專利名稱：激光束雙聚焦點(diǎn)單面激光加工技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種雙激光束單面激光加工技術(shù)，涉及激光加工技術(shù)。
目前國(guó)內(nèi)外在激光加工技術(shù)中對(duì)激光束的應(yīng)用采用如下兩種技術(shù)途徑單光束單面加工技術(shù)(如圖6所示)和雙光束雙面加工技術(shù)(如圖7所示)。在單光束單面加工技術(shù)中，由于光束半徑和光束發(fā)散角成反比，在特定激光功率情況下，減小激光束聚焦半徑，提高激光聚焦點(diǎn)處功率密度，必然增大激光束聚焦點(diǎn)處發(fā)散角和減小激光束瑞利長(zhǎng)度，不利于深度加工和影響加工質(zhì)量。在雙光束雙面加工技術(shù)中，盡管可增加激光束瑞利長(zhǎng)度一倍，但其方法在某些加工中無(wú)法采用。
本發(fā)明提出的激光束雙聚焦點(diǎn)單面激光加工技術(shù)消除了上述兩種技術(shù)的不足。通過(guò)改變將整形和擴(kuò)束后的雙光束激光雙聚焦點(diǎn)之間相對(duì)空間位置，雙光束激光雙聚焦點(diǎn)截面的相對(duì)大小，雙光束激光雙聚焦點(diǎn)的空間橫截面的能量分布，雙光束激光雙聚焦點(diǎn)的空間分布形狀和單光束或雙光束兩個(gè)聚焦點(diǎn)的相對(duì)空間深度，可提高加工深度，改善激光加工質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)激光加工中的特殊要求。
本發(fā)明的構(gòu)成是由一個(gè)兩組具有不同聚焦半徑的反射式聚焦系統(tǒng)或兩組具有不同聚焦半徑的透鏡式聚焦系統(tǒng)或一組反射式聚焦系統(tǒng)和一組透鏡式聚焦系統(tǒng)構(gòu)成的兩組具有不同聚焦半徑的光學(xué)系統(tǒng)將整形和擴(kuò)束后的雙光束激光分別聚焦形成具有兩個(gè)聚焦點(diǎn)的復(fù)合光束，并通過(guò)改變兩個(gè)反射聚焦鏡或聚焦透鏡的不同曲率面的曲率分布參數(shù)和空間相對(duì)位置，可使兩個(gè)聚焦點(diǎn)形成具有所需的相對(duì)空間位置，分別具有所需的聚焦點(diǎn)光束截面大小，所需的空間橫截面的能量分布，所需的空間分布形狀和所需的相對(duì)空間深度的兩個(gè)光束聚焦點(diǎn)的復(fù)合光束。
本發(fā)明的特點(diǎn)是通過(guò)合理的設(shè)計(jì)激光束聚焦光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單激光束或雙激光束的雙焦點(diǎn)聚焦，通過(guò)設(shè)計(jì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)的不同參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙激光光束聚焦點(diǎn)之間所需的相對(duì)空間位置，雙激光束聚焦點(diǎn)截面所需的大小，聚焦點(diǎn)處所需的空間橫截面的能量分布，聚焦點(diǎn)處所需的空間分布形狀和兩個(gè)激光束聚焦點(diǎn)的相對(duì)空間深度，可提高加工深度，改善激光加工質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)激光加工中的特殊要求。
附圖
圖1雙光束作用于單面加工示意2雙光束雙焦點(diǎn)反射式聚焦系統(tǒng)示意3雙光束雙焦點(diǎn)透鏡式聚焦系統(tǒng)示意4雙光束雙焦點(diǎn)組合式聚焦系統(tǒng)示意5雙焦點(diǎn)圓光斑與軸向光強(qiáng)分布示意6單激光束作用于被加工件示意7雙光束作用于雙面加工示意中標(biāo)號(hào)如下所示1-低功率密度長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度光束2-高功率密度短瑞利長(zhǎng)度光束3-被加工件4-入射激光束A5-入射激光束B(niǎo)6-長(zhǎng)焦距反射鏡面7-短焦距反射鏡面8-低功率密度長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)9-高功率密度短瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)10-長(zhǎng)焦距透鏡11-短焦距透鏡12-低功率密度長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)截面13-高功率密度短瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)截面14-復(fù)合光束橫截面沿X方向功率密度分布曲線15-單激光束X-光束橫截面水平坐標(biāo)方向I-光束功率密度坐標(biāo)方向本發(fā)明的上述目的由如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)該激光束雙聚焦點(diǎn)單面激光加工技術(shù)由光學(xué)聚焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙光束激光聚焦形成具有兩個(gè)聚焦點(diǎn)的復(fù)合光束(如圖1所示)。該聚焦系統(tǒng)由兩組具有不同聚焦半徑的反射式聚焦系統(tǒng)(見(jiàn)圖2所示)或兩組具有不同聚焦半徑的透鏡式聚焦系統(tǒng)(見(jiàn)圖3所示)或一組反射式聚焦系統(tǒng)和一組透鏡式聚焦系統(tǒng)構(gòu)成的兩組具有不同聚焦半徑的光學(xué)系統(tǒng)(見(jiàn)圖4所示)將雙光束激光聚焦形成具有兩個(gè)聚焦點(diǎn)的復(fù)合光束。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)由圖2-圖4給出a．采用反射式聚焦系統(tǒng)時(shí)，可分別加工兩個(gè)具有不同曲率分布的高反射鏡面，將兩束整形和擴(kuò)束過(guò)的入射激光束分別聚焦形成一復(fù)合光束。兩個(gè)高反射鏡面聚焦鏡的曲率分布由整形和擴(kuò)束過(guò)的入射激光束參數(shù)和被加工件對(duì)復(fù)合光束聚焦點(diǎn)的要求來(lái)確定。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
b．采用透鏡式聚焦系統(tǒng)時(shí)，可分別加工兩個(gè)具有不同曲率分布的高透過(guò)率聚焦鏡，將兩束整形和擴(kuò)束過(guò)的入射激光束分別聚焦形成一復(fù)合光束。兩個(gè)高透過(guò)率聚焦鏡的曲率分布由整形和擴(kuò)束過(guò)的入射激光束參數(shù)和被加工件對(duì)復(fù)合光束聚焦點(diǎn)的要求來(lái)確定。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
c．采用復(fù)合式聚焦系統(tǒng)時(shí)，可分別加工一個(gè)具有不同曲率分布的高透過(guò)率聚焦鏡和一個(gè)具有不同曲率分布的高反射鏡面，將兩束整形和擴(kuò)束過(guò)的入射激光束分別聚焦形成一復(fù)合光束。高透過(guò)率聚焦鏡和高反射鏡面的曲率分布由整形和擴(kuò)束過(guò)的入射激光束參數(shù)和被加工件對(duì)復(fù)合光束聚焦點(diǎn)的要求來(lái)確定。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。
實(shí)例如下1- 采用反射式聚焦系統(tǒng)時(shí)，如圖2所示。對(duì)于整形和擴(kuò)束過(guò)的圓光斑入射雙激光束，入射光束A4和入射光束B(niǎo)5的光束半徑均為10mm，兩個(gè)光束發(fā)散角均為2mrad。若所需在被加工點(diǎn)處兩光束聚焦點(diǎn)為圓對(duì)稱性且共焦點(diǎn)，入射光束A4低功率密度長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)8處光束半徑為0.4mm，入射光束B(niǎo)5高功率密度短瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)9處光束半徑為0.24mm，在兩光束共焦點(diǎn)處可形成如圖5所示的光束橫截面分布(低功率密度長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)截面12和高功率密度短瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)截面13)和光強(qiáng)分布14。因而所需的對(duì)入射光束A4聚焦的長(zhǎng)焦距反射鏡6焦距為低功率密度長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)8光束半徑÷入射光束A4的發(fā)散角=0.4÷0.002=200mm所需的對(duì)入射光束B(niǎo)5聚焦的短焦距反射鏡7焦距為高功率密度短瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)9光束半徑÷入射光束B(niǎo)5的發(fā)散角=0.24÷0.002=120mmb．采用透鏡式聚焦系統(tǒng)時(shí)，如圖3所示。對(duì)于整形和擴(kuò)束過(guò)的圓光斑入射雙激光束，入射光束A4和入射光束B(niǎo)5的光束半徑均為10mm，兩個(gè)入射光束發(fā)散角均為2mrad。若所需在被加工點(diǎn)處兩光束聚焦點(diǎn)為圓對(duì)稱性且共焦點(diǎn)，入射光束A4低功率密度長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)8處光束半徑為0.4mm，入射光束B(niǎo)5高功率密度短瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)9處光束半徑為0.24mm，在兩光束共焦點(diǎn)處可形成如圖5所示的光束橫截面分布(低功率密度長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)截面12和高功率密度短瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)截面13)和光強(qiáng)分布14。因而所需的對(duì)入射光束A4聚焦的長(zhǎng)焦距透鏡10焦距為低功率密度長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)8光束半徑÷入射光束A4的發(fā)散角=0.4÷0.002=200mm所需的對(duì)入射光束B(niǎo)5聚焦的短焦距透鏡11焦距為高功率密度短瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)9光束半徑÷入射光束B(niǎo)5的發(fā)散角=0.24÷0.002=120mmc．采用復(fù)合式聚焦系統(tǒng)時(shí)，如圖4所示。對(duì)于整形和擴(kuò)束過(guò)的圓光斑入射雙激光束，入射光束A4和入射光束B(niǎo)5的光束半徑均為10mm，兩個(gè)入射光束發(fā)散角均為2mrad。若所需在被加工點(diǎn)處兩光束聚焦點(diǎn)為圓對(duì)稱性且共焦點(diǎn)，入射光束A4低功率密度長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)8處光束半徑為0.4mm，入射光束B(niǎo)5高功率密度短瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)9處光束半徑為0.24mm，在兩光束共焦點(diǎn)處可形成如圖5所示的光束橫截面分布(低功率密度長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)截面12和高功率密度短瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)截面13)和光強(qiáng)分布14。因而所需的對(duì)入射光束A4聚焦的長(zhǎng)焦距透鏡10焦距為低功率密度長(zhǎng)瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)8光束半徑÷入射光束A4的發(fā)散角=0.4÷0.002=200mm所需的對(duì)入射光束B(niǎo) 5聚焦的短焦距反射鏡7焦距為高功率密度短瑞利長(zhǎng)度聚焦點(diǎn)9光束半徑÷入射光束B(niǎo)5的發(fā)散角=0.24÷0.002=120mm對(duì)于聚焦點(diǎn)處所需的相對(duì)空間位置，所需的聚焦點(diǎn)光束半徑相對(duì)大小，所需的空間橫截面的能量分布，所需的空間分布形狀和所需的相對(duì)空間深度的兩個(gè)光束聚焦點(diǎn)的復(fù)合光束?？赏ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)和加工長(zhǎng)焦距透鏡和短焦距反射鏡面所要求的曲率分布獲得。
權(quán)利要求
1．一種激光束雙聚焦點(diǎn)單面激光加工技術(shù)，其特征在于該光學(xué)聚焦系統(tǒng)為具有兩組不同聚焦半徑的反射式聚焦系統(tǒng)將整形和擴(kuò)束后的雙光束激光分別聚焦形成具有兩個(gè)聚焦點(diǎn)的復(fù)合光束，并通過(guò)改變兩個(gè)反射聚焦鏡或聚焦透鏡的不同曲率面的曲率分布參數(shù)和空間相對(duì)位置，可形成具有所需的聚焦點(diǎn)相對(duì)空間位置，所需的聚焦點(diǎn)光束截面大小，所需的聚焦點(diǎn)空間橫截面的能量分布，所需的聚焦點(diǎn)空間分布形狀和所需的相對(duì)空間深度的兩個(gè)光束聚焦點(diǎn)的復(fù)合光束。
2．如權(quán)利要求1所述激光束雙聚焦點(diǎn)單面激光加工技術(shù)，其特征在于該光學(xué)聚焦系統(tǒng)為具有兩組不同聚焦半徑的透鏡式聚焦系統(tǒng)。
3．如權(quán)利要求1所述激光束雙聚焦點(diǎn)單面激光加工技術(shù)，其特征在于該光學(xué)聚焦系統(tǒng)為一組反射式聚焦系統(tǒng)和一組透鏡式聚焦系統(tǒng)構(gòu)成的兩組具有不同聚焦半徑的光學(xué)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明是一種雙激光束單面激光加工技術(shù),涉及激光加工技術(shù)。本發(fā)明通過(guò)一個(gè)光學(xué)聚焦系統(tǒng)改變雙光束聚焦點(diǎn)之間相對(duì)空間位置,雙光束聚焦點(diǎn)半徑的相對(duì)大小,兩個(gè)光束聚焦點(diǎn)的空間橫截面的能量分布,兩個(gè)光束聚焦點(diǎn)的空間分布形狀和兩個(gè)光束聚焦點(diǎn)的相對(duì)空間深度,可提高加工深度,改善激光加工質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)激光加工中的特殊要求。
文檔編號(hào)B23K26/02GK1214286SQ97116988
公開(kāi)日1999年4月21日 申請(qǐng)日期1997年10月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月10日
發(fā)明者辛建國(guó) 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)