一种激光变径旋切孔加工光学系统技术方案

本实用新型专利技术属于光学设计领域，公开了一种激光变径旋切孔加工光学系统，该系统具有旋转轴，并包括依次沿光路设置的以下光学元件：激光束单方向压缩组件，用于诱导激光倾斜角的单片楔形镜(7)，聚焦镜(8)，以及由两片楔角相同的楔形镜构成的、且用于调节聚焦光斑偏移量的第二楔形镜组。本实用新型专利技术通过对系统中各组件的组成及各个组件之间的相互配合工作关系等进行改进，可实现大范围独立调节激光焦点离光轴量，进而可实现所需的孔径，并可补偿激光聚焦光斑离光轴倾斜后因慧差而引起的聚焦光斑畸变，实现加工效果优良的激光变径旋切孔加工工艺；此外，该系统还可进一步独立调节激光倾斜角，调节锥度，实现变锥变径两方面的独立调节。

An optical system for laser variable diameter rotary hole cutting

【技术实现步骤摘要】
一种激光变径旋切孔加工光学系统
本技术属于光学设计领域，更具体地，涉及一种激光变径旋切孔加工光学系统，能够利用激光实现打孔加工，并可进一步实现变锥变径两方面的独立调节。
技术介绍
科技的发展不断对制造技术提出新的挑战，很多高端装备的制造技术指标要求已经接近甚至超过传统制造技术的极限，如航空/航天发动机气膜孔、直喷汽/柴油发动机喷油嘴、陶瓷电路板阵列微孔以及新型超材料等。以燃油喷嘴和航空发动机气膜孔为例，为保证最优流场效果，对孔型、孔壁平整度以及孔口形貌等方面都有着近乎苛刻的要求。利用传统制孔技术，如机械钻头加工、电火花加工、超声加工等，均难以实现该类孔的高质量制造。机械加工是利用高速旋转的钻头在材料上钻孔，钻头尺寸通常比较大，比较适用于制造直径较大的孔。当需要制备的孔径较小时，极易造成钻头磨损和折断，并且不易在倾斜面上进行加工，更无法制造倒锥孔，因此难以用于微孔加工应用。同时，机械制孔最大的缺陷在于其属于接触式加工，工件与钻头之间存在相互作用力，不但会在加工过程中引起材料变形，而且产生的抖动也会影响制造精度，这种情况在航空发动机部件等薄壳材料的加工过程中尤为显著；电火花加工基于电火花腐蚀原理，在工具电极与工件电极相互靠近时，极间形成脉冲性火花放电烧蚀材料，故只适合在金属材料上打孔，而且存在不同的打孔材料需要选定不同的电极，打孔速度较慢，电极的烧蚀损耗而降低加工精度，效率较低等问题。同时，电火花腐蚀过程较难控制，是限制进一步提高精度的瓶颈所在，因而也不适用于微孔的制造；超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对加工表面进行锤击，使工件材料表面逐步破碎的特种加工。该方法仅适用于脆性材料的加工，对于硬度、韧性、以及强度较高的金属，不但加工效率低，而且成型精度较差，难以实现微孔的加工。近年来，以激光、电子束为代表的高能束制造技术在微孔制备方面发展迅速。电子束加工是利用高能量会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。然而，电子束的大功率加速和大幅度偏转较难实现，且加工过程需要全真空环境，因此不但造价极其高昂、工艺非常复杂，而且难以实现倒锥孔的制造；相对于电子束，激光束具有多方面的先天优势，如易于大规模工程化产生、无需真空环境传输、易于聚焦和整型、速度快、效率高以及无工具损耗等，因此在微纳制造方面发展迅速。但目前激光打孔加工同样面临着孔型和锥度难以控制的问题，主要是由于激光束是通过透镜的汇聚效应，在光束焦点上形成极高的功率密度使材料熔化或烧蚀来实现微孔加工处理。这种聚焦后形成的光束自身就具有较高的锥度，导致加工过程中会造成入口孔径大于出口孔径的正锥孔特征，无法获得柱型、倒锥型或其他异型孔。目前公开的欧洲专利EP1656234B1中提出了一套用于激光钻孔和切割的扫描器件相结合的方法和装置，其特征在于，包括可旋转的平行平板、扩束镜、扫描振镜以及聚焦透镜等元件。该方法使用了扫描振镜进行打孔或其他加工应用，并通过调整平行平板的偏转从而控制加工光束的倾斜角度。由于平行平板对光束的偏转能力有限，且倾斜入射时会造成激光能量的显著损失，该技术不但需要极其复杂的光学设计、装配和控制系统，而且最终的打孔锥度控制能力十分有限。同时，该方案的造价也过于昂贵，难以最终大批量工业应用；在公开的日本专利JP4873191B2中提出一种激光打孔装置的实现方式，其特征在于，包括可旋转的平面反射镜、楔形棱镜、道威棱镜、多面反射镜和聚焦透镜等元件。该套系统虽然可以实现较多的光束偏转功能，但是由于光学元件过多，需要控制的变量也很多，必须通过调整多个光学元件才可以得到所需的孔径和锥度的配比，不能简单独立调节孔径和锥度，因此，实际应用起来非常困难，不具有工程应用价值；在公开的美国专利US9931712中提出一种激光钻孔装置，其特征在于，包括一片可快速移动和偏转的平面反射镜、可旋转的道威棱镜和两片楔形补偿棱镜、聚焦透镜。该装置利用实时可调的平面反射镜、道威棱镜以及补偿楔形镜共同实现激光束的离轴以及偏转。然而，在高速旋转加工过程中，实现对平面反射镜的位置和倾角的快速实时控制是非常困难的，而且加工的孔径和锥度仍无法独立调节；在公开的美国专利US09509106B1中提出一种激光钻孔光学系统，其特征在于，包括一块可倾斜的平行平板、一对可旋转的楔形棱镜、一个可旋转的道威棱镜和聚焦透镜，该装置与上述专利US9931712较为类似，不同的地方在于其无需在加工过程中实时调整镜片的位置以及倾角，但同样存在加工孔径和锥度无法独立调节的问题；公开的中国技术专利(CN101670486A、CN102218605A、CN103056519A)中提出多种激光微孔加工装置，其特征在于，包括多片可旋转的楔形棱镜和一片聚焦物镜，上述装置可以实现倾斜激光的圆径扫描，但加工的孔径和锥度均无法独立调节；目前公开的中国技术专利(CN205380365U)中提出一种用于激光旋转打孔的光学扫描系统，其特征在于，包括一片聚焦镜、一片可倾斜的平行平板和一片可倾斜的楔形棱镜，其中平行平板和楔形棱镜均固定在旋转轴上，随旋转轴旋转，实现打孔加工，但这套装置的最大局限也在于加工的孔径和锥度无法独立调节。上述已公开的打孔方法和装置专利中存在的问题主要有：1、除成本较高、控制复杂的振镜扫描装置(EP1656234B1)外，其他装置均无法实现对激光入射角度和激光焦点旋转半径这两个自由度的独立调节，即：在对孔半径调节时，孔锥度也在改变；同理，在调节孔锥度时，孔半径也在改变。激光束的调整受到很大限制，某些特定的孔径和锥度配比甚至无法获得。2、平行平板、道威棱镜等光学元件对激光焦点的平移能力以有限，如果想获得较大的平移量，需要增大平板倾斜角度，甚至还需要增加平板的厚度、道威棱镜的尺寸，而厚度过大的光学元件则会对整套系统功能的调节响应速度和调节范围带来限制，过大的光学元件倾斜角会造成激光能量掠反射损失。3、上述已公开的打孔方法和装置专利均存在激光束离光轴倾斜后再聚焦，会使聚焦光斑产生慧差，导致激光焦点畸变，能量密度下降和分布不均匀，引起打孔尺寸精度和一致性变差的问题。而且光束离光轴倾角越大、扫描半径越大，慧差的影响越明显，对打孔加工精度和质量的影响就越大。因此上述装置均存在离光轴倾斜聚焦光斑能量分布畸变问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术的目的在于提供一种激光变径旋切孔加工光学系统，其中通过对该光学系统中各组件的组成及各个组件之间的相互配合工作关系等进行改进，通过同光轴旋转的多片楔形镜与聚焦透镜的组合(也可以包括多片柱面非球面镜)，可实现大范围独立调节激光焦点离光轴量，进而可实现所需的孔径，并可补偿激光聚焦光斑离光轴倾斜后因慧差而引起的聚焦光斑畸变，减小激光焦点在离光轴方向上的能量离散，有效提高离光轴倾斜聚焦光斑的激光功率密度，改善了打孔尺寸精度和一致性，能够实现加工效果精细优良的激光变径旋切孔加工工艺；此外，通过进一步引入第一楔形镜组，该系统还可进一步独立调节激光倾斜角，调节激光锥度，如此聚焦激光的孔径和锥度参量可灵活独本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，该系统具有旋转轴，并包括依次沿光路设置的以下光学元件，这些光学元件均位于壳体内且能够绕旋转轴同步旋转：激光束单方向压缩组件，用于诱导激光倾斜角的单片楔形镜(7)，聚焦镜(8)，以及由两片楔角相同的楔形镜构成的、且用于调节聚焦光斑偏移量的第二楔形镜组；其中：/n所述激光束单方向压缩组件为压缩棱镜组或柱面非球面镜组，其中，所述压缩棱镜组包括多片压缩用楔形镜，所述柱面非球面镜组包括多片柱面非球面镜；该激光束单方向压缩组件整体用于在与激光入射方向相垂直的激光截面上，沿单方向对初始入射激光光束进行压缩，并且经该激光束单方向压缩组件处理后，激光的传播方向仍平行于初始入射激光的入射方向；/n所述单片楔形镜(7)用于改变激光传播方向，使激光传播方向发生倾斜，从而使得经过所述单片楔形镜(7)的激光其传播方向与激光入射方向之间产生倾斜角；/n所述聚焦镜(8)用于对经所述单片楔形镜(7)诱导产生倾斜角的激光进行聚焦，产生聚焦激光束，并在焦平面上生成聚焦光斑；/n所述第二楔形镜组整体用于使焦平面上聚焦光斑的中心位置发生偏移，所述第二楔形镜组整体处理前后激光的传播方向不改变；记该第二楔形镜组中依次沿光路设置的两片楔形镜分别为第三楔形镜与第四楔形镜，在所述第三楔形镜或/和所述第四楔形镜上还设置有位置调节组件，该位置调节组件能够带动与之连接的楔形镜移动，用于调节这两个楔形镜之间的间距，从而调节焦平面上聚焦光斑中心的偏移量；/n此外，所述旋转轴与初始入射激光光束的光轴相重合；/n当所述激光束单方向压缩组件为压缩棱镜组时，所述压缩棱镜组的激光压缩方向平行于激光光斑中心位置的偏移方向，当所述激光束单方向压缩组件为柱面非球面镜组时，所述柱面非球面镜组的激光压缩方向平行于激光光斑中心位置的偏移方向，或者所述柱面非球面镜组的激光压缩方向与激光光斑中心位置的偏移方向两者所在直线之间的夹角不超过20°，从而减小聚焦光斑离光轴倾斜后因慧差而引起的聚焦光斑畸变；基于所述单片楔形镜(7)与所述聚焦镜(8)的作用，利用所述第二楔形镜组对焦平面上聚焦光斑的中心偏移量的调节，即可调节焦平面上聚焦光斑的中心距所述旋转轴的距离，从而调节聚焦激光束的加工半径；基于该激光变径旋切孔加工光学系统的整体作用，即可实现具有变径调节效果的激光对孔的旋切加工。/n...

【技术特征摘要】
1.一种激光变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，该系统具有旋转轴，并包括依次沿光路设置的以下光学元件，这些光学元件均位于壳体内且能够绕旋转轴同步旋转：激光束单方向压缩组件，用于诱导激光倾斜角的单片楔形镜(7)，聚焦镜(8)，以及由两片楔角相同的楔形镜构成的、且用于调节聚焦光斑偏移量的第二楔形镜组；其中：
所述激光束单方向压缩组件为压缩棱镜组或柱面非球面镜组，其中，所述压缩棱镜组包括多片压缩用楔形镜，所述柱面非球面镜组包括多片柱面非球面镜；该激光束单方向压缩组件整体用于在与激光入射方向相垂直的激光截面上，沿单方向对初始入射激光光束进行压缩，并且经该激光束单方向压缩组件处理后，激光的传播方向仍平行于初始入射激光的入射方向；
所述单片楔形镜(7)用于改变激光传播方向，使激光传播方向发生倾斜，从而使得经过所述单片楔形镜(7)的激光其传播方向与激光入射方向之间产生倾斜角；
所述聚焦镜(8)用于对经所述单片楔形镜(7)诱导产生倾斜角的激光进行聚焦，产生聚焦激光束，并在焦平面上生成聚焦光斑；
所述第二楔形镜组整体用于使焦平面上聚焦光斑的中心位置发生偏移，所述第二楔形镜组整体处理前后激光的传播方向不改变；记该第二楔形镜组中依次沿光路设置的两片楔形镜分别为第三楔形镜与第四楔形镜，在所述第三楔形镜或/和所述第四楔形镜上还设置有位置调节组件，该位置调节组件能够带动与之连接的楔形镜移动，用于调节这两个楔形镜之间的间距，从而调节焦平面上聚焦光斑中心的偏移量；
此外，所述旋转轴与初始入射激光光束的光轴相重合；
当所述激光束单方向压缩组件为压缩棱镜组时，所述压缩棱镜组的激光压缩方向平行于激光光斑中心位置的偏移方向，当所述激光束单方向压缩组件为柱面非球面镜组时，所述柱面非球面镜组的激光压缩方向平行于激光光斑中心位置的偏移方向，或者所述柱面非球面镜组的激光压缩方向与激光光斑中心位置的偏移方向两者所在直线之间的夹角不超过20°，从而减小聚焦光斑离光轴倾斜后因慧差而引起的聚焦光斑畸变；基于所述单片楔形镜(7)与所述聚焦镜(8)的作用，利用所述第二楔形镜组对焦平面上聚焦光斑的中心偏移量的调节，即可调节焦平面上聚焦光斑的中心距所述旋转轴的距离，从而调节聚焦激光束的加工半径；基于该激光变径旋切孔加工光学系统的整体作用，即可实现具有变径调节效果的激光对孔的旋切加工。


2.如权利要求1所述激光变径旋切孔加工光学系统，其特征在于，该系统还包括由两片楔角相同的楔形镜构成的、且用于调节激光束偏移量的第一楔形镜组，该光学元件设置在所述激光束单方向压缩组件与所述单片楔形镜(7)之间的光路上，使该系统还能够实现激光变锥调节；
所述第一楔形镜组整体用于使激光截面上激光光斑的中心位置发生偏移，所述第一楔形镜组整体处理前后激光的传播方向保持不变，经所述第一楔形镜组整体处理后的激光传播方向仍平行于初始入射激光的入射方向；记该第一楔形镜组中依次沿光路设置的两片楔形镜分别为第一楔形镜与第二楔形镜，则在所述第一楔形镜或/和所述第二楔形镜上还连接有位置调节组件，该位置调节组件能够带动与之连接的楔形镜移动，用于调节这两个楔形镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓磊敏，乔亚庆，段军，熊伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北;42