[發(fā)明專利]一種用于實(shí)現(xiàn)微孔錐度可調(diào)加工的光學(xué)系統(tǒng)及加工方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011149627.5
• 申請(qǐng)日: 2020-10-23
• 公開（公告）號(hào): CN112247378A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 秦慶全;秦應(yīng)雄;程明;童杰;段光前;龍宙;龍宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢先河激光技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): B23K26/382
• 分類號(hào): B23K26/382;B23K26/046;B23K26/064;B23K26/70
• 代理公司: 北京匯澤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11228
• 代理人: 徐瑛

本發(fā)明提供了一種用于實(shí)現(xiàn)微孔錐度可調(diào)加工的光學(xué)系統(tǒng)，包括沿光路依次設(shè)置的激光束整形單元、激光束偏轉(zhuǎn)單元和聚焦單元，其中，激光束整形單元、激光束偏轉(zhuǎn)單元和聚焦單元位于同一中軸線；激光束偏轉(zhuǎn)單元包括偏轉(zhuǎn)透鏡，偏轉(zhuǎn)透鏡的光束入射端端面為平面結(jié)構(gòu)，其光束出射端端面為圓錐面，且圓錐面的母線與偏轉(zhuǎn)透鏡的光束入射端端面呈一定角度；聚焦單元和激光束偏轉(zhuǎn)單元的相對(duì)距離可調(diào)。另外，本發(fā)明還提供了采用上述光學(xué)系統(tǒng)的微孔加工方法。該發(fā)明通過(guò)各個(gè)光學(xué)元件之間的配合，獲得能量分布在邊緣，可滿足不同孔徑和錐度的微孔的加工要求的環(huán)形激光束，有效解決了現(xiàn)有環(huán)形光斑半徑調(diào)節(jié)較小，難以滿足不同加工要求的問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于實(shí)現(xiàn)微孔錐度可調(diào)加工的光學(xué)系統(tǒng)及加工方法。

背景技術(shù)

激光打孔在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如何做到打出的孔符合需要的孔徑，達(dá)到想要的錐度，就是激光打孔需要考慮的主要問(wèn)題。目前主流的打孔方式是旋切打孔方式，即使用光學(xué)裝置偏轉(zhuǎn)激光然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔，其使用的激光束主要為高斯分布，能量集中在中心區(qū)域，而在激光焊接、激光鉆孔、激光切割等加工領(lǐng)域，高斯光束并不能滿足所有的加工需求，過(guò)短焦深加工深孔以及切割材料時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的錐度和斜面，高斯分布的激光束邊緣區(qū)域的能量較弱，但依舊會(huì)對(duì)加工材料產(chǎn)生影響，在加工材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱累積，進(jìn)而造成加工邊緣存在毛刺，燒灼嚴(yán)重等問(wèn)題。

使用環(huán)形光斑可以有效的解決這一問(wèn)題，環(huán)形光斑相對(duì)于高斯分布的激光束，其能量均勻分布在邊緣，可以有效避免由于邊緣能量不足而產(chǎn)生加工邊緣不平整的情況。現(xiàn)有的產(chǎn)生環(huán)形光斑的技術(shù)主要有基于計(jì)算全息法產(chǎn)生組合環(huán)形光斑，計(jì)算全息原則上可以設(shè)計(jì)產(chǎn)生含組合環(huán)形光斑在內(nèi)的任意光斑，但由于計(jì)算全息一般使用離軸一級(jí)衍射光，再加上損耗等因素，所以光能利用率較低，因而相對(duì)使用較少；另一種是采用基于光纖實(shí)現(xiàn)的可調(diào)光斑模式的激光器來(lái)產(chǎn)生組合環(huán)形光斑，這種方法在光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)光斑分布模式的調(diào)節(jié)的難度和成本較大，由于無(wú)可調(diào)節(jié)的外部光路，在使用的靈活性、便捷性上有所欠缺。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中環(huán)形光斑分布模式的調(diào)節(jié)的難度和成本較大，難以滿足不同加工要求的問(wèn)題。

為此，本發(fā)明提供了一種用于實(shí)現(xiàn)微孔錐度可調(diào)加工的光學(xué)系統(tǒng)，包括沿光路依次設(shè)置的激光束整形單元、激光束偏轉(zhuǎn)單元和聚焦單元，其中，

所述激光束整形單元、激光束偏轉(zhuǎn)單元和聚焦單元位于同一中軸線，激光束沿此中軸線入射；

所述激光束整形單元用于對(duì)激光束進(jìn)行整形，將入射的平行光束變?yōu)槭帐蛘甙l(fā)散的光束，從而改變出射光斑大小；

所述激光束偏轉(zhuǎn)單元包括偏轉(zhuǎn)透鏡，所述偏轉(zhuǎn)透鏡的光束入射端端面為平面結(jié)構(gòu)，其光束出射端端面為圓錐面，且圓錐面的旋轉(zhuǎn)軸與經(jīng)激光束整形單元整形后的激光束中心重合，圓錐面的母線與偏轉(zhuǎn)透鏡的光束入射端端面呈一定角度；經(jīng)激光束整形單元整形后的激光束由偏轉(zhuǎn)透鏡的平面端面入射，經(jīng)圓錐面偏轉(zhuǎn)后使激光束的能量變?yōu)榄h(huán)形分布，并具有一定的偏轉(zhuǎn)角度；

所述聚焦單元用于對(duì)環(huán)形激光束進(jìn)行聚焦，得到能量集中的環(huán)形光斑；所述聚焦單元和激光束偏轉(zhuǎn)單元的相對(duì)距離可調(diào)。

進(jìn)一步的，在激光束整形單元之前還設(shè)置有激光器，該激光器出射光強(qiáng)呈高斯分布的平行激光束，且激光器和激光束整形單元之間還設(shè)置有用于使激光器出射的激光束沿激光束整形單元的中軸線射入的反射鏡，激光束的中心與激光束整形單元的中軸線重合。

進(jìn)一步的，所述激光束整形單元包括一個(gè)固定的第一聚焦鏡和一個(gè)可沿光路方向來(lái)回移動(dòng)的第二聚焦鏡，且第一聚焦鏡和第二聚焦鏡位于同一中軸線上。

進(jìn)一步的，所述偏轉(zhuǎn)透鏡由圓柱體結(jié)構(gòu)的透鏡一和圓錐結(jié)構(gòu)的透鏡二組合構(gòu)成，且透鏡二的圓錐底面與透鏡一的圓柱底面重合。

進(jìn)一步的，所述聚焦單元包括配合使用的透鏡組。