[发明专利]一种用于加工纤维材料的激光光束调制方法及系统

说明书

本发明公开了一种用于加工纤维材料的激光光束调制方法及系统，所述调制系统包括：激光器，用于产生激光光束；扩束镜，用于增大激光光斑的直径；波片，用于调节激光光束的线偏振角度；偏振分光镜，用于消除激光光束中的垂直偏振分量；空间光调制器，用于调整激光加工区域的形态分布和能量分布，得到外圈能量低、内圈能量高的圆形加工区域；光学4f系统，对激光光束进行滤波和成像；聚焦组件，用于将多光束激光聚焦形成多个光斑；计算机，用于调控激光器输出激光光束的参数以及控制空间光调制器调整激光加工区域的形态分布和能量分布。

技术领域

本发明属于激光光束调制技术领域，具体涉及一种用于加工纤维材料的激光光束调制方法及系统。

背景技术

芳纶纤维以增强基树脂为基体的复合材料，以其高强度、高模量、密度小、耐高温以及耐腐蚀性等诸多优点广泛应用于航空航天制造业中。然而，芳纶纤维是一种典型的难加工材料，具有韧性好、难以切断等问题。

运用机械钻削方法对切削芳纶纤维材料进行制孔产生的大量热量会使得树脂融化粘结在工件已加工表面和钻削刀具上，导致芳纶纤维钻削时制孔质量差，刀具磨损严重，钻削效率低。

运用长脉冲激光与连续激光对芳纶纤维进行激光制孔时，芳纶纤维产生的大量热量使得树脂基体局部产生降解、分解等热损伤，纤维/基体界面因聚合物降解而减弱，导致芳纶纤维材料产生分层、拉毛、抽丝等缺陷。运用激光单光束进行加工时，加工效率过低。又由于芳纶纤维复合材料导热率小，当单脉冲能量过大时，效率高，但制孔质量很差，边缘容易出现糊边。当脉冲能量过小时，热影响小，但加工效率低，甚至无法切穿孔。因此，在对激光光束进行调制时，需要降低激光加工区域外缘的能量，提高激光加工区域内圈的能量，在保证加工效率的同时，尽量减小热影响，提高制孔质量。

公开号为CN212569305U的中国专利公开了一种激光光束整形装置，该激光光束整形装置包括，沿激光光路依次设置的激光器、用于调节激光直径的调节组件、空间光调制器、第一凸透镜、第二凸透镜、聚焦物镜和工作平台；激光器发出的激光经调节组件调节后，入射到空间光调制器上，产生空间整形激光；整形后的空间整形激光依次经过第一凸透镜和第二凸透镜入射至聚焦物镜后，经由聚焦物镜聚焦照射在工作平台的待加工物料上；空间光调制器、第一凸透镜、第二凸透镜和聚焦物镜共同构成4F系统。本激光光束整形装置通过空间光调制器加载相位的变化可以自由调控光斑的能量分布、光斑形貌和数量，提高了激光开槽的质量以及效率。

公开号为CN106646895B的中国专利公开了一种基于空间光调制器的激光光束整形装置及方法，装置由激光器、扩束镜、第一反射镜、快门、第二反射镜、空间光调制器、第一透镜、光阑、分束镜、第三反射镜、第二透镜、工作台、第三透镜、CCD相机和电脑组成；本发明首先根据目标形状需求设计掩模图，然后将得到的掩模图加载到空间光调制器上，去除光学衍射的高阶光后，利用由第一透镜和第二透镜组成的光学4f系统将零阶光在空间光调制器近场形成的像传递到待加工表面，最后使用CCD相机进行观测；本发明不需要复杂计算，节约时间；终成像的激光束为平行光束，可在3f之后的任意位置加工，克服了景深的限制；可以有效避免衍射和干涉的影响，提高了光束质量。

可见，现有技术中还没有提出一种有效的激光光束调制方案，来解决纤维材料激光打孔过程中存在的热影响问题；因此，亟需一种加工效率高，同时又不会造成孔边缘热损伤问题的激光加工方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种用于加工纤维材料的激光光束调制方法及系统。本发明运用空间光调制器对激光光束进行分光，采用多光束并行加工来提高加工效率、并且对多光束调控加工区域能量分布，使得圆形加工区域外圈能量低，内圈能量高，这样同时提高加工效率，又能保证热影响区最小。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于加工纤维材料的激光光束调制系统，所述调制系统沿激光光束传播路径依次包括：

激光器，用于产生激光光束；