CN204504504U - 一种基于锥透镜的激光打孔加工头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于锥透镜的激光打孔加工头，包括第三扩束准直镜、分束镜片、环形光路系统和中心光路系统；所述环形光路系统包括第一扩束准直镜、平凹锥透镜和F-theta镜，第三扩束准直镜、分束镜片、第一扩束准直镜、平凹锥透镜和F-theta镜的光轴在同一直线上；所述中心光路系统包括第一平面反射镜、第二扩束准直镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜；第一平面反射镜、第二扩束准直镜和第二平面反射镜的光轴在同一直线上。本实用新型采用了时间和空间上的能量分离，入射单光束经过分束之后，通过设置不同的延时光程，造成了中心脉冲和周围环形脉冲的顺序作用，可以减小热影响区，大大提升孔边质量。
Description
技术领域
本实用新型属于激光加工领域，具体涉及一种基于锥透镜的激光打孔加工头。
背景技术
锥透镜包括平凸(PCX)锥透镜和平凹(PCV)锥透镜。平凸(PCX)锥透镜具有一个凸锥面和一个平面；平凹(PCV)锥透镜具有一个凹锥面和一个平面。它们用于产生可随着距离增加直径，但又保持一致环形厚度的非衍射环形光束。若与准直高斯光束配合使用，平凸(PCX)锥透镜将可形成近似贝塞尔光束并适用于一系列医疗、研究、测量和校准应用的环形光束。这些锥透镜具有精确熔融的石英基片并备有无镀膜以及各种增透膜选项。贝塞尔光束是一种由相等功耗的环形所形成的非衍射光束，平凸(PCX)锥透镜和平凹(PCV)锥透镜可沿着光轴形成环形成像，或形成近似贝塞尔光束的非衍射光束。
激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。激光打孔是利用脉冲激光106～109W/cm2的高功率密度及优良的空间相干性，使工件被照射部位的材料熔化、蒸发，并辅助以高速气流进行各种材料的去除来实现孔的加工。以金属的打孔为例，打孔过程包括以下几个物理过程：(1)吸收与加热阶段，金属吸收光能，工件温度迅速上升，通过热传递透入内部。(2)熔化阶段，材料温度在沸点和熔点之间，当材料温度超过熔点时，开始熔化，熔液表面向材料深处延伸。(3)汽化阶段，材料温度大于沸点，一部分材料被汽化产生材料蒸汽，材料表面开始出现圆窝，溶液表面继续向材料内部延伸。(4)等离子体产生阶段，材料温度远大于沸点，此时少量材料开始被汽化，同时把材料加热到高温；在激光加工头辅助吹气气流作用下，随着温度不断上升，金属蒸汽携带着液相物质以极高的速度从液相底部猛烈的喷溅出来，从而完成打孔过程。
激光打精密小孔(通孔或盲孔)一般是采用脉冲单点钻孔，它适合于孔径不超过光斑直径的情况；加工时光斑固定不动，采用一组重复周期远远大于材料凝固时间的极短脉冲光束来进行打孔加工，由于多次脉冲激光能量的不断积累，使照射区内的材料逐层汽化蒸发，逐渐将孔加深。
但是脉冲单点钻孔对于精密打孔尤其是微孔而言，仍具有不足之处：对于导热各向异性的材料而言，脉冲单点钻孔的焦斑是高斯能量分布，使得热影响区在不同方向上大小不一致，直接影响了孔的圆度和孔边质量，易产生热应力变形；另外，脉冲单点钻孔的高脉冲能量全部、同时作用在同一位置，造成剧烈的熔化、汽化和等离子体现象，大量激光能量被浪费在多余的熔化、汽化和等离子体吸收中，热影响区增大，打孔质量提升困难。
实用新型内容
本实用新型针对上述现有技术的不足，提供了一种基于锥透镜的激光打孔加工头。
本实用新型是通过如下技术方案实现的：
一种基于锥透镜的激光打孔加工头，包括第三扩束准直镜、分束镜片、环形光路系统和中心光路系统；入射激光束入射至第三扩束准直镜，经第三扩束准直镜扩束准直后，入射到分束镜片；
所述环形光路系统包括第一扩束准直镜、平凹锥透镜和F-theta镜，第三扩束准直镜、分束镜片、第一扩束准直镜、平凹锥透镜和F-theta镜的光轴在同一直线上；
经分束镜片分束后的第一束激光束入射至第一扩束准直镜，经第一扩束准直镜扩束准直后，入射至平凹锥透镜，平凹锥透镜产生非衍射环形光束并输出至F-theta镜，F-theta镜将非衍射环形光束聚焦后的细环形焦斑输出至工件的表面；
所述中心光路系统包括第一平面反射镜、第二扩束准直镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜；第一平面反射镜、第二扩束准直镜和第二平面反射镜的光轴在同一直线上；
经分束镜片分束后的第二束激光束经第一平面反射镜的反射后，入射至第二扩束准直镜，经第二扩束准直镜扩束准直后，入射至第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射后，入射至第三平面反射镜，经第三平面反射镜反射后，入射至F-theta镜，F-theta镜将激光束聚焦后输出中心细圆斑在工件的表面。
激光打孔时，脉冲单点钻孔的高脉冲能量全部、同时作用在同一位置，造成剧烈的熔化、汽化和等离子体现象，大量激光能量被浪费在多余的熔化、汽化和等离子体吸收中，热影响区增大，打孔质量提升困难。本实用新型则采用了时间和空间上的能量分离，入射单光束经过分束之后，采用非衍射贝塞尔光束代替传统的高斯光束获得均匀的能量分布，由于经过不同的光程，造成了中心脉冲和周围环形脉冲的顺序作用，即环形脉冲先作用在工件表面、预热待钻孔位置之后再由中心脉冲直接打孔，由于脉冲能量的时空调配(中心脉冲和周围环形脉冲的能量比例由分束镜片控制)，都可以减少激光能量浪费在无用的过度熔化、汽化和等离子体吸收现象，从而可以减小热影响区，大大提升孔边质量。
附图说明
图1为本实用新型所述基于锥透镜的激光打孔加工头的原理图；
图中各符号的含义如下：分束镜片1、第一扩束准直镜2、平凹锥透镜3、F-theta镜4、第二扩束准直镜5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、第三平面反射镜8、工件9、入射激光束10、第三扩束准直镜11。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
如图1所示，基于锥透镜的激光打孔加工头包括第三扩束准直镜11、分束镜片1、环形光路系统和中心光路系统；入射激光束10入射至第三扩束准直镜11，经第三扩束准直镜11扩束准直后，入射到分束镜片1，经分束镜片1分束后，将单个激光束分成两束，其中一束经分束镜片1透射后入射至环形光路系统，另外一路经分束镜片1反射后入射至中心光路系统。其中分束镜片1可以是半透半反镜，也可以按照一定比例分配两个激光束。
所述环形光路系统包括第一扩束准直镜2、平凹锥透镜3和F-theta镜4，第三扩束准直镜11、分束镜片1、第一扩束准直镜2、平凹锥透镜3和F-theta镜4的光轴在同一直线上；
经分束镜片1分束后的第一束激光束入射至第一扩束准直镜2，经第一扩束准直镜2扩束准直后，入射至平凹锥透镜3，平凹锥透镜3产生非衍射环形光束并输出至F-theta镜4，F-theta镜4将非衍射环形光束聚焦后的细环形焦斑输出至工件9的表面。
所述中心光路系统包括第一平面反射镜6、第二扩束准直镜5、第二平面反射镜7和第三平面反射镜8；第一平面反射镜6、第二扩束准直镜5和第二平面反射镜7的光轴在同一直线上。
经分束镜片1分束后的第二束激光束经第一平面反射镜6的反射后，入射至第二扩束准直镜5，经第二扩束准直镜5扩束准直后，入射至第二平面反射镜7，经第二平面反射镜7反射后，入射至第三平面反射镜8，经第三平面反射镜8反射后，入射至F-theta镜4，F-theta镜4将激光束聚焦后输出中心细圆斑在工件9的表面，根据几何光学，该输出中心细圆斑的位置位于环形光路系统输出的细环形焦斑的中心。
上述基于锥透镜的激光打孔加工头分束能量调节和光程调节非常灵活，根据上述光学元件的空间布置进行光程计算，将是较低比例能量的环形脉冲先作用在工件表面、预热待钻孔位置之后再由较高比例能量的中心脉冲直接打孔，二者的延时可以灵活设置。
本实用新型的打孔对加工通孔和盲孔两种应用均适用，故以上所述的孔包括通孔和盲孔两种形式。
本实用新型可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，比如在激光束进入F-theta镜之前，在光路的任意合适位置添加扩束准直镜、或者添加若干反射镜使光路多反射转折几次再进入F-theta镜等等，这样的常规技术手段改变不认为脱离本实用新型的范围。
Claims (1)
1.一种基于锥透镜的激光打孔加工头，其特征在于，包括第三扩束准直镜(11)、分束镜片(1)、环形光路系统和中心光路系统；入射激光束(10)入射至第三扩束准直镜(11)，经第三扩束准直镜(11)扩束准直后，入射到分束镜片(1)；
所述环形光路系统包括第一扩束准直镜(2)、平凹锥透镜(3)和F-theta镜(4)，第三扩束准直镜(11)、分束镜片(1)、第一扩束准直镜(2)、平凹锥透镜(3)和F-theta镜(4)的光轴在同一直线上；
经分束镜片(1)分束后的第一束激光束入射至第一扩束准直镜(2)，经第一扩束准直镜(2)扩束准直后，入射至平凹锥透镜(3)，平凹锥透镜(3)产生非衍射环形光束并输出至F-theta镜(4)，F-theta镜(4)将非衍射环形光束聚焦后的细环形焦斑输出至工件(9)的表面；
所述中心光路系统包括第一平面反射镜(6)、第二扩束准直镜(5)、第二平面反射镜(7)和第三平面反射镜(8)；第一平面反射镜(6)、第二扩束准直镜(5)和第二平面反射镜(7)的光轴在同一直线上；
经分束镜片(1)分束后的第二束激光束经第一平面反射镜(6)的反射后，入射至第二扩束准直镜(5)，经第二扩束准直镜(5)扩束准直后，入射至第二平面反射镜(7)，经第二平面反射镜(7)反射后，入射至第三平面反射镜(8)，经第三平面反射镜(8)反射后，入射至F-theta镜(4)，F-theta镜(4)将激光束聚焦后输出中心细圆斑在工件(9)的表面。
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