CN117226254B - 基于超快激光-长脉冲激光复合的激光打孔装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于超快激光‑长脉冲激光复合的激光打孔方法，包括如下步骤：S1、将超快激光束空间整形转换为贝塞尔光束，同时对贝塞尔光束进行螺旋扫描；S2、将长脉冲激光束与螺旋扫描的贝塞尔光束合束至同一光轴上复合输出；S3、将经步骤S2合束后复合输出的光束聚焦到待打孔的工件表面进行微孔加工。该发明采用长脉冲激光与贝塞尔超快激光复合同步输出进行材料的微孔加工，充分结合贝塞尔超快激光加工的高质量以及长脉冲激光加工的高效率，同时超快激光通过空间整形形成贝塞尔光束，通过螺旋扫描可有效提高超快激光精修微孔重铸层的速度，从而解决现有激光加工的锥度、裂纹等质量问题，且进一步提高了微孔加工效率。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于超快激光-长脉冲激光复合的激光打孔装置及方法。
背景技术
激光打孔技术是激光在材料加工领域最早的应用技术之一。在激光打孔过程中，高能量的脉冲激光聚焦在工件表面，使材料加热、熔化甚至汽化，随后金属蒸气急剧膨胀的反冲压力和高压辅助气体压力共同作用下，熔融材料被挤出孔外，后续的脉冲激光持续上述过程，材料不断地去除直至形成盲孔或者通孔。激光打孔与其他打孔方法相比具有打孔深径比大、无接触、无工具损耗、加工速度快、表面变形小、可以加工各种材料等显著优越性，能良好地满足现代工业产品加工的要求，广泛应用于航空航天、电子仪表及医疗器械等高精尖端产品的关键零部件中。
然而，现有单光束的超快激光加工微孔的加工效率慢，单光束的长脉冲激光加工微孔的加工质量差，孔壁上容易附着一定厚度的重铸层，易引发孔内微裂纹的产生，而一般的超快激光/长脉冲激光复合方法中，也只能通过超快激光作用提高材料移除，并不能从根本上解决微孔加工质量缺陷问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超快激光-长脉冲激光复合的激光打孔方法，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于超快激光-长脉冲激光复合的激光打孔方法，包括如下步骤：
S1、将超快激光束空间整形转换为贝塞尔光束，同时对贝塞尔光束进行螺旋扫描；
S2、将长脉冲激光束与螺旋扫描的贝塞尔光束合束至同一光轴上复合输出；
S3、将经步骤S2合束后复合输出的光束聚焦到待打孔的工件表面进行微孔加工。
进一步的，上述基于超快激光-长脉冲激光复合的激光打孔方法还包括S4、当螺旋扫描贝塞尔光束扫描至微孔边缘轮廓时，关断长脉冲激光束，贝塞尔光束继续扫描至加工形成的微孔孔壁上进行质量修复。
进一步的，所述超快激光束的波长范围为266～2000nm。
进一步的，所述长脉冲激光束的波长范围为266～2000nm。
进一步的，所述超快激光束为皮秒激光或飞秒激光。
进一步的，所述长脉冲激光束为连续激光、毫秒激光或微秒激光。
进一步的，所述长脉冲激光束与螺旋扫描的贝塞尔光束的合束模式为偏振合束、双色镜合束、光谱合束或空间合束。
另外，本发明还提供了一种用于上述的激光打孔方法的激光打孔装置，包括产生超快激光束的第一激光器，产生长脉冲激光束的第二激光器，同步控制器，空间整形装置，光束扫描装置，合束装置和光束聚焦装置；
所述超快激光束入射至所述空间整形装置，所述空间整形装置的出射光入射至所述光束扫描装置，所述光束扫描装置的出射光入射至所述合束装置；所述长脉冲激光束射入合束装置，所述同步控制器控制所述第一激光器和所述第二激光器的输出时序实现所述超快激光束与长脉冲激光束在所述合束装置内复合同步输出，所述合束装置的出射光经过所述光束聚焦装置入射至工件表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的这种基于超快激光-长脉冲激光复合的激光打孔方法采用长脉冲激光与贝塞尔超快激光复合同步输出进行材料的微孔加工，充分结合贝塞尔超快激光加工的高质量以及长脉冲激光加工的高效率，同时超快激光通过空间整形形成贝塞尔光束，通过螺旋扫描可有效提高超快激光精修微孔重铸层的速度，从而解决现有激光加工的锥度、裂纹等质量问题，且进一步提高了微孔加工效率。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明激光打孔装置的结构示意图；
图2是本发明中超快激光束与长脉冲激光束复合的时间叠加示意图；
图3是本发明中超快激光束与长脉冲激光束复合的空间叠加示意图。
附图标记说明：1、第一激光器；2、同步控制器；3、第二激光器；4、空间整形装置；5、光束扫描装置；6、合束装置；7、光束聚焦装置；8、工件；9、超快激光束；10、长脉冲激光束；11、微孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供了一种基于超快激光-长脉冲激光复合的激光打孔方法，包括如下步骤：
S1、将超快激光束9空间整形转换为贝塞尔光束，同时对贝塞尔光束进行螺旋扫描；
S2、将长脉冲激光束10与螺旋扫描的贝塞尔光束合束至同一光轴上复合输出；
S3、将经步骤S2合束后复合输出的光束聚焦到待打孔的工件8表面进行微孔加工。
在本实施例中，将超快激光束9整形成贝塞尔光束，通过长脉冲激光与贝塞尔超快激光同步输出进行微孔加工，从时域来看，空间整形的超快激光束(即贝塞尔超快激光)作用将形成瞬态电子激活，改善激光吸收，同时超快激光可制备缺陷，缺陷的孔壁多重反射可提高材料的吸收，因而利用贝塞尔超快激光作用靶材(即工件)的非线性吸收改善靶材对长脉冲激光的吸收，同时通过超快激光激发的等离子体冲击波增强靶材的溅射排除，进一步提高微孔的加工效率与质量；从空域分布来看，同步输出的长脉冲激光与贝塞尔超快激光可以保证材料有效移除。
进一步的，该基于超快激光-长脉冲激光复合的激光打孔方法还包括S4，当螺旋扫描贝塞尔光束扫描至微孔11边缘轮廓时，关断长脉冲激光束10，此时为单独的超快激光束9作用，超快激光束9仍然为螺旋扫描的贝塞尔光束，对加工形成的微孔11孔壁进行质量修复，充分利用超快激光冷加工特性，从而改善微孔11的重铸层、裂纹、锥度等问题，进一步提升微孔加工质量。
在一些实施例中，所述超快激光束9的波长范围为266～2000nm，所述超快激光束9可选用但不限于皮秒激光或飞秒激光。
在一些实施例中，所述长脉冲激光束10的波长范围为266～2000nm，所述长脉冲激光束10可选用但不限于连续激光、毫秒激光或微秒激光。
其中，上述长脉冲激光束10与螺旋扫描的贝塞尔光束的合束方式可采用偏振合束、双色镜合束、光谱合束、空间合束等，从而实现空间螺旋扫描超快激光与中心输出长脉冲激光的空间聚焦与匹配。
另外，本发明实施例还提供了用于上述的激光打孔方法的激光打孔装置，如图1所示，包括第一激光器1、第二激光器3、同步控制器2、空间整形装置4、光束扫描装置5、合束装置6和光束聚焦装置7。其中，所述第一激光器1用于产生超快激光束9，所述第二激光器3用于产生长脉冲激光束10，所述同步控制器2完成长脉冲激光束10的时域调制以实现占空比、重频可调的脉冲输出，具体可通过数字信号发生器控制激光器实现，或通过声光调制器调控激光传输，同时同步控制器2还控制超快激光束9的持续输出；所述第一激光器1产生的超快激光束9经过空间整形装置4整形成贝塞尔光束，再经过光束扫描装置5螺旋扫描后射入合束装置6；同时所述第二激光器3产生的长脉冲激光束10射入合束装置6，所述同步控制器2控制所述第一激光器1和所述第二激光器3的输出时序实现所述超快激光束9与长脉冲激光束10在所述合束装置6内复合同步输出，所述合束装置6输出的复合光束经过所述光束聚焦装置7射入工件8表面，从而实现对工件8的微孔加工。
其中，空间整形装置4可以选用但不限于轴棱锥透镜，用于将超快激光束转换成贝塞尔光束；光束扫描装置5可以选用但不限于扫描振镜；合束装置6可选用但不限于合束镜，具体可采用偏振合束、双色镜合束、光谱合束、空间合束等方式；光束聚焦装置7可以选用但不限于聚焦透镜。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于超快激光-长脉冲激光复合的激光打孔方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将超快激光束空间整形转换为贝塞尔光束，同时对贝塞尔光束进行螺旋扫描；其中，所述超快激光束的波长范围为266～2000nm，所述超快激光束为皮秒激光或飞秒激光；
S2、将长脉冲激光束与螺旋扫描的贝塞尔光束合束至同一光轴上复合输出；其中，所述长脉冲激光束的波长范围为266～2000nm，所述长脉冲激光束为连续激光、毫秒激光或微秒激光；
S3、将经步骤S2合束后复合输出的光束聚焦到待打孔的工件表面进行微孔加工；
S4、当螺旋扫描贝塞尔光束扫描至微孔边缘轮廓时，长脉冲激光束关断，贝塞尔光束继续扫描至加工形成的微孔孔壁上进行质量修复。
2.如权利要求1所述的基于超快激光-长脉冲激光复合的激光打孔方法，其特征在于：所述长脉冲激光束与螺旋扫描的贝塞尔光束的合束模式为偏振合束、双色镜合束、光谱合束或空间合束。
3.用于如权利要求1或2所述的激光打孔方法的激光打孔装置，其特征在于：包括产生超快激光束的第一激光器，产生长脉冲激光束的第二激光器，同步控制器，空间整形装置，光束扫描装置，合束装置和光束聚焦装置；
所述超快激光束入射至所述空间整形装置，所述空间整形装置的出射光入射至所述光束扫描装置，所述光束扫描装置的出射光入射至所述合束装置；所述长脉冲激光束射入合束装置，所述同步控制器控制所述第一激光器和所述第二激光器的输出时序实现所述超快激光束与长脉冲激光束在所述合束装置内复合同步输出，所述合束装置的出射光经过所述光束聚焦装置入射至工件表面。
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