CN113369717A - 一种激光加工***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光加工***及方法，包括：激光器、偏摆镜、楔形镜组和聚焦镜，所述激光器用于产生激光束，所述偏摆镜设置于所述激光器的光路下游，所述偏摆镜用于调整激光束的飞行角度，所述楔形镜组设置于所述偏摆镜的光路下游，所述楔形镜组用于使激光束进行平移运动，所述聚焦镜设置于所述楔形镜组的光路下游，所述聚焦镜用于对激光束进行聚焦。方法采用了上述的激光加工***。该***和方法可用于进行激光旋切加工。

Description

一种激光加工***及方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特别是一种激光加工***及方法。
背景技术
激光打孔装置内部使用的光学器件及工作原理的不同可将激光打孔分为振镜扫描式打孔***、三光楔旋转扫描打孔***、道威棱镜旋转扫描打孔***。
其中，振镜扫描打孔***为最成熟的打孔***，加工范围大，控制简单。但是由于机械分辨率的限制使得振镜扫描***很难对直径小于0.2mm的微孔进行精密加工。
三光楔旋转扫描打孔***需要保证三个光楔的同步旋转，同时也需要准确控制光楔之间的相对角度，如果控制精度不好这将影响打孔的圆度和锥度，这对电机的旋转控制精度要求极高，同时控制打孔的半径和锥度的算法十分复杂，例如中国专利申请公开号为CN103056519A的公开文本。
道威棱镜的制造和安装误差会对打孔的圆度和锥度产生较大的影响，因此需要使用复杂的补偿光学***来补偿***的制造和安装误差。这不仅大大增加了***的体积和重量，还增加了***的制造难度和生产成本。例如美国专利公开号为US7842901B2的公开文本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决上述所提出的至少一个技术问题。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种激光加工***，包括：激光器、偏摆镜、楔形镜组和聚焦镜，所述激光器用于产生激光束，所述偏摆镜设置于所述激光器的光路下游，所述偏摆镜用于调整激光束的飞行角度，所述楔形镜组设置于所述偏摆镜的光路下游，所述楔形镜组用于使激光束进行平移运动，所述聚焦镜设置于所述楔形镜组的光路下游，所述聚焦镜用于对激光束进行聚焦。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光器和所述偏摆镜之间的光路还设有扩束镜。
作为上述技术方案的进一步改进，所述偏摆镜包括调整构件、设置在所述调整构件上的反射镜，所述调整构件调整反射镜绕x轴和/或y轴倾斜的角度。
作为上述技术方案的进一步改进，所述x轴和所述y轴相互垂直。
作为上述技术方案的进一步改进，所述楔形镜组包括沿光路上游至下游设置的第一楔形镜和第二楔形镜，所述第一楔形镜和所述第二楔形镜互为中心对称设置。
作为上述技术方案的进一步改进，所述聚焦镜和所述楔形镜组之间还设有反光镜，从所述楔形镜组发射光线经过反光镜反射到焦距镜上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述反光镜可透光，所述反光镜的背光侧设有检测器，所述检测器用于检测透过所述反射镜的激光位置。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光器与所述偏摆镜之间的光路还设有PBS分光透镜和四分之一波片，所述激光器产生的激光依次地经过所述PBS分光透镜、所述四分之一波片、所述偏摆镜、所述四分之一波片、所述PBS分光透镜、所述楔形镜组、所述聚焦镜。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一楔形镜和所述第二楔形镜两者之间的距离可调。
本发明还提供了一种应用上述任意技术方案组合的激光加工***的激光加工方法，包括如下步骤，确定激光旋切的半径以及锥度；根据所述锥度调整楔形镜组使激光平移到合适的位置，根据所述半径调整偏摆镜的出射角的角度；在保持偏摆镜的出射角大小的情况下，调整偏摆镜使得出射激光绕光轴旋转，调整楔形镜组使得楔形镜组旋转，且与偏摆镜上出射激光的旋转频率相同；打开激光器。
本发明的有益效果是：激光器产生的激光束后，激光束照射到偏摆镜上，经过偏摆镜反射激光束后经过楔形镜组，楔形镜组对激光束进行平移调整后，经过聚焦镜聚焦而实现激光切割加工，其激光加工时的调整十分方便，而且结构简单。
当需要利用激光进行旋切加工时，使用者可对偏摆镜的摆动角度进行调整，为了实现激光的旋切，使用者可保持激光束出射角的大小不变，而使该出射激光绕光轴顺时针旋转或逆时针旋转，调整楔形镜组使得楔形镜组与其入射激光同步旋转，进而实现激光的旋切。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明的光路结构示意图；
附图中：1-激光器，2-偏摆镜，22-调整构件，21-反射镜，3-楔形镜组，31-第一楔形镜，32-第二楔形镜，4-聚焦镜，5-扩束镜，6-检测器，7-反光镜，8-PBS分光透镜，9-四分之一波片。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1，一种激光加工***，包括：激光器1、偏摆镜2、楔形镜组3和聚焦镜4，所述激光器1用于产生激光束，所述偏摆镜2设置于所述激光器1的光路下游，所述偏摆镜2用于调整激光束的飞行角度，所述楔形镜组3设置于所述偏摆镜2的光路下游，所述楔形镜组3用于使激光束进行平移运动，所述聚焦镜4设置于所述楔形镜组3的光路下游，所述楔形镜组3绕光轴旋转，所述聚焦镜4用于对激光束进行聚焦。
由上述可得，激光器1产生激光束后，激光束照射到偏摆镜2上，经过偏摆镜2反射激光束后经过楔形镜组3，楔形镜组3对激光束进行平移调整后，经过聚焦镜4聚焦而实现激光切割加工；当需要利用激光进行旋切加工时，使用者可对偏摆镜2的摆动角度进行调整，例如需要切割一个圆孔时，使用者通过调整偏摆镜2而调整偏摆镜2的所反射的激光束的出射角，出射角越大旋切的半径越大，反之，出射角越小旋切的半径越小；为了实现激光的旋切，使用者可保持激光束出射角的大小不变，而使该出射激光绕光轴顺时针旋转或逆时针旋转，调整楔形镜组3使得楔形镜组3与其入射激光同步旋转，进而实现激光的旋切。
在实际使用中，激光器1可产生激光束并以一定的角度照射到偏摆镜2上。
此外，偏摆镜2可通过调整激光束的飞行角度，例如是使激光束的出射角度朝向光轴但持续地改变朝向，同时，配合楔形镜组3绕光轴的旋转，优选的楔形镜组3与从偏摆镜2出射光束同步旋转，如此，可实现激光旋切的功能。
在一些实施例中，所述激光器1和所述偏摆镜2之间的光路还设有扩束镜5。该结构简单、设置方便。通过该扩束镜5的设置，能够有效地扩展激光束的直径，同时是减小激光束的发散角，从而扩束后的光束可被聚焦得更小。
在一些实施例中，所述偏摆镜2包括调整构件22、设置在所述调整构件22上的反射镜21，所述调整构件22调整反射镜21绕x轴和/或y轴倾斜的角度。
使用时，使用者通过改变调整构件22，使得设置在调整构件22上的反射镜21发生倾斜，实现调整经反射镜21反射的激光束的出射角。
例如，该调整构件22可以是压电陶瓷、音圈电机或磁致伸缩材料等可准确调整反射镜21的倾斜角度的构件。
在实际使用中，为了实现激光的旋切加工，使用者可通过调整调整构件22，使得反射镜21发生倾斜，该倾斜的角度大小保持不变，使用者再通过调整倾斜的角度的朝向，例如使反射镜21倾斜角度的朝向持续地绕光轴旋转，从而实现激光的旋切。
在一些实施例中，所述x轴和所述y轴相互垂直。该结构简单、设置方便，可方便使用者调整反射镜21的朝向以及反射镜21的倾斜角度的大小。
在一些实施例中，所述楔形镜组3包括沿光路上游至下游设置的第一楔形镜31和第二楔形镜32，所述第一楔形镜31和所述第二楔形镜32互为中心对称设置。
可选的，第一楔形镜31和第二楔形镜32的大小、规格相同，但第一楔形镜31和第二楔形镜32放置的方向相反，光路下游的第二楔形镜32用于矫正光路上游的第一楔形镜31对入射光线的改变，使得光路下游的第二楔形镜32出射光线的角度与入射到第一楔形镜31的角度相同，从而实现对激光束的平移。
优选的，第一楔形镜31采用石英材质或光学玻璃材质。可选的，第一楔形镜31的外径为5mm至30mm，厚度为3mm至8mm。第一楔形镜31的楔角为6°至12°。
相应地，第二楔形镜32可与第一楔形镜31采用同样材质、同样规格。使用者可根据实际情况对第一楔形镜31、第二楔形镜32的规格、材质进行选择。
在一些实施例中，所述聚焦镜4和所述楔形镜组3之间还设有反光镜7，从所述楔形镜组3发射光线经过反光镜7反射到焦距镜上。
在一些实施例中，所述反光镜7可透光，所述反光镜7的背光侧设有检测器6，所述检测器6用于检测透过所述反光镜7的激光位置。
在实际使用中，使用者可针对反光镜7进行选用。例如使用者可选用透光率在1％至10％的反光镜7，透光率越大，该反光镜7所反射的激光所包含的能量越小。从而，使用者可根据实际情况，例如所需要加工物料的材质、体积大小等选用不同的反光镜7。
在一些实施例中，所述激光器1与所述偏摆镜2之间的光路还设有PBS分光透镜8和四分之一波片9，所述激光器1产生的激光依次地经过所述PBS分光透镜8、所述四分之一波片9、所述偏摆镜2、所述四分之一波片9、所述PBS分光透镜8、所述楔形镜组3、所述聚焦镜4。
使用时，激光器1产生的激光为线偏振镜光，首次通过PBS分光透镜8时未能穿过PBS分光透镜8，在PBS分光棱镜的分光作用下，使激光束反射。折射后的激光穿过四分之一波片9，入射和出射四分之一波片9的激光之间相位差为π/2，导致激光延迟了四分之一周期的延迟，一个周期为2π。当激光第二次穿过四分之一波片9后，从四分之一波片9射出的激光与首次入射到四分之一波片9的激光束的相位差为π，即产生了二分之一个周期的延迟，经过两次四分之一波片9后的激光可完全通过PBS分光透镜8。
优选的，首次入射到PBS分光透镜8的激光束与出射该PBS分光透镜8的夹角为90°。从而，使用者可使激光束垂直地入射到偏摆镜2上，可方便地调整偏摆镜2的角度，例如是使激光束沿光轴入射到偏摆镜2。
在一些实施例中，所述第一楔形镜31和所述第二楔形镜32两者之间的距离可调。通过调整第一楔形镜31和第二楔形镜32之间的距离，可调整激光束平移的距离，第一楔形镜31和第二楔形镜32之间的距离越远平移的距离越大，通过调整激光束平移的距离可调整激光旋切时的锥度大小。
本发明还提供了一种应用上述任意技术方案组合的激光加工***的激光加工方法，包括如下步骤，确定激光旋切的半径以及锥度；根据所述锥度调整楔形镜组3使激光平移到合适的位置，根据所述半径调整偏摆镜2的出射角的角度；在保持偏摆镜2的出射角大小的情况下，调整偏摆镜2使得出射角绕光轴旋转，调整楔形镜组3使得楔形镜组3旋转，且与偏摆镜2上出射激光的出射角的旋转频率相同；打开激光器1。
所述旋切半径为R，所述R＝f*tanβ1＝f*tan2w，所述f为聚焦镜4的焦距，所述β1为偏摆镜2反射光束后的出射角，所述w为偏摆镜2镜的倾斜角度；所述加工锥角为θ，所述θ＝aretsn[(L1tanβ1-L2tanβ2-L3tanβ1-R)/f]，其中L1为偏摆镜2距离楔形镜组3之间的距离，本实施例中为偏摆镜2距离第一楔形镜31的距离，L2为楔形镜组3中的第一楔形镜31和第二楔形镜32之间的距离，楔形镜组3与聚焦镜4之间的距离，本实施例中为第二楔形镜32与聚焦镜4之间的距离，R为旋切半径，f为聚焦镜4的焦距；楔形镜2出射光线与光轴之间的夹角为β2，所述
Figure BDA0003152199900000091
其中n2为第一楔形镜31的折射率，α为楔形镜2的楔角。
本实施例中，第一楔形镜31与第二楔形镜32的规格、材质相同，折射方向相反。
由于附图和上述文字已经针对上述激光加工***进行了相关的论述，故此处不再针对激光加工***进行展开论述。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种激光加工***，其特征在于，包括：
激光器(1)，所述激光器(1)用于产生激光束；
偏摆镜(2)，所述偏摆镜(2)设置于所述激光器(1)的光路下游，所述偏摆镜(2)用于调整激光束的飞行角度；
楔形镜组(3)，所述楔形镜组(3)设置于所述偏摆镜(2)的光路下游，所述楔形镜组(3)用于使激光束进行平移运动；
聚焦镜(4)，所述聚焦镜(4)设置于所述楔形镜组(3)的光路下游，所述聚焦镜(4)用于对激光束进行聚焦。
2.根据权利要求1所述的激光加工***，其特征在于，所述激光器(1)和所述偏摆镜(2)之间的光路还设有扩束镜(5)。
3.根据权利要求1所述的激光加工***，其特征在于，所述偏摆镜(2)包括调整构件(22)、设置在所述调整构件(22)上的反射镜(21)，所述调整构件(22)调整反射镜(21)绕x轴和/或y轴倾斜的角度。
4.根据权利要求3所述的激光加工***，其特征在于，所述x轴和所述y轴相互垂直。
5.根据权利要求1所述的激光加工***，其特征在于，所述楔形镜组(3)包括沿光路上游至下游设置的第一楔形镜(31)和第二楔形镜(32)，所述第一楔形镜(31)和所述第二楔形镜(32)互为中心对称设置。
6.根据权利要求3所述的激光加工***，其特征在于，所述聚焦镜(4)和所述楔形镜组(3)之间还设有反光镜(7)，从所述楔形镜组(3)发射光线经过反光镜(7)反射到聚焦镜(4)上。
7.根据权利要求6所述激光加工***，其特征在于，所述反光镜(7)可透光，所述反光镜(7)的背光侧设有检测器(6)，所述检测器(6)用于检测透过所述反射镜(21)的激光位置。
8.根据权利要求1所述的激光加工***，其特征在于，所述激光器(1)与所述偏摆镜(2)之间的光路还设有PBS分光透镜(8)和四分之一波片(9)，所述激光器(1)产生的激光依次地经过所述PBS分光透镜(8)、所述四分之一波片(9)、所述偏摆镜(2)、所述四分之一波片(9)、所述PBS分光透镜(8)、所述楔形镜组(3)、所述聚焦镜(4)。
9.根据权利要求5所述的激光加工***，其特征在于，所述第一楔形镜(31)和所述第二楔形镜(32)两者之间的距离可调。
10.一种应用如权利要求1-9任一项所述激光加工***的激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤，确定激光旋切的半径以及锥度；根据所述锥度调整楔形镜组(3)使激光平移到合适的位置，根据所述半径调整偏摆镜(2)的出射角的角度；在保持偏摆镜(2)的出射角大小的情况下，调整偏摆镜(2)使得出射激光绕光轴旋转，调整楔形镜组(3)使得楔形镜组(3)旋转，且与偏摆镜(2)上出射角的旋转频率相同；打开激光器(1)。
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