一种基于单光束时空特性调节的激光加工头的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工领域，具体涉及一种基于单光束时空特性调节的激光加工头。
【背景技术】
[0002]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、研宄、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。
[0003]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16?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:(I)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。
[0004]激光打圆孔(通孔或盲孔)一般有两种方式，第一种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。第二种方式是切孔，即光斑沿着轮廓线行进，将孔内材料直接切除，其适用于直径大于光斑的孔。
[0005]以上两种激光打孔技术虽然在工业领域得到广泛应用，但对于精密打孔尤其是微孔而言，仍具有不足之处:1)脉冲单点钻孔和切孔各自应用的钻孔孔径存在难以覆盖的中间地带，脉冲单点钻孔为了保持足够的能量密度和打孔圆度，焦斑半径一般在50微米以下，而切孔需要运动机构做两轴或三轴插补运动以使得焦斑与工件产生圆周相对移动，而对于孔径过小的孔来说(比如说0.5_以内)，运动机构的精度要求非常高，使得激光打孔机构的成本很高，且孔的圆度也往往仍不够理想；2)由于插补运动的存在，使得切孔的效率远不如脉冲单点钻孔高，并且由于运动机构运动速度的限制，不可采用过高的激光功率，限制了高功率激光器的运用；3)对于导热各向异性的材料而言，脉冲单点钻孔和切孔的焦斑都是高斯能量分布，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；4)脉冲单点钻孔和切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。
【发明内容】
[0006]本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于单光束时空特性调节的激光加工头。
[0007]本发明是通过如下技术方案实现的:
[0008]一种基于单光束时空特性调节的激光加工头，包括分束镜片、环形光路系统和中心光路系统；入射激光束经分束镜片分束后，将单个激光束分成两束，其中一束经分束镜片反射后入射至环形光路系统，另外一路经分束镜片透射后入射至中心光路系统；
[0009]所述环形光路系统包括第一平面反射镜、锥透镜组和聚焦物镜，第一平面反射镜、锥透镜组和聚焦物镜的光轴在同一直线上；
[0010]经分束镜片分束后的第一束激光束经第一平面反射镜的反射后，入射至锥透镜组，锥透镜组产生非衍射环形光束并输出至聚焦物镜，聚焦物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；
[0011]所述中心光路系统包括第二平面反射镜和第三平面反射镜；分束镜片的光轴与第二平面反射镜的光轴在同一直线上，均与入射激光束的方向相同；
[0012]经分束镜片分束后的第二束激光束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，入射至聚焦物镜，聚焦物镜将激光束聚焦后输出中心细圆斑在工件的表面；所述中心细圆斑所在的位置位于环形光路系统输出的细环形焦斑的中心。，
[0013]优选的，所述环形光路系统还包括第一扩束准直镜，第一扩束准直镜设置在第一平面反射镜与锥透镜组之间，第一扩束准直镜的光轴与锥透镜组的光轴在同一直线上。
[0014]优选的，所述中心光路系统还包括第二扩束准直镜，第二扩束准直镜设置在分束镜片与第二平面反射镜之间，第二扩束准直镜的光轴第二平面反射镜的光轴在同一直线上。
[0015]优选的，在分束镜片之前还设置有第三扩束准直镜。
[0016]优选的，在聚焦物镜的周围设置有同轴或旁轴吹气装置。
[0017]本发明具有如下有益效果:
[0018]1、采用本发明所述的激光加工头进行激光打孔时，孔形由锥透镜特性保证，且改变锥透镜与物镜之间距离、选用不同焦距的物镜就可以实现不同的圆环直径(即加工孔径)，采用不同的锥透镜还可以实现不同的圆环内外环之差，因此不但从光学原理上能够保证良好的通孔圆度，还能保证良好的圆环精度即特别适合圆环形盲孔加工，这是传统脉冲单点打孔和切孔非常难以做到的。
[0019]2、脉冲单点钻孔和切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。本发明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，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，既可以是中心脉冲先作用在工件表面、预热待钻孔位置之后再由环形脉冲直接穿孔(适合于大孔加工)，也可以是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(适合于小孔加工)，无论是大孔还是小孔加工应用，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。
[0020]3、采用本发明所述的激光加工头进行激光打孔时，无须光斑运动，比切孔方式效率极大提高；同时由于加工时不须光斑运动，因此毫无运动精度误差，孔的圆度误差不随孔径大小而影响，另一方面由于不存在运动机构运动速度的限制，因此避免了传统切孔方式对过尚激光功率的限制，有利于尚功率激光器的运用。
[0021]4、本发明利用非衍射贝塞尔能量分布光束进行直接光学穿孔加工，对于导热各向异性的材料而言，一方面，环形光束保证了各方向上被辐照的宽度尺寸非常接近(脉冲单点钻孔和切孔的焦斑都是高斯能量分布使得各方向上被辐照的宽度尺寸差别很大)，另一方面孔径边界同时加热，热应力对称(而切孔时沿切孔圆周方向存在热应力循环)，因此加工出的孔热影响区在不同方向上大小接近一致，可以大大提高孔的圆度和孔边质量，减少热应力变形。
【附图说明】
[0022]图1为本发明所述基于单光束时空特性调节的激光加工头的原理图；
[0023]图中各符号的含义如下:
[0024]分束镜片1、第一扩束准直镜2、锥透镜组3、聚焦物镜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。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详