细的说明。
[0026]本发明提供了一种基于单光束时空特性调节的激光加工头，该激光加工头将单个光束先分成两束，其中一束利用锥透镜构成圆环光束，再经过物镜聚焦后，成细环形焦斑作用在工件表面，另一束利用反射镜转折后再经过物镜聚焦后成中心细圆斑，作用在待加工的圆孔中心(根据几何光学，一定在细环形焦斑包围的区域内部)。细环形焦斑和中心细圆斑的直径均可通过光学镜片调节(改变锥透镜与物镜之间距离、选用不同焦距的物镜共同决定不同的细环形焦斑直径，采用不同的锥透镜还可以实现不同的圆环内外环之差，不同焦距的物镜可以实现不同的中心细圆斑直径)，细环形焦斑和中心细圆斑到达工件表面在时间上的先后顺序和二者延时值同样可以通过光学镜片之间的距离调节(即调节分束之后的光程差)，以满足两种不同打孔加工应用需求，具体的说，第一种是打孔孔径极小情况下(孔径不大于50微米)，则使中心细圆斑的直径等于打孔孔径，细环形焦斑首先到达工件表面实现预热作用，然后经过一定延时之后中心细圆斑到达实现中心打孔，第二种是打孔孔径较大情况下(孔径大于50微米)，则使细环形焦斑后与待加工的圆孔直径吻合，中心细圆斑首先到达工件表面实现预热作用，然后经过一定延时之后细环形焦斑到达实现环形打孔。
[0027]如图1所示，基于单光束时空特性调节的激光加工头包括分束镜片1、环形光路系统和中心光路系统；入射激光束10经分束镜片I分束后，将单个激光束分成两束，其中一束经分束镜片I反射后入射至环形光路系统，另外一路经分束镜片I透射后入射至中心光路系统。其中分束镜片I可以是半透半反镜，也可以按照一定比例分配两个激光束。
[0028]所述环形光路系统包括第一平面反射镜6、第一扩束准直镜2、锥透镜组3和聚焦物镜4，第一平面反射镜6、第一扩束准直镜2、锥透镜组3和聚焦物镜4的光轴在同一直线上;
[0029]经分束镜片I分束后的第一束激光束经第一平面反射镜6的反射后，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，入射至锥透镜组3，锥透镜组3产生非衍射环形光束并输出至聚焦物镜4，聚焦物镜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。
[0030]其中，锥透镜组3可以是平凹锥透镜或者平凸锥透镜，也可以是两者的组合；聚焦物镜4可以是聚焦透镜及透镜组(如F-theta组合镜)，也可以是反射式聚焦镜(此时聚焦光路将会空间转折90度后聚焦在工件表面)；锥透镜组3与聚焦物镜4之间距离要求可调，具体实现可以是锥透镜组3移动或聚焦物镜4移动或二者均相对移动。
[0031]所述中心光路系统包括第二扩束准直镜5、第二平面反射镜7和第三与面反射镜8 ;分束镜片1、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，与入射激光束10的方向相同。
[0032]经分束镜片I分束后的第二束激光束经第二扩束准直镜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，入射至聚焦物镜4，聚焦物镜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。，其中，第一平面反射镜6、第二平面反射镜7和第三平面反射镜8的空间方位要求可以调节，以实现光程的变化。
[0033]优选的，在分束镜片I之前还可以增设第三扩束准直镜，以提高光束质量。另外，环形光路系统和中心光路系统中的扩束准直镜也不是必需的，可根据实际情况选用。
[0034]优选的，为了配合打孔应用，可以参照现有激光切割加工头结构，在聚焦物镜4的周围，还可以设置同轴或旁轴吹气，以获得更好的加工效率和加工效果。
[0035]上述基于单光束时空特性调节的激光加工头分束能量调节和光程调节非常灵活，既可以是分束后较低比例能量的中心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环形脉冲直接穿孔(适合于大孔加工)，也可以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(适合于小孔加工)，还可以是二者能量均较高，都实现打孔效果，即形成中心小孔和周围环形孔的组合。
[0036]本发明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。
[0037]本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，比如在激光束进入聚焦物镜之前，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聚焦镜等等，这样的常规技术手段改变不认为脱离本发明的范围。
【主权项】
1.一种基于单光束时空特性调节的激光加工头，其特征在于，包括分束镜片(I)、环形光路系统和中心光路系统；入射激光束(10)经分束镜片(I)分束后，将单个激光束分成两束，其中一束经分束镜片(I)反射后入射至环形光路系统，另外一路经分束镜片(I)透射后入射至中心光路系统； 所述环形光路系统包括第一平面反射镜￠)、锥透镜组(3)和聚焦物镜(4)，第一平面反射镜(6)、锥透镜组(3)和聚焦物镜(4)的光轴在同一直线上； 经分束镜片(I)分束后的第一束激光束经第一平面反射镜(6)的反射后，入射至锥透镜组(3)，锥透镜组(3)产生非衍射环形光束并输出至聚焦物镜(4)，聚焦物镜(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二平面反射镜(7)和第三平面反射镜(8);分束镜片(I)的光轴与第二平面反射镜(7)的光轴在同一直线上，均与入射激光束(10)的方向相同； 经分束镜片(I)分束后的第二束激光束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，入射至聚焦物镜(4)，聚焦物镜(4)将激光束聚焦后输出中心细圆斑在工件(9)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。
2.根据权利要求1所述的基于单光束时空特性调节的激光加工头，其特征在于，所述环形光路系统还包括第一扩束准直镜(2)，第一扩束准直镜(2)设置在第一平面反射镜(6)与锥透镜组(3)之间，第一扩束准直镜(2)的光轴与锥透镜组(3)的光轴在同一直线上。
3.根据权利要求1所述的基于单光束时空特性调节的激光加工头，其特征在于，所述中心光路系统还包括第二扩束准直镜(5)，第二扩束准直镜(5)设置在分束镜片(I)与第二平面反射镜(7)之间，第二扩束准直镜(5)的光轴第二平面反射镜(7)的光轴在同一直线上。
4.根据权利要求1所述的基于单光束时空特性调节的激光加工头，其特征在于，在分束镜片(I)之前还设置有第三扩束准直镜。
5.根据权利要求1所述的基于单光束时空特性调节的激光加工头，其特征在于，在聚焦物镜(4)的周围设置有同轴或旁轴吹气装置。
【专利摘要】本发明提供了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；环形光路系统包括第一平面反射镜、锥透镜组和聚焦物镜，中心光路系统包括第二平面反射镜和第三平面反射镜；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；经分束镜片分束后的第二束激光束经第二平面反射镜和第三平面反射镜的反射后，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。采用本发明所述的激光加工头进行激光打孔时，能保证良好的圆环精度，减小热影响区，提升孔边质量。
【IPC分类】B23K26-0622, B23K26-382, B23K26-067, B23K26-064
【公开号】CN104816087
【申请号】CN201510195608
【发明人】曹宇, 李春林, 魏鑫磊, 何安, 张健, 朱德华, 冯爱新
【申请人】温州大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月17日