[发明专利]一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统及加工方法

说明书

本发明提供了一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统，包括沿光路依次设置的激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元，其中，激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元位于同一中轴线；激光束偏转单元包括偏转透镜，偏转透镜的光束入射端端面为平面结构，其光束出射端端面为圆锥面，且圆锥面的母线与偏转透镜的光束入射端端面呈一定角度；聚焦单元和激光束偏转单元的相对距离可调。另外，本发明还提供了采用上述光学系统的微孔加工方法。该发明通过各个光学元件之间的配合，获得能量分布在边缘，可满足不同孔径和锥度的微孔的加工要求的环形激光束，有效解决了现有环形光斑半径调节较小，难以满足不同加工要求的问题。

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统及加工方法。

背景技术

激光打孔在很多领域都有广泛的应用，如何做到打出的孔符合需要的孔径，达到想要的锥度，就是激光打孔需要考虑的主要问题。目前主流的打孔方式是旋切打孔方式，即使用光学装置偏转激光然后通过旋转的方式来实现钻孔，其使用的激光束主要为高斯分布，能量集中在中心区域，而在激光焊接、激光钻孔、激光切割等加工领域，高斯光束并不能满足所有的加工需求，过短焦深加工深孔以及切割材料时会出现较大的锥度和斜面，高斯分布的激光束边缘区域的能量较弱，但依旧会对加工材料产生影响，在加工材料时会产生热累积，进而造成加工边缘存在毛刺，烧灼严重等问题。

使用环形光斑可以有效的解决这一问题，环形光斑相对于高斯分布的激光束，其能量均匀分布在边缘，可以有效避免由于边缘能量不足而产生加工边缘不平整的情况。现有的产生环形光斑的技术主要有基于计算全息法产生组合环形光斑，计算全息原则上可以设计产生含组合环形光斑在内的任意光斑，但由于计算全息一般使用离轴一级衍射光，再加上损耗等因素，所以光能利用率较低，因而相对使用较少；另一种是采用基于光纤实现的可调光斑模式的激光器来产生组合环形光斑，这种方法在光纤内实现光斑分布模式的调节的难度和成本较大，由于无可调节的外部光路，在使用的灵活性、便捷性上有所欠缺。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中环形光斑分布模式的调节的难度和成本较大，难以满足不同加工要求的问题。

为此，本发明提供了一种用于实现微孔锥度可调加工的光学系统，包括沿光路依次设置的激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元，其中，

所述激光束整形单元、激光束偏转单元和聚焦单元位于同一中轴线，激光束沿此中轴线入射；

所述激光束整形单元用于对激光束进行整形，将入射的平行光束变为收束或者发散的光束，从而改变出射光斑大小；

所述激光束偏转单元包括偏转透镜，所述偏转透镜的光束入射端端面为平面结构，其光束出射端端面为圆锥面，且圆锥面的旋转轴与经激光束整形单元整形后的激光束中心重合，圆锥面的母线与偏转透镜的光束入射端端面呈一定角度；经激光束整形单元整形后的激光束由偏转透镜的平面端面入射，经圆锥面偏转后使激光束的能量变为环形分布，并具有一定的偏转角度；

所述聚焦单元用于对环形激光束进行聚焦，得到能量集中的环形光斑；所述聚焦单元和激光束偏转单元的相对距离可调。

进一步的，在激光束整形单元之前还设置有激光器，该激光器出射光强呈高斯分布的平行激光束，且激光器和激光束整形单元之间还设置有用于使激光器出射的激光束沿激光束整形单元的中轴线射入的反射镜，激光束的中心与激光束整形单元的中轴线重合。

进一步的，所述激光束整形单元包括一个固定的第一聚焦镜和一个可沿光路方向来回移动的第二聚焦镜，且第一聚焦镜和第二聚焦镜位于同一中轴线上。

进一步的，所述偏转透镜由圆柱体结构的透镜一和圆锥结构的透镜二组合构成，且透镜二的圆锥底面与透镜一的圆柱底面重合。

进一步的，所述聚焦单元包括配合使用的透镜组。