一種基于雙光束空間特性調節的激光加工頭的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光加工領域，具體涉及一種基于雙光束空間特性調節的激光加工頭。
【背景技術】
[0002]錐透鏡包括平凸(PCX)錐透鏡和平凹(PCV)錐透鏡。平凸(PCX)錐透鏡具有一個凸錐面和一個平面；平凹(PCV)錐透鏡具有一個凹錐面和一個平面。它們用于產生可隨著距離增加直徑，但又保持一致環形厚度的非衍射環形光束。若與準直高斯光束配合使用，平凸(PCX)錐透鏡將可形成近似貝塞爾光束并適用于一系列醫療、研宄、測量和校準應用的環形光束。這些錐透鏡具有精確熔融的石英基片并備有無鍍膜以及各種增透膜選項。貝塞爾光束是一種由相等功耗的環形所形成的非衍射光束，平凸(PCX)錐透鏡和平凹(PCV)錐透鏡可沿著光軸形成環形成像，或形成近似貝塞爾光束的非衍射光束。
[0003]激光打孔是最早達到實用化的激光加工技術，也是激光加工的主要應用領域之一。激光打孔是利用脈沖激光16?109W/cm2的高功率密度及優良的空間相干性，使工件被照射部位的材料熔化、蒸發，并輔助以高速氣流進行各種材料的去除來實現孔的加工。以金屬的打孔為例，打孔過程包括以下幾個物理過程:(I)吸收與加熱階段，金屬吸收光能，工件溫度迅速上升，通過熱傳遞透入內部。(2)熔化階段，材料溫度在沸點和熔點之間，當材料溫度超過熔點時，開始熔化，熔液表面向材料深處延伸。(3)汽化階段，材料溫度大于沸點，一部分材料被汽化產生材料蒸汽，材料表面開始出現圓窩，溶液表面繼續向材料內部延伸。
[4]等離子體產生階段，材料溫度遠大于沸點，此時少量材料開始被汽化，同時把材料加熱到高溫；在激光加工頭輔助吹氣氣流作用下，隨著溫度不斷上升，金屬蒸汽攜帶著液相物質以極高的速度從液相底部猛烈的噴濺出來，從而完成打孔過程。
[0004]激光打圓孔(通孔或盲孔)一般有兩種方式，第一種是采用脈沖單點鉆孔，它適合于孔徑不超過光斑直徑的情況；加工時光斑固定不動，采用一組重復周期遠遠大于材料凝固時間的極短脈沖光束來進行打孔加工，由于多次脈沖激光能量的不斷積累，使照射區內的材料逐層汽化蒸發，逐漸將孔加深。第二種方式是切孔，即光斑沿著輪廓線行進，將孔內材料直接切除，其適用于直徑大于光斑的孔。
[0005]以上兩種激光打孔技術雖然在工業領域得到廣泛應用，但對于精密打孔尤其是微孔而言，仍具有不足之處:1)脈沖單點鉆孔和切孔各自應用的鉆孔孔徑存在難以覆蓋的中間地帶，脈沖單點鉆孔為了保持足夠的能量密度和打孔圓度，焦斑半徑一般在50微米以下，而切孔需要運動機構做兩軸或三軸插補運動以使得焦斑與工件產生圓周相對移動，而對于孔徑過小的孔來說(比如說0.5_以內)，運動機構的精度要求非常高，使得激光打孔機構的成本很高，且孔的圓度也往往仍不夠理想；2)由于插補運動的存在，使得切孔的效率遠不如脈沖單點鉆孔高，并且由于運動機構運動速度的限制，不可采用過高的激光功率，限制了高功率激光器的運用；3)對于導熱各向異性的材料而言，脈沖單點鉆孔和切孔的焦斑都是高斯能量分布，使得熱影響區在不同方向上大小不一致，直接影響了孔的圓度和孔邊質量，易產生熱應力變形；4)脈沖單點鉆孔和切孔的高脈沖能量全部、同時作用在同一位置，造成劇烈的熔化、汽化和等離子體現象，大量激光能量被浪費在多余的熔化、汽化和等離子體吸收中，熱影響區增大，打孔質量提升困難。
【發明內容】
[0006]本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種基于雙光束空間特性調節的激光加工頭。
[0007]本發明是通過如下技術方案實現的:
[0008]一種基于雙光束空間特性調節的激光加工頭，包括環形光路系統和中心光路系統；
[0009]所述環形光路系統包括第一擴束準直鏡、錐透鏡組和聚焦物鏡，三者的光軸在同一直線上，與第一入射激光束的入射方向相同；
[0010]第一入射激光束入射至第一擴束準直鏡，經第一擴束準直鏡擴束準直后，入射至錐透鏡組，錐透鏡組產生非衍射環形光束并輸出至聚焦物鏡，聚焦物鏡將非衍射環形光束聚焦后的細環形焦斑輸出至工件的表面；
[0011]所述中心光路系統包括第二擴束準直鏡、第一平面反射鏡和第二平面反射鏡；第二入射激光束經第二擴束準直鏡擴束準直后，入射至第一平面反射鏡，經第一平面反射鏡反射后，入射至第二平面反射鏡，經第二平面反射鏡反射后，垂直入射至聚焦物鏡，聚焦物鏡將激光束聚焦后輸出中心細圓斑在工件的表面；
[0012]所述中心細圓斑的位置位于環形光路系統輸出的細環形焦斑的中心。
[0013]本發明具有如下有益效果:
[0014]1、采用本發明所述的激光加工頭進行激光打孔時，孔形由錐透鏡特性保證，且改變錐透鏡與物鏡之間距離、選用不同焦距的物鏡就可以實現不同的圓環直徑(即加工孔徑)，采用不同的錐透鏡還可以實現不同的圓環內外環之差，因此不但從光學原理上能夠保證良好的通孔圓度，還能保證良好的圓環精度即特別適合圓環形盲孔加工，這是傳統脈沖單點打孔和切孔非常難以做到的。并且，兩個入射激光束可以使用不同波長的激光束，從而實現復合打孔加工效果，這也是傳統脈沖單點打孔和切孔無法做到的。
[0015]2、脈沖單點鉆孔和切孔的高脈沖能量全部、同時作用在同一位置，造成劇烈的熔化、汽化和等離子體現象，大量激光能量被浪費在多余的熔化、汽化和等離子體吸收中，熱影響區增大，打孔質量提升困難。本發明則采用了時間和空間上的能量分離，兩個入射激光束通過設置不同的脈沖觸發延時和光程延時，造成了中心脈沖和周圍環形脈沖的順序作用，既可以是中心脈沖先作用在工件表面、預熱待鉆孔位置之后再由環形脈沖直接穿孔(適合于大孔加工)，也可以是環形脈沖先作用在工件表面、預熱待鉆孔位置之后再由中心脈沖直接打孔(適合于小孔加工)，無論是大孔還是小孔加工應用，由于脈沖能量的時空調配(中心脈沖和周圍環形脈沖的能量比例容易通過控制兩個入射激光束的能量特性而控制)，都可以減少激光能量浪費在無用的過度熔化、汽化和等離子體吸收現象，從而可以減小熱影響區，大大提升孔邊質量。
[0016]3、采用本發明所述的激光加工頭進行激光打孔時，無須光斑運動，比切孔方式效率極大提高；同時由于加工時不須光斑運動，因此毫無運動精度誤差，孔的圓度誤差不隨孔徑大小而影響，另一方面由于不存在運動機構運動速度的限制，因此避免了傳統切孔方式對過尚激光功率的限制，有利于尚功率激光器的運用。
[0017]4、本發明利用非衍射貝塞爾能量分布光束進行直接光學穿孔加工，對于導熱各向異性的材料而言，一方面，環形光束保證了各方向上被輻照的寬度尺寸非常接近(脈沖單點鉆孔和切孔的焦斑都是高斯能量分布使得各方向上被輻照的寬度尺寸差別很大)，另一方面孔徑邊界同時加熱，熱應力對稱(而切孔時沿切孔圓周方向存在熱