CN211661330U

CN211661330U - 一种超高速分时加工装置

Info

Publication number: CN211661330U
Application number: CN201922360982.6U
Authority: CN
Inventors: 王雪辉; 冯新康
Original assignee: Wuhan Huagong Laser Engineering Co Ltd
Current assignee: Wuhan Huagong Laser Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2020-10-13
Anticipated expiration: 2029-12-25

Abstract

本实用新型公开一种超高速分时加工装置，包括：激光器光源、脉冲选择器、激光反射镜、振镜、场镜、功率计、驱动器和控制器；所述控制器分别与驱动器、功率计、激光器、振镜连接，用于控制激光器工作，实时获取功率计的监测数据，控制驱动器的参数设置，以及控制振镜调整激光加工路径；所述激光器光源输出的激光束经过脉冲选择器后发生偏转，通过控制脉冲选择器的开关状态得到两路激光脉冲，两路激光脉冲分别经过两个激光反射镜反射后，再分别经过两个振镜、两个场镜到达两个待加工样品表面进行加工。本实用新型可以根据需要对两路分光光路的频率和功率进行快速调整和切换，最大限度用到激光器的最高性能，提升加工效率，节省成本。

Description

一种超高速分时加工装置

技术领域

本实用新型属于激光加工技术领域，具体是一种超高速分时加工装置。

背景技术

随着激光器技术的高速发展，激光器性能也越来越高，主要表现在输出的平均功率更高的同时，其脉冲重复频率也可以更高。在大多数材料的超快激光加工应用中，我们对加工的激光单脉冲能量有范围需求，不能太高也不能太低。单脉冲能量太高会使加工产生的黑边、热影响等区域增大导致加工质量下降；单脉冲能量太低则可能会因低于材料的损伤阈值造成加工失败或使加工效率低下。而在合适的单脉冲能量参数下，又需要尽可能提高激光器平均输出功率，这样才可以显著提高加工效率，因此在保证单脉冲能量不变的条件下提高激光器平均输出功率的唯一办法就是同比例的增加激光器脉冲重复频率。为了不影响加工质量，保证脉冲重叠率不变，在提高激光器脉冲重复频率的同时，其加工速度也必然会相应提升，但受限于振镜最大扫描速度、激光器单脉冲触发控制速度和稳定性等因素，加工速度和激光器脉冲重复频率的提升必然会有一个上限，超过这个上限后反而会使激光加工质量变差。使用合适的单脉冲能量并在一定范围内尽可能高的提高平均输出功率、脉冲重复频率、加工速度等参数可以在保证加工质量的前提下提高加工效率，更大限度的利用激光器性能。

高频高功率激光器是目前激光器技术的主要发展趋势，可以预见不远的将来将会出现在最大功率及最高频率参数下，并不能获得最理想的加工效果。即用合适的功率、频率、加工速度等参数进行加工时并不能使用到激光器本身的最高性能参数。有时考虑到具体工艺需求、激光加工设备的配置及成本等原因甚至只会用到激光器最大功率及最大频率的一半或以下，这样会造成激光器性能及成本的浪费。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提出了一种超高速分时加工装置，在进行激光加工应用时可以根据需要对两路分光光路的频率和功率进行快速调整和切换，最大限度用到激光器的最高性能，提升加工效率，节省成本。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种超高速分时加工装置，沿激光传输路径依次包括：

激光器光源，用于输出激光束；

脉冲选择器，用于对激光束的单个脉冲进行选择并使其光路发生偏转，得到两路光脉冲；

激光反射镜，所述激光反射镜设有两个，两个所述激光反射镜分别用于改变两路光脉冲的传输路径；

振镜和场镜，所述振镜和场镜分别设有两个，两个所述振镜分别用于改变两路激光束的加工路径；两个所述场镜分别用于将两路激光束聚焦到两个待加工样品表面进行加工；

所述加工装置还包括：

功率计，用于实时监测两路光脉冲的光功率；

驱动器，所述驱动器与脉冲选择器连接，用于驱动脉冲选择器进行工作；

控制器，所述控制器分别与驱动器、功率计、激光器、振镜连接，用于控制激光器工作，实时获取功率计的监测数据，控制驱动器的参数设置，以及控制振镜调整激光加工路径；

所述激光器光源输出的激光束经过脉冲选择器后发生偏转，通过控制脉冲选择器的开关状态得到两路激光脉冲，两路激光脉冲分别经过两个激光反射镜反射后，再分别经过两个振镜、两个场镜到达两个待加工样品表面进行加工。

具体地，所述脉冲选择器为声光脉冲选择器，即声光偏转器。

声光脉冲选择器(AOPP，acousto-optics pulse picker)是一种利用声光效应对激光束进行调制的晶体。使用射频驱动器(RFdriver)在各向同性晶体(如结晶石英或熔融石英)中产生超声波，会引起晶体内部周期性的折射率变化而成为相位型衍射光栅，此时如果让激光束入射到晶体中，激光束就会发生衍射，衍射光的强度和方向随超声波的强度和频率的改变而发生变化，这种超声波与光的相互作用，称为声光效应。

当射频驱动器以极快的速度(纳秒级)进行开关动作，即可以实现对激光束(MHz级频率)单个脉冲的选择与偏转，这就是声光脉冲选择器的工作原理。

具体地，所述功率计设有两个，分别设在两个激光反射镜的背面，所述激光反射镜在反射激光的同时，有一小部分激光从反射镜背面透射出来被功率计接收到，功率计根据透射激光的强弱计算出激光束的平均功率值。

具体地，所述驱动器为射频驱动器，通过设置所述射频驱动器完成一次开关动作的频率，这个频率决定了被偏转的脉冲数量也就是偏转光路的频率；射频驱动器根据设置的参数驱动声光脉冲选择器工作，由于声光效应，激光束脉冲会被选择和偏转，在声光脉冲选择器的出光口会产生两束衍射分光光束，两路分光光束的频率和功率之比取决于给射频驱动器设置的参数。

具体地，所述振镜包括摆动电机和反射镜，所述摆动电机通过驱动反射镜摆动来改变激光束的加工路径。

具体地，所述场镜为聚焦透镜，用于将激光束聚焦在待加工样品表面。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型通过脉冲选择器对激光束单脉冲的选择和偏转，得到两束激光脉冲，通过改变射频驱动器的参数可以调制声光脉冲选择器，在一定范围内任意调节两束激光的分光比例，即频率比例和功率比例，实现在线调整和切换功能。这样在进行激光加工应用时可以根据需要对两路分光光路的频率和功率进行快速调整和切换，最大限度用到激光器的最高性能，提升加工效率，节省成本。

附图说明

图1为本实用新型一种超高速分时加工装置的整体结构示意框图；

图2为本实用新型实施例中声光效应的原理图；

图中：1、激光器光源；2、脉冲选择器；3、激光反射镜；4、振镜；5、场镜；6、功率计；7、射频驱动器；8、控制器；9、待加工样品。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前市面上的声光脉冲选择器产品普遍可以实现80MHz频率以下的激光器单脉冲的调制，有些甚至已经可以做到更高。通过声光脉冲选择器后1级衍射光路的频率和功率可以随着声光脉冲选择器的工作状态而进行任意变化，同时不会改变传输方向，0级衍射光路的频率和功率都会进行相应的下降。通过调制声光脉冲选择器后，将得到的0级和1级衍射光路分别导入到一个新的外光路中，则1级衍射光路和0级衍射光路就可以视为通过声光脉冲选择器得到的两束超高速分时分光光路，两条光路的频率可调，根据射频驱动器完成一次开关动作的频率来定。两条光路在经过后续的振镜偏转、场镜聚焦等其他光学元件后可以到达两个独立的加工平面同时对两块区域的材料进行加工。市场上典型的声光脉冲选择器的衍射效率可达80％以上。

如图1所示，本实施例提供了一种超高速分时加工装置，沿激光传输路径依次包括：

激光器光源1，用于输出高频率、高平均输出功率的激光束；

声光脉冲选择器2，一种声光晶体，用于对激光束的单个脉冲进行选择并使其光路发生偏转，得到两路光脉冲；

激光反射镜3，所述激光反射镜3设有两个，两个所述激光反射镜3分别用于改变两路光脉冲的传输路径，使激光束按照需要的方向进行传输；

振镜4和场镜5，所述振镜4和场镜5分别设有两个，两个所述振镜4分别用于改变两路激光束的加工路径；两个所述场镜5分别用于将两路激光束聚焦到两个待加工样品9表面进行加工；

所述加工装置还包括：

功率计6，用于实时监测两路光脉冲的光功率，并将结果反馈给控制器8；

射频驱动器7，所述射频驱动器7与脉冲选择器2连接，用于驱动脉冲选择器2进行工作；其开关会决定激光脉冲是否被选择和偏转，射频驱动器7工作时设置不同开关频率会使衍射的激光束有不同的频率和功率；通过设置所述射频驱动器7完成一次开关动作的频率，这个频率决定了被偏转的脉冲数量也就是偏转光路的频率；射频驱动器7根据设置的参数驱动声光脉冲选择器2工作，由于声光效应，激光束脉冲会被选择和偏转，在声光脉冲选择器2的出光口会产生两束衍射分光光束，两路分光光束的频率和功率之比取决于给射频驱动器7设置的参数。

控制器8，所述控制器8分别与射频驱动器7、功率计6、激光器、振镜4连接，用于控制激光器工作，实时获取功率计6的监测数据，控制驱动器的参数设置，以及控制振镜4调整激光加工路径；

所述激光器光源1输出的激光束经过脉冲选择器2后发生偏转，通过控制脉冲选择器2的开关状态得到两路激光脉冲，两路激光脉冲分别经过两个激光反射镜3反射后，再分别经过两个振镜4、两个场镜5到达两个待加工样品9表面进行加工。

在各向同性晶体中，入射角一定为晶体的Bragg角θ_B，且入射光束与衍射光束具有很好的对称性，即衍射角等于入射角，这样1级衍射光束与0级衍射光束之间的夹角即偏转角为2θ_B，如附图2所示，图中，L为超声波的宽度，即光束穿过声波的距离；

入射角大小由下式得出：

θ_B为入射角即晶体的Bragg角，F为射频驱动器的驱动频率，v为晶体中超声波的声速，λ为晶体中光脉冲的波长，由入射光波长λ₀及晶体折射率n得出：

由上式可以看出射频频率越高、超声波声速越低，则入射角越大，相应的偏转角也会越大。

可以根据实际需求设置声光脉冲选择器2开关动作的周期间隔，即可实现不同频率的激光单脉冲选择，从而得到相应频率的0级和1级衍射光束。

对于超快激光器，假设其输出激光束频率为4MHz，单脉冲宽度为10ps，则每个脉冲的周期为250ns，目前声光脉冲选择器2开始工作的上升时间普遍为10ns左右，那么可以认为在一个激光脉冲周期内，声光脉冲选择器2有非常充足的时间完成一个激光脉冲的选择和调制。若声光脉冲选择器2进行开关动作的频率为2MHz，则1级衍射光束的频率为2MHz，相应的0级衍射光束的频率为2MHz。同时1级衍射光束的平均功率与0级衍射光束的功率之比也为1:1，与频率比例相同。通过这种超高速分时分光系统，整个加工系统可以变为频率与功率之比均为1:1的双头加工系统，在针对某些材料的应用时，能够成倍提升加工效率。

具体地，所述功率计6设有两个，分别设在两个激光反射镜3的背面，所述激光反射镜3在反射激光的同时，有一小部分激光从反射镜背面透射出来被功率计6接收到，功率计6根据透射激光的强弱计算出激光束的平均功率值。

本实施例中，所述控制器8为计算机，计算机通过加工软件里的加工路径给振镜4控制卡发出指令驱动振镜4做相应的运动。场镜5通过转接圈旋紧固定在振镜4出光口位置。两路分光光路经过全反射镜后进入振镜4场镜5组件，最终聚焦在加工件表面进行加工。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种超高速分时加工装置，其特征在于，沿激光传输路径依次包括：

激光器光源，用于输出激光束；

所述加工装置还包括：

功率计，用于实时监测两路光脉冲的光功率；

2.根据权利要求1所述的一种超高速分时加工装置，其特征在于，所述脉冲选择器为声光偏转器。

3.根据权利要求1所述的一种超高速分时加工装置，其特征在于，所述功率计设有两个，分别设在两个激光反射镜的背面。

4.根据权利要求1所述的一种超高速分时加工装置，其特征在于，所述驱动器为射频驱动器，通过设置所述射频驱动器完成一次开关动作的频率，调整两路激光脉冲的频率或功率之比。

5.根据权利要求1所述的一种超高速分时加工装置，其特征在于，所述振镜包括摆动电机和反射镜，所述摆动电机通过驱动反射镜摆动来改变激光束的加工路径。

6.根据权利要求1所述的一种超高速分时加工装置，其特征在于，所述场镜为聚焦透镜，用于将激光束聚焦在待加工样品表面。