CN1214286A - 激光束双聚焦点单面激光加工技术 - Google Patents

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辛建国
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Abstract

本发明是一种双激光束单面激光加工技术,涉及激光加工技术。本发明通过一个光学聚焦系统改变双光束聚焦点之间相对空间位置,双光束聚焦点半径的相对大小,两个光束聚焦点的空间横截面的能量分布,两个光束聚焦点的空间分布形状和两个光束聚焦点的相对空间深度,可提高加工深度,改善激光加工质量和实现激光加工中的特殊要求。

Description

激光束双聚焦点单面激光加工技术
本发明是一种双激光束单面激光加工技术，涉及激光加工技术。
目前国内外在激光加工技术中对激光束的应用采用如下两种技术途径：单光束单面加工技术(如图6所示)和双光束双面加工技术(如图7所示)。在单光束单面加工技术中，由于光束半径和光束发散角成反比，在特定激光功率情况下，减小激光束聚焦半径，提高激光聚焦点处功率密度，必然增大激光束聚焦点处发散角和减小激光束瑞利长度，不利于深度加工和影响加工质量。在双光束双面加工技术中，尽管可增加激光束瑞利长度一倍，但其方法在某些加工中无法采用。
本发明提出的激光束双聚焦点单面激光加工技术消除了上述两种技术的不足。通过改变将整形和扩束后的双光束激光双聚焦点之间相对空间位置，双光束激光双聚焦点截面的相对大小，双光束激光双聚焦点的空间横截面的能量分布，双光束激光双聚焦点的空间分布形状和单光束或双光束两个聚焦点的相对空间深度，可提高加工深度，改善激光加工质量和实现激光加工中的特殊要求。
本发明的构成是由一个两组具有不同聚焦半径的反射式聚焦系统或两组具有不同聚焦半径的透镜式聚焦系统或一组反射式聚焦系统和一组透镜式聚焦系统构成的两组具有不同聚焦半径的光学系统将整形和扩束后的双光束激光分别聚焦形成具有两个聚焦点的复合光束，并通过改变两个反射聚焦镜或聚焦透镜的不同曲率面的曲率分布参数和空间相对位置，可使两个聚焦点形成具有所需的相对空间位置，分别具有所需的聚焦点光束截面大小，所需的空间横截面的能量分布，所需的空间分布形状和所需的相对空间深度的两个光束聚焦点的复合光束。
本发明的特点是通过合理的设计激光束聚焦光学系统实现单激光束或双激光束的双焦点聚焦，通过设计聚焦光学系统的不同参数来实现双激光光束聚焦点之间所需的相对空间位置，双激光束聚焦点截面所需的大小，聚焦点处所需的空间横截面的能量分布，聚焦点处所需的空间分布形状和两个激光束聚焦点的相对空间深度，可提高加工深度，改善激光加工质量和实现激光加工中的特殊要求。
附图：
图1双光束作用于单面加工示意图
图2双光束双焦点反射式聚焦系统示意图
图3双光束双焦点透镜式聚焦系统示意图
图4双光束双焦点组合式聚焦系统示意图
图5双焦点圆光斑与轴向光强分布示意图
图6单激光束作用于被加工件示意图
图7双光束作用于双面加工示意图
图中标号如下所示：
1-低功率密度长瑞利长度光束
2-高功率密度短瑞利长度光束
3-被加工件
4-入射激光束A
5-入射激光束B
6-长焦距反射镜面
7-短焦距反射镜面
8-低功率密度长瑞利长度聚焦点
9-高功率密度短瑞利长度聚焦点
10-长焦距透镜
11-短焦距透镜
12-低功率密度长瑞利长度聚焦点截面
13-高功率密度短瑞利长度聚焦点截面
14-复合光束横截面沿X方向功率密度分布曲线
15-单激光束
X-光束横截面水平坐标方向
I-光束功率密度坐标方向
本发明的上述目的由如下技术方案实现：
该激光束双聚焦点单面激光加工技术由光学聚焦系统实现双光束激光聚焦形成具有两个聚焦点的复合光束(如图1所示)。该聚焦系统由两组具有不同聚焦半径的反射式聚焦系统(见图2所示)或两组具有不同聚焦半径的透镜式聚焦系统(见图3所示)或一组反射式聚焦系统和一组透镜式聚焦系统构成的两组具有不同聚焦半径的光学系统(见图4所示)将双光束激光聚焦形成具有两个聚焦点的复合光束。
本发明的具体结构由图2-图4给出：
a．采用反射式聚焦系统时，可分别加工两个具有不同曲率分布的高反射镜面，将两束整形和扩束过的入射激光束分别聚焦形成一复合光束。两个高反射镜面聚焦镜的曲率分布由整形和扩束过的入射激光束参数和被加工件对复合光束聚焦点的要求来确定。结构示意图如图2所示。
b．采用透镜式聚焦系统时，可分别加工两个具有不同曲率分布的高透过率聚焦镜，将两束整形和扩束过的入射激光束分别聚焦形成一复合光束。两个高透过率聚焦镜的曲率分布由整形和扩束过的入射激光束参数和被加工件对复合光束聚焦点的要求来确定。结构示意图如图3所示。
c．采用复合式聚焦系统时，可分别加工一个具有不同曲率分布的高透过率聚焦镜和一个具有不同曲率分布的高反射镜面，将两束整形和扩束过的入射激光束分别聚焦形成一复合光束。高透过率聚焦镜和高反射镜面的曲率分布由整形和扩束过的入射激光束参数和被加工件对复合光束聚焦点的要求来确定。结构示意图如图4所示。
实例如下：
1- 采用反射式聚焦系统时，如图2所示。对于整形和扩束过的圆光斑入射双激光束，入射光束A4和入射光束B5的光束半径均为10mm，两个光束发散角均为2mrad。若所需在被加工点处两光束聚焦点为圆对称性且共焦点，入射光束A4低功率密度长瑞利长度聚焦点8处光束半径为0.4mm，入射光束B5高功率密度短瑞利长度聚焦点9处光束半径为0.24mm，在两光束共焦点处可形成如图5所示的光束横截面分布(低功率密度长瑞利长度聚焦点截面12和高功率密度短瑞利长度聚焦点截面13)和光强分布14。因而所需的对入射光束A4聚焦的长焦距反射镜6焦距为：低功率密度长瑞利长度聚焦点8光束半径÷入射光束A4的发散角=0.4÷0.002=200mm所需的对入射光束B5聚焦的短焦距反射镜7焦距为：高功率密度短瑞利长度聚焦点9光束半径÷入射光束B5的发散角=0.24÷0.002=120mm
b．采用透镜式聚焦系统时，如图3所示。对于整形和扩束过的圆光斑入射双激光束，入射光束A4和入射光束B5的光束半径均为10mm，两个入射光束发散角均为2mrad。若所需在被加工点处两光束聚焦点为圆对称性且共焦点，入射光束A4低功率密度长瑞利长度聚焦点8处光束半径为0.4mm，入射光束B5高功率密度短瑞利长度聚焦点9处光束半径为0.24mm，在两光束共焦点处可形成如图5所示的光束横截面分布(低功率密度长瑞利长度聚焦点截面12和高功率密度短瑞利长度聚焦点截面13)和光强分布14。因而所需的对入射光束A4聚焦的长焦距透镜10       焦距为：低功率密度长瑞利长度聚焦点8光束半径÷入射光束A4的发散角=0.4÷0.002=200mm所需的对入射光束B5聚焦的短焦距透镜11焦距为：高功率密度短瑞利长度聚焦点9光束半径÷入射光束B5的发散角=0.24÷0.002=120mm
c．采用复合式聚焦系统时，如图4所示。对于整形和扩束过的圆光斑入射双激光束，入射光束A4和入射光束B5的光束半径均为10mm，两个入射光束发散角均为2mrad。若所需在被加工点处两光束聚焦点为圆对称性且共焦点，入射光束A4低功率密度长瑞利长度聚焦点8处光束半径为0.4mm，入射光束B5高功率密度短瑞利长度聚焦点9处光束半径为0.24mm，在两光束共焦点处可形成如图5所示的光束横截面分布(低功率密度长瑞利长度聚焦点截面12和高功率密度短瑞利长度聚焦点截面13)和光强分布14。因而所需的对入射光束A4聚焦的长焦距透镜10焦距为：低功率密度长瑞利长度聚焦点8光束半径÷入射光束A4的发散角=0.4÷0.002=200mm所需的对入射光束B 5聚焦的短焦距反射镜7焦距为：高功率密度短瑞利长度聚焦点9光束半径÷入射光束B5的发散角=0.24÷0.002=120mm
对于聚焦点处所需的相对空间位置，所需的聚焦点光束半径相对大小，所需的空间横截面的能量分布，所需的空间分布形状和所需的相对空间深度的两个光束聚焦点的复合光束。可通过设计和加工长焦距透镜和短焦距反射镜面所要求的曲率分布获得。

Claims (3)

1．一种激光束双聚焦点单面激光加工技术，其特征在于该光学聚焦系统为具有两组不同聚焦半径的反射式聚焦系统将整形和扩束后的双光束激光分别聚焦形成具有两个聚焦点的复合光束，并通过改变两个反射聚焦镜或聚焦透镜的不同曲率面的曲率分布参数和空间相对位置，可形成具有所需的聚焦点相对空间位置，所需的聚焦点光束截面大小，所需的聚焦点空间横截面的能量分布，所需的聚焦点空间分布形状和所需的相对空间深度的两个光束聚焦点的复合光束。
2．如权利要求1所述激光束双聚焦点单面激光加工技术，其特征在于该光学聚焦系统为具有两组不同聚焦半径的透镜式聚焦系统。
3．如权利要求1所述激光束双聚焦点单面激光加工技术，其特征在于该光学聚焦系统为一组反射式聚焦系统和一组透镜式聚焦系统构成的两组具有不同聚焦半径的光学系统。
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