專利名稱：平頂高斯光束皮秒脈沖激光加工系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光加工系統(tǒng)，特別是涉及一種三波長混合，并具有能夠?qū)⑵っ朊}沖高斯光束整形為皮秒脈沖平頂高斯光束后的激光加工系統(tǒng)，屬于激光精密加工制造技術領 域。
背景技術：
皮秒脈沖激光由于熱量沉積到材料里的過程比熱量擴散到加工區(qū)域周邊的過程快速，這樣就可以有效的避免連續(xù)激光和寬脈寬脈沖激光在加工中引起的明顯熱效應，因此也被稱之為激光冷加工，皮秒脈沖激光的冷加工依靠被加工物質(zhì)的應力破壞來實現(xiàn)加工，這與連續(xù)激光和寬脈寬脈沖激光熔融物質(zhì)的熱加工存在本質(zhì)不同。與普通的高斯光束相比，平頂高斯光束在光斑橫截面內(nèi)能量分布均勻，利用平頂高斯光束對金屬材料進行加工時，可以通過調(diào)節(jié)激光光束的能量(功率)密度，使之低于材料汽化點，來避免材料的汽化和爆裂隙的產(chǎn)生、保證加工結(jié)果的平滑化和均勻性。高斯光束的能量分布如圖1，平頂高斯光束的能量分布如圖2所示。由于平頂高斯光束加工后獲得的孔截面是近梯形，這使得在使用平頂高斯光束進行加工時，可以一次加工較寬的范圍，并且保證被加工的底面更加平整。而采用高斯光束加工會出現(xiàn)中間凹邊緣高的近高斯形狀。如果采用多高斯光束同時加工，或者單一高斯光束移位加工，也只能獲得由多個高斯分布頂端組合成的波浪形的近似平面，并且采用高斯光束移位加工會降低效率，采用多光束加工時還要受到干涉的影響。由于平頂高斯光束具有平頂加工的優(yōu)勢，能夠更好的實現(xiàn)精細的平整加工，因此將其整合到皮秒激光精細加工中，具有很好的實際意義。申請?zhí)枮?00710020072. 2的專利，要求了一種將高斯光束從中間分開，然后將兩個截面為半圓的半高斯分布光束背向組合來實現(xiàn)平頂加工的技術方案。這種技術方案在連續(xù)激光和寬脈寬脈沖激光的熱加工中可以較好的使用，但應用在皮秒冷加工系統(tǒng)中時，由于皮秒冷加工的本質(zhì)與熱加工不同，加工結(jié)果與光斑形狀極為相似。而由兩個半圓背向組合構(gòu)成的光斑能量分布并不均勻，因此只能產(chǎn)生接近兩個半高斯分布光束背向組合的加工結(jié)果，不能很好的實現(xiàn)底面為平頂?shù)募庸ばЧ?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于解決皮秒脈沖高斯光束加工時不能夠進行寬范圍平頂加工的問題，提供一種多波長混合的，具有可以實現(xiàn)精確平頂加工的皮秒脈寬激光加工系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供的用于平頂加工的皮秒脈寬激光加工系統(tǒng)，包括一個皮秒激光光源 1 ；一個倍頻裝置2 ；反射鏡組3 ；—個非球面整形透鏡組4 ；一個擴束系統(tǒng)5 ；可控制反射鏡 6 ；一個聚焦鏡7 ；—個被加工的工作件8 ；一個控制裝置9。在上述的技術方案中，所述的皮秒激光光源1用來產(chǎn)生加工用的高斯分布皮秒脈寬激光。
在上述的技術方案中，所述的倍頻裝置2用來將單一波長的皮秒脈寬激光轉(zhuǎn)變成混合波長的激光。

在上述的技術方案中，所述的反射鏡組3包括1至10個的反射鏡設置在所述的皮秒激光光源1之后，組合起來控制激光束經(jīng)過所述的非球面整形透鏡組3的中心。 在上述的技術方案中，所述的非球面整形透鏡組4放置于所述的反射鏡組3之后， 用來將皮秒脈沖高斯光束整形為皮秒脈沖平頂高斯光束。非球面整形透鏡組3由2到4片透鏡構(gòu)成，包括一片或者兩片具有非球面的透鏡。在上述的技術方案中，所述的擴束系統(tǒng)5放置于所述的非球面整形透鏡組4之后， 用來調(diào)節(jié)光束直徑。在上述的技術方案中，所述的可控制反射鏡6放置于所述的擴束系統(tǒng)5之后，用來轉(zhuǎn)折激光方向，同時通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)寬范圍加工。進行移位加工時，兩次加工的光斑通過適當間隙的疊加，能夠很好的實現(xiàn)平頂范圍的擴寬，示意圖3反映了兩次加工軌跡比較接近時，交叉部分疊加，形成了擴寬的平頂加工效果。在上述的技術方案中，所述的聚焦鏡7放置于所述的可控制反射鏡6之后，用來將皮秒脈沖平頂高斯光束聚焦在被加工的工作件7上。在上述的技術方案中，所述的控制裝置9用來控制皮秒激光光源1、非球面整形透鏡組4、擴束系統(tǒng)5，反射鏡6來實現(xiàn)調(diào)節(jié)激光功率(能量)、調(diào)節(jié)聚焦位置、調(diào)節(jié)加工深度、 調(diào)節(jié)加工范圍的功能?？刂蒲b置9可以由計算機或單片電路構(gòu)成的控制臺結(jié)合被操縱的硬件實現(xiàn)。本發(fā)明與已有技術相比具有如下的優(yōu)點1.本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)有效的實現(xiàn)了皮秒脈沖激光情況下的平頂高斯光束加工，而皮秒脈沖激光情況下的平頂高斯光束加工可以在被加工件的表面形成很平整的加工痕跡，這在常見的高斯光束加工下是不能實現(xiàn)的。2.相對于現(xiàn)有的平頂加工技術，采用精密控制反射鏡移動的技術，提高了平頂加工范圍，有效實現(xiàn)了寬范圍平頂高斯光束加工。


圖1是通常激光器輸出時的高斯光束光強(能量)分布曲線。圖2是平頂高斯光束的光強(能量)分布曲線。圖3是兩個平頂高斯分布曲線疊加后的光強(能量)分布曲線。圖4是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1為皮秒激光光源；2為倍頻裝置；3為反射鏡組；4為一個非球面整形透鏡組；5為一個擴束系統(tǒng)；6為可控制反射鏡；7為一個聚焦鏡；8 為一個被加工的工作件；9為一個控制裝置。圖5是采用精密控制反射鏡移動技術，實現(xiàn)平頂高斯光束寬范圍時的加工軌跡圖。其中11為常規(guī)的加工痕跡，通過直線移動被加工件實現(xiàn)；12為實現(xiàn)平頂高斯光束寬范圍精密加工移動的軌跡。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實施例將對本發(fā)明進一步詳細說 明。實施例1參考圖1，制作一個本發(fā)明的皮秒脈沖激光加工裝置，該裝置中使用一臺國科激光公司生產(chǎn)的皮秒激光光源，出射的激光經(jīng)過倍頻裝置2后，形成了由兩種波長混合構(gòu)成的激光。這束激光經(jīng)過反射鏡組3中第一片和第二片反射鏡反射后，經(jīng)過使激光束折轉(zhuǎn)進入非球面整形透鏡組4。其中反射鏡組3可以調(diào)節(jié)，用來保證光束精確通過非球面整形透鏡組4的中心。非球面整形透鏡組4由3片透鏡構(gòu)成，包括兩片具有非球面的透鏡和一片常規(guī)透鏡。非球面透鏡組4與擴束系統(tǒng)5中的透鏡組、聚焦鏡需要共同消除像差，來保證加工精度。擴束系統(tǒng)5由一片凹透鏡和一片凸透鏡構(gòu)成，用來將皮秒激光的光斑直徑擴大并送入可控制反射鏡6。擴束系統(tǒng)5的兩片透鏡可以適當?shù)恼{(diào)節(jié)，來控制聚焦加工點。聚焦鏡7 放置在適當?shù)奈恢蒙?，來把平頂高斯分布的皮秒激光聚焦在工作面上。可控制反射鏡6和聚焦鏡7可以通過控制裝置9來進行操縱，通過左右平移來實現(xiàn)平頂高斯光束的移位寬范圍加工。加工時按照如下步驟1、首先控制裝置8控制反射鏡5和聚焦鏡6遠離擴束系統(tǒng) 4，在加工件上形成一條痕跡；2、然后加工件進行微小的位移；3、控制裝置8再控制反射鏡5 和聚焦鏡6向擴束系統(tǒng)4方向移動，在加工件上形成第二條痕跡。加工件進行的微小位移用來保證兩次平頂高斯光束加工時的光束能量分布在如圖3所示的位置上，這樣就能構(gòu)成一個平坦的頂部能量分布。而上述加工步驟反復進行就可以實現(xiàn)寬范圍的平頂加工?？刂蒲b置8由電腦、計算機軟件結(jié)合電動平移臺實現(xiàn)。實施例2參考圖1，制作一個本發(fā)明的皮秒脈沖激光加工裝置，該裝置中使用一臺 Coherent公司生產(chǎn)的皮秒激光光源，出射的激光照射在反射鏡組2。反射鏡組2由3片反射鏡構(gòu)成，經(jīng)過反射鏡組2折轉(zhuǎn)后的激光進入非球面整形透鏡組3。其中反射鏡組2整合在一個固定的機械結(jié)構(gòu)件中，并保證光束精確通過非球面整形透鏡組3的中心。非球面整形透鏡組3由兩片具有非球面的透鏡構(gòu)成。擴束系統(tǒng)4是一片凹透鏡和一片凸透鏡構(gòu)成的一個固定鏡筒，或者僅由一片凹面透鏡構(gòu)成，用來將皮秒激光的光斑直徑擴大并送入反射鏡 5。反射鏡5和聚焦鏡6固定在適當?shù)奈恢蒙?，來把平頂高斯分布的皮秒激光聚焦在工作面上進行皮秒脈寬平頂高斯光束的加工。
權利要求
1.一種采用平頂高斯光束進行皮秒脈沖激光加工的系統(tǒng)，包括一個皮秒激光光源； 一個反射鏡組；一個倍頻裝置；一個非球面整形透鏡組；一個擴束系統(tǒng)；一個可控制反射鏡；一個聚焦鏡；一個被加工的工作件；一個控制裝置。在上述的技術方案中，所述的皮秒激光光源用來產(chǎn)生加工用的高斯分布皮秒脈寬激光；所述的倍頻裝置用來將單一波長的激光轉(zhuǎn)變成多波長的激光；所述的兩個反射鏡設置在所述的皮秒激光光源之后，組合起來控制激光束經(jīng)過所述的非球面整形透鏡組的中心； 所述的倍頻裝置用來將激光束倍頻，由單一波長變成兩種或三種波長混合的激光；所述的非球面整形透鏡組放置于所述的兩個反射鏡之后，用來將皮秒脈沖高斯光束整形為皮秒脈沖平頂高斯光束；非球面整形透鏡組由2到3片透鏡構(gòu)成，包括一片或者兩片具有非球面的透鏡；所述的擴束系統(tǒng)放置于所述的非球面整形透鏡組之后，用來調(diào)節(jié)光束直徑；所述的可控制反射鏡放置于所述的擴束系統(tǒng)之后，用來轉(zhuǎn)折激光方向，同時通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)寬范圍加工。進行移位加工時，兩次加工的光斑通過適當間隙的疊加，能夠很好的實現(xiàn)平頂范圍的擴寬。
2.按權利要求1所述的采用平頂高斯光束進行皮秒脈沖激光加工的系統(tǒng)，按順序依次采用可以進行單一波長到雙波長或3波長的倍頻裝置2、由1個至10個反射鏡構(gòu)成的反射鏡組、用來將皮秒脈沖高斯光束整形為皮秒脈沖平頂高斯光束的非球面整形透鏡組、由1 至4片透鏡構(gòu)成的擴束系統(tǒng)、用來轉(zhuǎn)折激光方向并通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)寬范圍加工的反射鏡構(gòu)成。這樣可以簡潔高效的實現(xiàn)激光光束從單一頻率到雙波長或三波長的變換、平頂高斯光束整形、擴束聚焦、寬范圍加工的功能。
3.按權利要求1所述的采用平頂高斯光束進行皮秒脈沖激光加工的系統(tǒng)，其特征在于，所述的倍頻裝置由1至10塊倍頻晶體構(gòu)成，其目的是將單一波長的激光轉(zhuǎn)變成兩種或者三中波長激光的混合，來實現(xiàn)不同波長激光的切換加工，或者三種波長中的任意兩種，或者三種波長同時的加工。加工過程中不同波長之間的激光可以按照任意的能量比例進行組合，來應用在加工上。
4.按權利要求1所述的采用平頂高斯光束進行皮秒脈沖激光加工的系統(tǒng)，所述的非球面整形透鏡組放置于所述的反射鏡組之后，用來將皮秒脈沖高斯光束整形為皮秒脈沖平頂高斯光束。非球面整形透鏡組3由2到4片透鏡構(gòu)成，包括一片或者兩片具有非球面的透鏡。
5.按權利要求1所述的采用平頂高斯光束進行皮秒脈沖激光加工的系統(tǒng)，其特征在于，所述的擴束系統(tǒng)放置于所述的非球面整形透鏡組3之后，用來調(diào)節(jié)光束直徑。
6.按權利要求1所述的采用平頂高斯光束進行皮秒脈沖激光加工的系統(tǒng)，其特征在于，所述的可控制反射鏡放置于所述的擴束系統(tǒng)之后，按照如下的過程實現(xiàn)擴展加工(1)控制反射鏡和聚焦鏡在圖平面內(nèi)向遠離擴束系統(tǒng)的方向移動，在加工件上形成一條痕跡；(2)加工件進行微小的位移，來使得兩次加工的平頂范圍分開，并且保證兩次加工的邊緣疊加后與平頂加工效果接近；(3)反射鏡和聚焦鏡向擴束系統(tǒng)方向移動，在加工件上形成第二條痕跡。加工件進行的微小位移用來保證兩次平頂高斯光束加工時的光束能量分布在如圖3所示的位置上，這樣就能構(gòu)成一個平坦的頂部能量分布。而用來將多次加工的軌跡拼接在一起，實現(xiàn)寬范圍平頂高斯光束的加工。
7.按權利要求1所述的采用平頂高斯光束進行皮秒脈沖激光加工的系統(tǒng)，其特征在于，所述的聚焦鏡放置于所述的可控制反射鏡之后，用來將皮秒脈沖平頂高斯光束聚焦在被加工的工作件上。通過所述的控制裝置來控制皮秒激光光源、非球面整形透鏡組、擴束系統(tǒng)，實現(xiàn)調(diào)節(jié)激光功率(能量)、聚焦位置、加工深度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用混合波長、平頂高斯光束進行皮秒脈沖激光加工的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個皮秒激光光源、一個倍頻裝置，一個折轉(zhuǎn)反射鏡組、一個用來將普通的高斯光束整形成平頂高斯光束的非球面整形透鏡組、一個擴束系統(tǒng)、一個可以控制移動的反射鏡、一個聚焦鏡、一個控制裝置構(gòu)成。本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)可以有效的實現(xiàn)皮秒脈沖激光情況下的平頂高斯光束加工，來在加工件表面進行平整加工。此外，采用精密控制技術，可以有效提高平頂加工范圍，實現(xiàn)寬范圍的平整加工。
文檔編號B23K26/073GK102380709SQ20101026857
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權日2010年9月1日
發(fā)明者余錦, 劉洋, 張雪, 樊仲維, 趙天卓, 閆瑩, 麻云鳳 申請人:中國科學院光電研究院, 北京國科世紀激光技術有限公司