而其他脉冲则被阻挡，从而改变激光脉冲的重复频率。
激光分束及调控系统还包括第一反射镜6-1、第二反射镜6-2、第三反射镜6-3、第四反射镜6-4、第一二向色镜5-1及第二二向色镜5-2。
在飞秒脉冲激光器1的输出端口放置第一四分之一波片2-1，在第一四分之一波片2-1后放置第一偏振分束棱镜3-1，用脉冲1表示第一偏振分束棱镜3-1分束输出的P光，用脉冲1’表示第一偏振分束棱镜3-1分束输出的S光。脉冲1’相对脉冲1的光路，垂直向下。其中脉冲1为透射光，在其后放置第一声光调制器4-1，第一声光调制器4-1用于对脉冲1进行编码调控，即对脉冲1的重复频率进行单独调制。沿脉冲1’传输方向放置第一反射镜6-1，使脉冲1’反射后的光路与脉冲1的光路平行传输。在第一反射镜6-1反射后的脉冲1’光路方向上放置第二四分之一波片2-2和第二偏振分束棱镜3-2，将脉冲1’分束为P光和S光；脉冲2表示由脉冲1’分束出的P光，脉冲3表示由脉冲1’分束出的S光；脉冲2为透射光，其光路与输入至第二偏振分束棱镜3-2的脉冲1’方向相同，在第二偏振分束棱镜3-2后，沿脉冲2的光路放置第二声光调制器4-2，第二声光调制器4-2用于对脉冲2的编码调控，即对脉冲2的重复频率进行单独调制。在第二声光调制器4-2后放置第二反射镜6-2，使脉冲2向上反射，在其与脉冲1垂直相交处放置第一二向色镜5-1，同时第一二向色镜5-1位于第一声光调制器4-1后，用于透过脉冲1同时反射脉冲2。调节第一反射镜6-1、第二反射镜6-2和第一二向色镜5-1，使得脉冲2与脉冲1平行传输，且间距为100μm。脉冲3相对脉冲2的光路，垂直向下。沿脉冲3传播方向放置第三反射镜6-3，使反射后的脉冲3与脉冲1和脉冲2平行传输。在反射后的脉冲3传输方向上放置第三声光调制器4-3，用于对脉冲3的编码调控，即对脉冲3的重复频率进行单独调制。第三声光调制器4-3后放置第四反射镜6-4，使脉冲3向上反射，在脉冲3的光路与脉冲2的光路垂直相交处放置第二二向色镜5-2，同时第二二向色镜5-2位于第一二向色镜5-1后，用于透过脉冲1和脉冲2同时反射脉冲3。调节第三反射镜6-3、第四反射镜6-4和第二二向色镜5-2，使得脉冲3与脉冲1和脉冲2平行传输，且与脉冲2间距为100μm。最终形成了1×3的一维多光束阵列，可根据实际需要调节四分之一波片，为三束激光束分配能量。依据上述原理可以实现任意u×v的多光束阵列。
可采用现有技术中的适用控制系统及对应编程软件，并采用常规技术手段按照编程手册进行编程，实现对声光调制器的控制。
激光扫描系统包括MEMS反射镜系统7及场镜8；MEMS反射镜系统7包括两个可调控MEMS微反射镜单元，每个MEMS微反射镜单元单独调控一激光束的出射方向，从而改变多光束阵列的排布方式，通过场镜8将调整后的多光束阵列聚焦到待加工工件9的表面或内部。
多光束阵列入射到MEMS反射镜系统7，通过控制MEMS反射镜系统7内的MEMS微反射镜单元，通过两次反射单独调控每一激光束的出射方向，从而能够改变多光束阵列的排布方式，后通过场镜8将调整后的多光束阵列聚焦到待加工工件9的表面或内部，待加工工件9被固定于三维移动平台10上。编写程序控制三维移动平台10和MEMS反射镜系统7实现相关工件的多光束并行转角加工。
MEMS微反射镜单元由多个微型反射镜和相应的多个可控制旋转角度的支架组成，支架可进行高速和精确的运动，从而灵活调整各个微型反射镜的反射角度和位置，实现对光束方向的精确控制。
可采用现有技术中的适用控制系统及对应编程软件，并采用常规技术手段按照编程手册进行编程，实现对三维移动平台10和MEMS反射镜系统7进行控制。
下面是一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工方法优选实施例：
使用三维移动平台10结合MEMS反射镜系统7实现多光束阵列的转角运动；根据多光束阵列中不同激光脉冲所经历不同的转角距离，单独调控其重复频率，同时使用脉冲编码技术精确控制作用于加工区域的脉冲串长度及周期，针对不同材料对脉冲编码技术的参数进行优化，确保实现工件转角区域的高精度加工。
本发明提及的脉冲编码技术是指通过控制声光调制器电子驱动信号的通断来控制输出脉冲序列。编写相应的程序控制每个输出的脉冲串包含的脉冲数，以及不同脉冲串之间的间隔，通过程序控制声光调制器对输入的脉冲进行选择性输出，从而实现脉冲编码功能。需要注意的是，本发明申请保护脉冲编码技术在多光束并行加工中的应用，因此其他能够实现该编码技术的实验方案也一同被保护。
实施例中使用1×3的一维多光束阵列，阵列中激光束的间隔为100μm，激光束脉冲从内向外依次编号为脉冲1，脉冲2，脉冲3。将三路激光束脉冲的输出能量设置为固定值E0，重复频率初始值设置为f0。将基于脉冲编码技术的多光束并行转角加工分为三个加工阶段：第一直线加工阶段，转角阶段，第二直线加工阶段。
在第一直线加工阶段中，三维移动平台10从工件的初始位置以速度v进行直线运动，直至运动至工件转角的起点。以脉冲1的加工轨迹为例，如图2所示，即从A点运动到B点，其中A点为工件的加工起始点，B点为转角运动的起始点，A、B呈一条直线。第一直线加工阶段脉冲的重复频率为f0。
在转角阶段中，激光脉冲运动至重复加工区域的起始点，此时三维移动平台10保持速度v从直线运动改为圆周运动，同时使用MEMS反射镜系统7配合改变多光束阵列的排布，使阵列以r1为半径进行圆周运动，r1值一般设置为移动平台的最小步长极限。原理如图3，旋转过程中需保证激光束间隔始终为100μm。如图2所示，本实施例中1×3的多光束阵列以O点为原点，脉冲1以r1为半径进行了1/4圆周运动，脉冲2以r2为半径进行了1/4圆周运动，脉冲3以r3为半径进行了1/4圆周运动，脉冲1对应从B点运动到转角的终止点C点。此时垂直排列的1×3一维多光束阵列被调整为水平排列的3×1多光束阵列，脉冲2相较于脉冲1多行进了0.5π×(r2-r1)的距离，脉冲3相较于脉冲1多行进了0.5π×(r3-r1)的距离，通过控制软件设置各激光束脉冲重复频率fm：m为激光束脉冲编号。可改善转角区域加工的不均匀性。脉冲串由多个高频子脉冲组成，其重复频率由声光调制器选择的与原始激光器输出的飞秒激光脉冲重复频率相同。
附图5中，tn表示编码后第n个脉冲串的长度，也即包含的高频子脉冲的数量，Tn表示编码后两个脉冲串tn和tn+1之间的时间间隔。针对不同材料进行激光编码技术的优化，根据所加工材料选择最佳脉冲串长度t1,t2,……,tn，以及最佳脉冲串间隔T1,T2,……,Tn。
为保证最佳加工质量，脉冲串长度可设置为t1＝t2＝……＝tn，脉冲串间隔可设置为T1＝T2＝……＝Tn，也可根据材料特性优化调整为任意不同值。通过改变不同激光束的重复频率以及应用脉冲编码技术，能够精确控制转角加工区域的加工质量。在第二直线加工阶段中，激光脉冲离开转角区域，MEMS反射镜系统7保持转角阶段结束时的光束调控状态，控制三维移动平台10继续以速度v进行直线运动，直至位移平台运动至下一转角起点，此时只需重复转角阶段的操作。如图2所示，即激光束从工件的C点沿直线运动到D点，其中D点为下一转角位置的起始点。在第二直线加工阶段起始时，将所有激光脉冲的重复频率瞬时恢复至f0。
上述三维移动平台、MEMS反射镜系统、MEMS微反射镜单元、飞秒脉冲激光器、四分之一波片、偏振分束棱镜、声光调制器、二向色镜、反射镜、场镜等均可采用现有技术中的适用元器件、装置及系统，或者采用现有技术中的元器件、装置及系统，并采用常规技术手段构造。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的发明范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的发明范围内。

Claims (8)

1.一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统，该系统包括三维移动平台，待加工工件固定在三维移动平台上，其特征在于，还包括激光分束及调控系统以及激光扫描系统；激光分束及调控系统用于将激光光源分束为多路激光束，并对每路激光束的重复频率进行单独调制；激光扫描系统用于调控各路激光束的传输路径、出射方向及激光束阵列的排布方式，并将各路激光束聚焦到对应的待加工工件的表面或内部。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统，其特征在于，激光分束及调控系统包括多级激光分束模块及若干声光调制器，各级激光分束模块均包括沿光路依次设置的四分之一波片及偏振分束棱镜；四分之一波片用于将线偏振光转变为圆偏振光；偏振分束棱镜用于将圆偏振光分束为P光和S光；每个声光调制器对应调整一激光束的重复频率。
3.根据权利要求2所述的基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统，其特征在于，激光分束及调控系统还包括若干反射镜及若干二向色镜；各级激光分束模块分束输出的P光和S光，这两偏振光的其中之一通过一声光调制器进行单独调制，未被调制的另一偏振光通过一反射镜反射，其反射后光路与被调制的偏振光的光路平行；设由第一级激光分束模块分束输出并被调制的偏振光为L1，设由第n级激光分束模块分束输出并被调制的偏振光为Ln，n≥2；在Ln的光路设置一反射镜，使Ln反射后的光路与L1的光路垂直相交；在Ln与L1的光路垂直相交处设一个二向色镜，该二向色镜使Ln反射，且反射后光路与L1光路平行，该二向色镜同时使L1及与L1光路平行的L2至Ln-1透过，从而使L1至Ln的光路传输方向一致；通过调整对应光路上的反射镜及二向色镜位置来调整L1至Ln的光路间距。
4.根据权利要求1所述的基于脉冲编码技术的激光并行转角加工系统，其特征在于，激光扫描系统包括MEMS反射镜系统及场镜；MEMS反射镜系统包括多个可调控MEMS微反射镜单元，每个MEMS微反射镜单元单独调控每一激光束的出射方向，从而改变多光束阵列的排布方式，通过场镜将调整后的多光束阵列聚焦到待加工工件的表面或内部。
5.一种基于脉冲编码技术的激光并行转角加工方法，该方法设置三维移动平台，将待加工工件固定在三维移动平台上，其特征在于，还设置激光分束及调控系统以及激光扫描系统；激光分束及调控系统用于将激光光源分束为多路激光束，并对每路激光束的重复频率进行单独调制；激光扫描系统用于调控各路激光束的传输路径、出射方向及激光束阵列的排布方式，并将各路激光束聚焦到对应的待加工工件的表面或内部；在不改变三维移动平台运动速度的情况下，对每路激光束的重复频率进行单独调制，使其以脉冲串的形式输出，并使激光束阵列中不同激光束经历不同的转角路径。
6.根据权利要求5所述的基于脉冲编码技术的激光并行转角加工方法，其特征在于，激光分束及调控系统设置多级激光分束模块及若干声光调制器，各级激光分束模块均设置沿光路依次设置的四分之一波片及偏振分束棱镜；四分之一波片用于将线偏振光转变为圆偏振光；偏振分束棱镜用于将圆偏振光分束为P光和S光；每个声光调制器对应调整一激光束的重复频率；激光分束及调控系统还设置若干反射镜及若干二向色镜；各级激光分束模块分束输出的P光和S光，这两偏振光的其中之一通过一声光调制器进行单独调制，未被调制的另一偏振光通过一反射镜反射，其反射后光路与被调制的偏振光的光路平行；设由第一级激光分束模块分束输出并被调制的偏振光为L1，设由第n级激光分束模块分束输出并被调制的偏振光为Ln，n≥2；在Ln的光路设置一反射镜，使Ln反射后的光路与L1的光路垂直相交；在Ln与L1的光路垂直相交处设一个二向色镜，该二向色镜使Ln反射，且反射后光路与L1光路平行，该二向色镜同时使L1及与L1光路平行的L2至Ln-1透过，从而使L1至Ln的光路传输方向一致；通过调整对应光路上的反射镜及二向色镜位置来调整L1至Ln的光路间距。
7.根据权利要求6所述的基于脉冲编码技术的激光并行转角加工方法，其特征在于，对各级激光分束模块输出的P光通过单独的声光调制器进行重复频率调制；对各级激光分束模块输出的S光通过反射镜反射，使同一级激光分束模块输出的P光与S光光路平行；
设末级激光分束模块的级数为k；k≥2；设由第一级激光分束模块分束输出并被调制的P光为P1；设由第n-1级激光分束模块分束输出的P光、S光对应为P’n-1、S’n-1，第n级激光分束模块分束输出的P光、S光对应为P’n、S’n，使S’n-1的光路与P’n-1的光路平行传输的反射镜为Fsn-1，设使S’n的光路与P’n的光路平行传输的反射镜为Fsn，n≤k；
设P’n经声光调制器调制后转变为Pn；Pn光路上设置一反射镜使Pn与P1的光路相交，设该反射镜为Fpn-1；在Pn与P1的光路相交处设一个二向色镜，该二向色镜用于透过P1至Pn-1并反射Pn，设该二向色镜为Cn-1；调节Fsn-1、Fpn-1及Cn-1，使Pn与Pn-1的光路间距为h；
S’k经反射镜Fsk反射后，通过一声光调制器进行重复频率调制，重复频率调制后转变为Sk，Sk再经一反射镜反射，使Sk与P1的光路相交，设该反射镜为Fsk+1，在Sk与P1的光路相交处设一个二向色镜，该二向色镜用于透过P1至Pk并反射Sk，设该二向色镜为Ck；调节Fsk、Fsk+1及Ck，使Sk与Pk的光路间距为h。
8.根据权利要求5所述的基于脉冲编码技术的激光并行转角加工方法，其特征在于，激光扫描系统设置MEMS反射镜系统及场镜；MEMS反射镜系统设置多个可调控MEMS微反射镜单元，每个MEMS微反射镜单元单独调控每一激光束的出射方向，从而改变多光束阵列的排布方式，通过场镜将调整后的多光束阵列聚焦到待加工工件的表面或内部。
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