一种基于旋转三光楔的激光扫描光学系统及方法技术方案

本发明专利技术一种基于旋转三光楔的激光扫描光学系统及方法，属于激光应用技术领域，其包括沿光的入射方向依次设置的第一楔形镜、第二楔形镜、第三楔形镜以及聚焦镜，第一楔形镜、第二楔形镜、第三楔形镜以及聚焦镜同轴设置；通过调节第一楔形镜与第二楔形镜之间的相位差使得聚焦镜焦平面上图形的扫描半径连续可调。本发明专利技术用于加工小微孔，能有效避免加工深孔时，激光被孔上表面遮挡出现锥形孔的情况；确保加工出的孔为直孔，保证加工孔的质量。保证加工孔的质量。保证加工孔的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于旋转三光楔的激光扫描光学系统及方法


[0001]本专利技术属于激光应用
，涉及激光打孔技术，具体为一种基于旋转三光楔的激光扫描光学系统及方法。

技术介绍

[0002]激光打孔是激光加工的主要应用领域之一，随着近代工业和科技水平的迅速发展，使用硬度大，熔点高的材料越来越多，尤其在航空领域，材料的性能必须具有高强度、高硬度、高耐磨等特性，这就需要无接触激光加工来实现。
[0003]随着加工技术的发展，越来越多的工件上需要加工深径比大的孔，传统的激光打孔方法是激光束本身固定不动，重复打在工件固定一点上，称之为冲击钻孔，这种方法的缺点是在打深径比大的孔时，会出现上孔孔径比下孔孔径大的问题，无法加工出竖直孔，这是由于激光束聚焦后只有在焦点处是最小的，当激光焦点深入材料后，处在材料表面的光斑就比较大，导致上孔变大。还有的方法是利用扫描振镜，利用扫描振镜使激光束环形扫描或者螺旋形扫描加工小孔，该方法的缺点是：由于扫描振镜精度的限制，加工直径在300微米以内的小孔时，圆弧一般为多边形，与冲击钻孔相似，孔锥度大，入射面孔径大、出孔直径小，通常不能满足加工需求。有的利用光楔和反射镜的组合系统，虽然达到了加工的锥度和半径可调，但由于其对加工半径的调节精度和定位精度较低，导致其在加工小微孔时，孔径与预期存在较大偏差，而为了弥补偏差，又需要增加复杂的结构。因此，现有技术对于在加工孔径小，深径比大的孔时，往往结构复杂或是精度低。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术通过激光打孔的方式加工深径比大的孔时，精度低，结构复杂等问题。本专利技术提出了一种基于旋转三光楔的激光扫描光学系统及方法。
[0005]本专利技术一种基于旋转三光楔的激光扫描光学系统，包括沿光的入射方向依次设置的第一楔形镜、第二楔形镜、第三楔形镜以及聚焦镜，所述第一楔形镜、第二楔形镜、第三楔形镜以及聚焦镜同轴设置；通过调节第一楔形镜与第二楔形镜之间的相位差使得聚焦镜焦平面上图形的扫描半径连续可调；
[0006]所述第一楔形镜与第二楔形镜之间的相位差与焦平面上图形的扫描半径的关系公式为：
[0007]R＝F
×
tan(2
×
(n
‑
1)
×
a
×
cos((α+β/2)/2))
ꢀꢀꢀ
(1)
[0008]F为聚焦镜的焦距；n为第一楔形镜的折射率、第二楔形镜的折射率或第三楔形镜的折射率，第一楔形镜的折射率、第二楔形镜的折射率以及第三楔形镜的折射率是相等的；α为第一楔形镜与第二楔形镜之间的相位差；R为聚焦镜焦平面上图形的扫描半径；β为第二楔形镜和第三楔形镜之间的相位差；
[0009]所述第二楔形镜和第三楔形镜之间的相位差β的计算公式为：
[0010]β＝2
×
arccos(a/2b)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0011]a为第一楔形镜的楔角，b为第二楔形镜的楔角或第三楔形镜的楔角，第二楔形镜的楔角和第三楔形镜的楔角是相等的。
[0012]进一步限定，通过调节第二楔形镜的楔面与第三楔形镜的楔面之间的间距L使得加工锥角δ可调，调节关系式为：
[0013]tanδ＝L
×
tan((n
‑
1)
×
b)/F
ꢀꢀꢀ
(3)。
[0014]进一步限定，所述第一楔形镜的楔面与第二楔形镜的楔面相对设置或相背设置，所述第二楔形镜的楔面与第三楔形镜的楔面相对设置或相背设置。
[0015]进一步限定，所述第二楔形镜的楔角大于第一楔形镜的楔角。
[0016]进一步限定，所述第一楔形镜的楔角为0.1
°
～2
°
，所述第二楔形镜的楔角为5
°
～30
°
。
[0017]进一步限定，所述第一楔形镜上的入射光束为准直激光束。
[0018]进一步限定，所述基于旋转三光楔的激光扫描光学系统还包括高精度电机Ⅰ、高精度电机Ⅱ、高精度电机Ⅲ和导向装置，所述高精度电机Ⅰ的动力输出端与第一楔形镜连接，所述高精度电机Ⅱ的动力输出端与第二楔形镜连接，所述高精度电机Ⅲ的动力输出端通过导向装置与第三楔形镜连接。
[0019]上述的基于旋转三光楔的激光扫描光学系统所形成的基于旋转三光楔的激光扫描光方法，包括以下步骤：
[0020]将第一楔形镜、第二楔形镜、第三楔形镜以及聚焦镜沿光的入射方向依次同轴设置，调节第一楔形镜与第二楔形镜之间的相位差，从而调节聚焦镜焦平面上图形的扫描半径；
[0021]第一楔形镜与第二楔形镜之间的相位差与焦平面上图形的扫描半径的关系公式为：
[0022]R＝F
×
tan(2
×
(n
‑
1)
×
a
×
cos((α+β/2)体2))
ꢀꢀꢀ
(1)
[0023]F为聚焦镜的焦距；n为第一楔形镜的折射率、第二楔形镜的折射率或第三楔形镜的折射率，第一楔形镜的折射率、第二楔形镜的折射率以及第三楔形镜的折射率是相等的；α为第一楔形镜与第二楔形镜之间的相位差；R为聚焦镜焦平面上图形的扫描半径；β为第二楔形镜和第三楔形镜之间的相位差；
[0024]第二楔形镜和第三楔形镜之间的相位差β的计算公式为：
[0025]β＝2
×
arccos(a/2b)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0026]a为第一楔形镜的楔角，b为第二楔形镜的楔角或第三楔形镜的楔角，第二楔形镜(2)的楔角和第三楔形镜的楔角是相等的。
[0027]进一步限定，所述步骤还包括：
[0028]调节第二楔形镜的楔面与第三楔形镜的楔面之间的间距L实现加工锥角δ的调节，调节关系为：
[0029]tanδ＝L
×
tan((n
‑
1)
×
b)/F
ꢀꢀꢀ
(3)。
[0030]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0031]1、本专利技术通过利用第一楔形镜与第二楔形镜的较大的相位差，实现第二楔形镜与第三楔形镜之间较小的扫描半径变化，达到高精度调节扫描半径的目的；且当加工孔径为0时，第二楔形镜与第三楔形镜的组合能够补偿第一楔形镜对入射激光的偏折，能够适用于
深径比大的孔，且结构简单、精度高。
[0032]2、本专利技术基于旋转三光楔的激光扫描光学系统，其包括沿光的入射方向依次设置的第一楔形镜、第二楔形镜、第三楔形镜以及聚焦镜，在加工孔时，通过调节高精度电机I和高精度电机II的转速，控制第一楔形镜和第二楔形镜之间的相位差，配合同步旋转来实现光束在聚焦镜的聚焦平面上扫描图形的半径大小连续可调；同步通过高精度电机Ⅲ转过的角度，控制第二楔形镜与第三楔形镜之间的间距，可以调节聚焦后光束与第一楔形镜、第二楔形镜、第三楔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于旋转三光楔的激光扫描光学系统，其特征在于，包括沿光的入射方向依次设置的第一楔形镜(1)、第二楔形镜(2)、第三楔形镜(3)以及聚焦镜(4)，所述第一楔形镜(1)、第二楔形镜(2)、第三楔形镜(3)以及聚焦镜(4)同轴设置；通过调节第一楔形镜(1)与第二楔形镜(2)之间的相位差使得聚焦镜(4)焦平面上图形的扫描半径连续可调；所述第一楔形镜(1)与第二楔形镜(2)之间的相位差与焦平面上图形的扫描半径的关系公式为：R＝F
×
tan(2
×
(n
‑
1)
×
a
×
cos((α+β/2)/2))
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(1)F为聚焦镜(4)的焦距；n为第一楔形镜(1)的折射率、第二楔形镜(2)的折射率或第三楔形镜(3)的折射率，第一楔形镜(1)的折射率、第二楔形镜(2)的折射率以及第三楔形镜(3)的折射率是相等的；α为第一楔形镜(1)与第二楔形镜(2)之间的相位差；R为聚焦镜(4)焦平面上图形的扫描半径；β为第二楔形镜(2)和第三楔形镜(3)之间的相位差，a为第一楔形镜(1)的楔角；所述第二楔形镜(2)和第三楔形镜(3)之间的相位差β的计算公式为：β＝2
×
arccos(a/2b)
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(2)a为第一楔形镜(1)的楔角，b为第二楔形镜(2)的楔角或第三楔形镜(3)的楔角，第二楔形镜(2)的楔角和第三楔形镜(3)的楔角是相等的。2.如权利要求1所述的基于旋转三光楔的激光扫描光学系统，其特征在于，通过调节第二楔形镜(2)的楔面与第三楔形镜(3)的楔面之间的间距L使得加工锥角δ可调，调节关系式为：tanδ＝L
×
tan((n
‑
1)
×
b)/F
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(3)；n为第一楔形镜(1)的折射率、第二楔形镜(2)的折射率或第三楔形镜(3)的折射率；b为第二楔形镜(2)的楔角或第三楔形镜(3)的楔角；F为聚焦镜(4)的焦距。3.如权利要求1所述的基于旋转三光楔的激光扫描光学系统，其特征在于，所述第一楔形镜(1)的楔面与第二楔形镜(2)的楔面相对设置或相背设置，所述第二楔形镜(2)的楔面与第三楔形镜(3)的楔面相对设置或相背设置。4.如权利要求3所述的基于旋转三光楔的激光扫描光学系统，其特征在于，所述第二楔形镜(2)的楔角大于第一楔形镜(1)的楔角。5.如权利要求4所述的基于旋转三光楔的激光扫描光学系统，其特征在于，所述第一楔形镜(1)的楔角为0.1
°
～2
°
，所述第二楔形镜(2)的楔角为5
...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯鑫瑞，周强，张轩，陈绪诚，贺磊，李望望，
申请(专利权)人：西安尚泰光电科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：