基于徑向偏振光束的雙加工頭激光加工裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光加工裝置，特別是一種基于徑向偏振光束的雙加工頭激光加工裝置，主要用于材料、汽車、電子、電器、航空、冶金、機(jī)械制造、輕工業(yè)等領(lǐng)域中激光加工
目.0
【背景技術(shù)】
[0002]激光加工通常是利用高功率密度的激光束照射工件，使材料熔化氣化而進(jìn)行穿孔，切割和焊接等的特種加工，近期，激光加工概念得到拓展，通過(guò)激光與被照射材料相互作用，引起材料特性發(fā)生變化而實(shí)現(xiàn)加工結(jié)果的加工(例如，材料在激光照射下，化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，引起材料性能變化)，也稱為激光加工，以此，利用激光熱效應(yīng)的激光加工可以稱為激光熱加工，利用光特性改變材料性質(zhì)變化的激光加工可以稱為激光冷加工。激光加工按照具體加工動(dòng)作分類可以分為激光焊接、激光切割、激光打標(biāo)、激光打孔、激光熱處理、激光成型、激光3D打印等。激光加工在材料、汽車、電子、電器、航空、冶金、機(jī)械制造、輕工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并且，激光加工的應(yīng)用范圍不多擴(kuò)大，加工效果不斷提高。
[0003]在先技術(shù)中，存在激光加工裝置，參見(jiàn)意大利PRMA公司激光切割機(jī)、深圳大族公司激光焊接機(jī)和激光切割機(jī)、武漢金運(yùn)公司的激光雕花打孔機(jī)，武漢楚天公司、武漢團(tuán)結(jié)、華工科技等公司的激光加工裝置，均在多領(lǐng)域有很好使用，這些在先激光加工技術(shù)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)，但是，仍然存在一些本質(zhì)不足:I)激光加工裝置采用的激光束為線偏振光、圓偏振光等光場(chǎng)偏振模式，沒(méi)有發(fā)揮激光相干光場(chǎng)矢量光學(xué)聚焦特性，激光加工用的激光焦斑分布為超越普通光學(xué)聚焦系統(tǒng)衍射極限尺寸，因此，加工用焦斑橫向尺寸較大，焦斑焦深短，顯著影響和現(xiàn)實(shí)激光加工效果和應(yīng)用范圍；2)在加工系統(tǒng)中存在一個(gè)激光加工頭，這樣裝置靈活性、加工效率、適用范圍等特性受到顯著限制;3)本質(zhì)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)徑向偏振矢量光束強(qiáng)聚焦后超精密激光近場(chǎng)加工，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超衍射尺寸近場(chǎng)加工;4)本質(zhì)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)縱向偏振激光加工光場(chǎng)，限制了縱向偏振激光的加工應(yīng)用，不能實(shí)現(xiàn)偏振敏感型激光加工;5)在先技術(shù)裝置靈活性、功能可擴(kuò)充性、可靠性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔方面有限，影響在先技術(shù)應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述技術(shù)的不足，提供一種基于徑向偏振光束的雙加工頭激光加工裝置，該裝置具有徑向偏振矢量光場(chǎng)、光束質(zhì)量高、焦斑橫向尺寸小、焦深長(zhǎng)、加工效果好、雙激光加工頭、可實(shí)現(xiàn)超衍射尺寸近場(chǎng)加工、可實(shí)現(xiàn)縱向偏振激光加工、便于構(gòu)建、可靠性高、靈活性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于徑向偏振光束的雙加工頭激光加工裝置，包括光束會(huì)聚部件、高反射腔鏡、第一反射鏡、固態(tài)增益介質(zhì)元件、圓形型光栗浦源、第二反射鏡、圓錐面光場(chǎng)回返元件，所述固態(tài)增益介質(zhì)元件為平板結(jié)構(gòu)，所述固態(tài)增益介質(zhì)元件外側(cè)設(shè)置有圓形型光栗浦源，圓形型光栗浦源出射的栗浦光照射在固態(tài)增益介質(zhì)元件內(nèi)；所述固態(tài)增益介質(zhì)元件的內(nèi)側(cè)光路上依次設(shè)有第一反射鏡和高反射腔鏡，固態(tài)增益介質(zhì)元件外側(cè)光路上依次設(shè)有第二反射鏡和圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件;所述高反射腔鏡和圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件構(gòu)成激光諧振腔，所述第一反射鏡和第二反射鏡用于改變激光諧振腔內(nèi)光場(chǎng)傳播方向，使高反射腔鏡和圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件朝向被加工物品；高反射腔鏡的相對(duì)于第一反射鏡的另一側(cè)光路上設(shè)置有光束會(huì)聚部件，使徑向偏振光束在光束會(huì)聚部件焦點(diǎn)區(qū)域形成高質(zhì)量遠(yuǎn)場(chǎng)激光加工光場(chǎng);所述圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件為軸對(duì)稱棱鏡結(jié)構(gòu)，一端為頂端圓錐曲面，一端為垂直于對(duì)稱軸的頂端平面，在圓錐曲面和頂端平面之間為圓環(huán)形圓錐曲面，沿著對(duì)稱軸方向的切面剖物面為軸對(duì)稱五邊形；圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件的頂端圓錐曲面朝向第二反射鏡，圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件的頂端圓錐曲面與對(duì)稱軸的夾角為激光工作波長(zhǎng)的布魯斯特角，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)徑向偏振矢量光束產(chǎn)生，平行光軸光場(chǎng)在圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件的頂端平面發(fā)生反射，在圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件的頂端平面外側(cè)形成近場(chǎng)激光加工光場(chǎng)。
[0006]所述高反射腔鏡朝向第一反射鏡一側(cè)的內(nèi)工作平面上設(shè)置有調(diào)節(jié)光束波前相位的微納結(jié)構(gòu)，高反射腔鏡另一側(cè)的外工作平面上設(shè)置有高反射膜，在激光頻率處具有高反射率。所述的固態(tài)增益介質(zhì)元件的材料為摻釹釔鋁石榴石、氟化釔鋰、自激活激光晶體或可調(diào)諧激光晶體中的任一種。所述的因態(tài)增益介質(zhì)元件的光學(xué)工作平面對(duì)栗浦光波長(zhǎng)光的透過(guò)率大于95%。所述的圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件為玻璃軸對(duì)稱棱鏡結(jié)構(gòu)、晶體軸對(duì)稱棱鏡結(jié)構(gòu)或高分子透光材料軸對(duì)稱棱鏡結(jié)構(gòu)中的任一種。所述的圓形型光栗浦源為非相干光源、半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、固態(tài)激光器或激光二極管中的任一種。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
1)在先技術(shù)激光加工裝置采用的激光束為線偏振光、圓偏振光等光場(chǎng)偏振模式，沒(méi)有發(fā)揮激光相干光場(chǎng)矢量光學(xué)聚焦特性，激光加工用的激光焦斑分布為超越普通光學(xué)聚焦系統(tǒng)衍射極限尺寸，因此，加工用焦斑橫向尺寸較大，焦斑焦深短，顯著影響和現(xiàn)實(shí)激光加工效果和應(yīng)用范圍。本發(fā)明基于光栗浦固體激光器工作原理，采用腔內(nèi)變光路和腔內(nèi)相位調(diào)節(jié)技術(shù)，使用圓錐面光學(xué)作用和布魯斯特角的偏振選擇特性實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)選擇，實(shí)現(xiàn)徑向偏振矢量光束本征模式產(chǎn)生，將徑向偏振矢量光束進(jìn)行聚焦形成焦斑橫向尺寸小和焦斑焦深長(zhǎng)的激光加工用焦斑，產(chǎn)生并充分發(fā)揮了徑向偏振矢量光束本征模式聚焦行為，具有徑向偏振矢量光場(chǎng)、光束質(zhì)量高、焦斑橫向尺寸小、焦深長(zhǎng)、加工效果好和應(yīng)用范圍等特點(diǎn)；
2)在先技術(shù)加工系統(tǒng)中存在一個(gè)激光加工頭，這樣裝置靈活性、加工效率、適用范圍等特性受到顯著限制。本發(fā)明由高反射腔出射徑向偏振光束與光束會(huì)聚部件構(gòu)成作一個(gè)激光加工頭；圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件端面出射強(qiáng)聚焦徑向偏振矢量光束形成的縱向偏振近場(chǎng)光場(chǎng)，作為超衍射尺寸近場(chǎng)加工激光加工頭，構(gòu)建基于徑向偏振光束的雙加工頭激光加工裝置，實(shí)現(xiàn)雙激光加工頭模式；
3)在先技術(shù)本質(zhì)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)徑向偏振矢量光束強(qiáng)聚焦后超精密激光近場(chǎng)加工，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超衍射尺寸近場(chǎng)加工。本發(fā)明高反射腔出射徑向偏振光束，與光束會(huì)聚部件構(gòu)成作一個(gè)激光加工頭，高反射腔內(nèi)一側(cè)平面上設(shè)置有微納結(jié)構(gòu)，改變徑向偏振矢量光束波前相位分布，調(diào)節(jié)徑向偏振矢量光束本征光場(chǎng)模式，徑向偏振光束經(jīng)過(guò)波前相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)超精密激光加工。圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件端面作為超衍射尺寸近場(chǎng)加工激光加工頭，可以實(shí)現(xiàn)超精密激光近場(chǎng)加工和超衍射尺寸近場(chǎng)加工；
4)在先技術(shù)本質(zhì)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)縱向偏振激光加工光場(chǎng)，限制了縱向偏振激光的加工應(yīng)用，不能實(shí)現(xiàn)偏振敏感型激光加工。本發(fā)明圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件端面出射強(qiáng)聚焦徑向偏振矢量光束形成的縱向偏振近場(chǎng)光場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)縱向偏振激光的加工應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)偏振敏感型激光加工；
5)在先技術(shù)裝置靈活性、功能可擴(kuò)充性、可靠性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔方面有限，影響在先技術(shù)應(yīng)用范圍。本發(fā)明基于矢量光場(chǎng)本征模式產(chǎn)生遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)矢量光束用于激光加工，具有便于構(gòu)建、可靠性高、靈活性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為本發(fā)明的基于徑向偏振光束的雙加工頭激光加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0010]如圖1所示，一種基于徑向偏振光束的雙加工頭激光加工裝置，包括:光束會(huì)聚部件3、高反射腔鏡4、第一反射鏡5、固態(tài)增益介質(zhì)元件6、圓形型光栗浦源7、第二反射鏡8、圓錐面光場(chǎng)回返元件9;在固態(tài)增益介質(zhì)元件6為平板結(jié)構(gòu)，態(tài)增益介質(zhì)元件6的光學(xué)工作平面對(duì)栗浦光波長(zhǎng)光具有高透過(guò)率，固態(tài)增益介質(zhì)元件6外側(cè)設(shè)置有圓形型光栗浦源7，圓形型光栗浦源7出射的栗浦光照射在固態(tài)增益介質(zhì)元件6內(nèi)；固態(tài)增益介質(zhì)元件6的一側(cè)光路上依次設(shè)有第一反射鏡5和高反射腔鏡4，高反射腔鏡4朝向第一反射鏡5—側(cè)的內(nèi)工作平面401上設(shè)置有調(diào)節(jié)光束波前相位的微納結(jié)構(gòu)，高反射腔鏡4另一側(cè)的外工作平面402上設(shè)置有高反射膜，在激光頻率處具有高反射率;在固態(tài)增益介質(zhì)元件6的另一側(cè)光路上依次設(shè)有第二反射鏡8和圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件9;高反射腔鏡4和圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件9構(gòu)成激光諧振腔，第一反射鏡5和第二反射鏡8改變激光諧振腔內(nèi)光場(chǎng)傳播方向，使高反射腔鏡4和圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件9朝向被加工物品；高反射腔鏡4的相對(duì)于第一反射鏡5的另一側(cè)光路上設(shè)置有光束會(huì)聚部件3，徑向偏振光束在光束會(huì)聚部件3焦點(diǎn)區(qū)域形成高質(zhì)量遠(yuǎn)場(chǎng)激光加工光場(chǎng)2;圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件9為軸對(duì)稱棱鏡結(jié)構(gòu)，一端為頂端圓錐曲面901，一端為垂直于對(duì)稱軸的頂端平面903，在圓錐曲面901和頂端平面903之間為圓環(huán)形圓錐曲面902，沿著對(duì)稱軸方向的切面剖物面為軸對(duì)稱五邊形；圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件9的頂端圓錐曲面901朝向第二反射鏡8，圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件9的頂端圓錐曲面901與對(duì)稱軸的夾角為激光工作波長(zhǎng)的布魯斯特角，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)徑向偏振矢量光束產(chǎn)生，平行光軸光場(chǎng)在圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件9的頂端平面903發(fā)生反射，在圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件9的頂端平面903外側(cè)形成近場(chǎng)激光加工光場(chǎng)10。
[0011]本實(shí)施例中，所述的態(tài)增益介質(zhì)元件6的材料為摻釹釔鋁石榴石，態(tài)增益介質(zhì)元件6的光學(xué)工作平面對(duì)栗浦光波長(zhǎng)光的透過(guò)率為97%;圓錐面光場(chǎng)調(diào)節(jié)元件9為高分子透光材料軸對(duì)稱棱鏡結(jié)構(gòu)；圓形型光栗浦源7為808納米波長(zhǎng)的激光二極管;高反射腔鏡4另一側(cè)的外工作平面402上設(shè)置有高反射膜，針對(duì)于1064納米處的