一种环形斑激光加工系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，更具体地，涉及一种环形斑激光加工系统。

背景技术

近年来随着新能源行业日益蓬勃的需求，对前端激光加工技术提出了更高的要求。受限于材料吸收因素，传统的红外激光器对高反材料的吸收率很低，在焊接切割及其他精密应用中易存在飞溅，效率低，功率受限于单模块功率等诸多问题，已不能满足铜材料等高反材料的焊接及切割。

绿光激光器凭借着铜材对绿光光束的高吸收特性，相较于红外激光器，具有明显优势，但是，绿光激光器和红外激光器的激光束一样是高斯分布，在激光加工时，加工中心的温度过高，还是可能导致加工过程中产生飞溅而损坏加工工件周围的电子元件，同时，由于加工过程中加工中心和周围出现较大温度差，形成温度梯度，使得工件受热不均匀，导致工件容易出现变形、气泡以及裂纹等各种问题。

基于此，有必要发明一种环形斑激光加工系统，该激光加工系统输出光为红外和绿光的复合光，复合光输出形式为环形光斑输出，可大幅提升加工效率，同时减少飞溅。

当前较为常见的环形光辅助加工系统包括两种，一种是直接另外再设置一个环形光激光器，形成环形光斑进行辅助加工；还有一种是IPG创设的具有环形光纤的激光器加工系统，具体为所述激光器的光纤结构包括中心光纤和环形光纤两部分，通过激光器分别控制中心光纤和环形光纤形成中央光束和环形光束，中央光束进行激光加工，环形光束进行辅助加工。以上两种常见的激光加工系统均较为复杂，生产成本较高。

基于此，有必要发明一种结构简单、成本低廉、操控方便、光斑质量优良的激光加工系统，同样也可以减轻激光加工过程中出现工件卷曲、飞溅、气泡和裂纹等问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种环形斑激光加工系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：一种环形斑激光加工系统，包括激光光源、第一透镜、激光晶体、第一分色镜，第二透镜、第二分色镜、第三分色镜、第三透镜、第四分色镜、振镜机构、目标工件、平台。

激光光源主要是用于输出1000～1100nm的红外光作为基频光束。

第一透镜用于对基频光束进行能量会聚，提升基频光束的能量密度或功率密度。

激光晶体为LBO/BBO或其他倍频晶体，用于对基频光束进行频率转换，当1000～1100nm基频光穿过该晶体且功率密度达到非线性阈值时，会产生相应的二次谐波，即倍频光，产生的倍频光的光频率为基频光的一半，此时产生的即为500～550nm的绿光。

第一分色镜主要通过镀有500～550nm的高反膜和1000～1100nm的增透膜的方式，对经激光晶体变换之后产生的倍频光与残余的基频光进行分离。分离后的500～550nm的倍频光为第一激光光束，残余的1000～1100nm的基频光为第二激光光束。

第二透镜设于第一分色镜反射激光的后方方向上，用于对经第一分色镜反射的500～550nm的第一激光光束进行准直调节，所述第二透镜选用凸透镜。

第二分色镜主要通过镀有500～550nm的高反膜和1000～1100nm的增透膜的方式，对经由第二透镜准直后的500～550nm的光束进行反射转向，同时对经第二透镜后分色不完全的1000～1100nm进行再次滤除。

所述第一分色镜的透射激光的后方设有第三分色镜，主要用于对过第一分色镜之后的1000～1100nm的第二激光光束进行反射转向。

所述第三透镜设于第三分色镜反射激光的后方方向上，用于对经第三分色镜反射的第二激光光束进行准直调节，所述第三透镜同样选用凸透镜。

在优选的方案中，所述第三透镜到激光晶体的光程必须大于第二透镜到激光晶体的光程，以便500～550nm的绿光激光光束分布于中央内环区域，1000～1100nm的红外光分布于外环区域(中央内环区域的外围)。

所述第四分色镜设于第三透镜的后方，可将第一激光光束和第二激光光束调节至同一激光输出方向。

所述第四分色镜的后方设有振镜机构，所述振镜机构，主要用于对由第四分色镜传输来的复合光束进行整合，使第一激光光束和第二激光光束按照生产要求作用在目标工件上。

所述目标工件为需要被加工的元件。

所述平台主要用于对目标工件进行承载或夹持和移动，以方便对目标工件的加工。

本申请提供的环形斑激光加工系统，只需要采用一个激光光源即可生成复合激光，实现复合激光加工效果,在加工过程中，主力激光可以采用500～550nm的绿光激光，该系统输出的绿光激光光束分布呈环形分布，位于中央内环区域。辅助激光采用1000～1100nm的红外光，位于外环区域(外环区域覆盖内环区域)，主要用于对目标工件工作区进行预热和热过渡，用于提升绿光加工效率。内环区域功率密度高于外环区域功率密度，在工作过程中，内环能量密度高，对工件完成热熔加工，外环区域因功率密度低，不进行加工，整个过程效率高，飞溅极小，加工区域迅速完成加工，非目标加工区域热影响小，极大地提高工件加工精度、良率和效率，且激光器的光光转化效率极高，基本无其他能量损失，极大的提高了能源利用，生产制造成本也会更低廉。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的环形斑激光加工系统的第一结构示意图；

图2为本申请提供的环形斑激光加工系统的第二结构示意图；

图3为本申请提供的环形斑激光加工系统的第三结构示意图；

图4为本申请提供的环形斑激光加工系统的第四结构示意图；

图5为本申请提供的环形斑激光加工系统的第五结构示意图；

图6为本申请提供的环形斑激光加工系统的第六结构示意图。

附图标记：1、激光光源，2、第一透镜，3、激光晶体，4、第一分色镜，5、第二透镜，6、第一位移机构，7、第二分色镜，8、第三分色镜，9、第三透镜，10、第二位移机构，11、第四分色镜，12、窗口片，13、振镜机构，14、目标工件，15、平台，16、第五分色镜，L、基频光束，L1、第一激光光束，L2、第二激光光束。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是对本申请权利范围的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，图1为本申请提供的环形斑激光加工系统的第一结构示意图，该环形斑激光加工系统，包括：激光光源1、第一透镜2、激光晶体3、第一分色镜4，第二透镜5、第二分色镜7、第三分色镜8、第三透镜9、第四分色镜11、振镜机构13、目标工件14、平台15。

激光光源1主要是用于输出1000～1100nm的基频光束L，所述激光光源1可以是光纤激光器也可以是半导体激光器。

第一透镜2用于对基频光束L进行能量会聚，提升基频光束L的能量密度或功率密度，也可以提高后续频率转换效率，通常采用平凸透镜。

激光晶体3为LBO/BBO或其他倍频晶体，用于对基频光束L进行频率转换，当1000～1100nm基频光穿过该晶体且功率密度达到非线性阈值时，会产生相应的二次谐波，即倍频光，产生的倍频光的光频率为基频光的一半，此时产生的即为500～550nm的绿光。

第一分色镜4主要通过镀有500～550nm的高反膜和1000～1100nm的增透膜的方式，对经激光晶体3转换之后产生的倍频光与残余的基频光进行分离。分离后的500～550nm的倍频光为第一激光光束L1，残余的1000～1100nm的基频光为第二激光光束L2。

第二透镜5设于第一分色镜4反射激光的后方方向上，用于对经第一分色镜4反射的500～550nm的第一激光光束L1进行准直调节，所述第二透镜5选用凸透镜。

第二分色镜7主要通过镀有500～550nm的高反膜和1000～1100nm的增透膜的方式，对经由第二透镜5准直后的500～550nm的光束进行反射转向，同时对经第二透镜5后分色不完全的1000～1100nm进行再次滤除。

所述第一分色镜4的透射激光的后方设有第三分色镜8，所述第三分色镜8通过镀1000～1100nm高反膜和500～550nm增透膜，主要用于对过第一分色镜4之后的1000～1100nm的第二激光光束L2进行反射转向，将500～550nm的第一激光光束L1滤除。

所述第三透镜9设于第三分色镜8反射激光的后方方向上，用于对经第三分色镜8反射的第二激光光束L2进行准直调节，所述第三透镜9同样选用凸透镜。

进一步地，所述第三透镜9到激光晶体3的光程必须大于第二透镜5到激光晶体3的光程，以实现第一激光光束L1为中央的小光斑激光光束，第二激光光束L2为外侧的大光斑环形激光光束，因为500～550nm的第一激光光束L1在加工高反金属材料时，金属材料对激光光束吸收率更佳，具有更好的加工精度，也具有更小的热效应副作用。

所述第四分色镜11设于第三透镜9的后方，将第一激光光束L1和第二激光光束L2调节至同一激光输出方向。

所述第四分色镜11的后方设有振镜机构13，所述振镜机构13，主要用于对由第四分色镜11传输来的复合光束进行整合，采用光学扫描的方式控制第一激光光束L1和第二激光光束L2在一个平面上相互垂直的两个方向运动或偏转，使第一激光光束L1和第二激光光束L2按照生产要求作用在目标工件14上。

所述目标工件14为需要被加工的元件。

所述平台15主要用于对目标工件14进行承载或夹持和移动，以方便对目标工件14的加工。

进一步地，为了减少系统的功率损耗，提高激光加工系统的光光转化效率，所述第一透镜2上可以镀1000-1100nm增透膜，所述激光晶体3上靠近第一透镜2的一侧镀1000-1100nm增透膜，远离第一透镜2的一侧镀500～550nm和1000-1100nm增透膜。

进一步地，所述第一分色镜4在靠近激光晶体3的一侧表面镀500～550nm的高反膜和1000～1100nm的增透膜，同时，在远离激光晶体3的一侧表面镀1000～1100nm的增透膜。

进一步地，为了减少系统的功率损耗，提高激光加工系统的光光转化效率，所述第二透镜5上镀500～550nm增透膜，所述第三透镜9上镀1000～1100nm增透膜。

进一步地，第二分色镜7输出激光的波长为1000～1100nm，第二分色镜7在靠近第二透镜5的一侧表面镀500～550nm高反膜和1000～1100nm增透膜，同时在远离第二透镜5的一侧表面镀1000～1100nm的增透膜。

进一步地，如图1所示，所述第四分色镜11可通过镀1000～1100nm高反膜和500～550nm增透膜的方式将第一激光光束L1和第二激光光束L2调节至同一激光输出方向(在其他的实施例中，也可以通过镀制其他膜层配合其他放置角度实现将第一激光光束L1和第二激光光束L2调节至同一激光输出方向的效果)。

请参阅图2，图2为本申请提供的环形斑激光加工系统的第二结构示意图，该环形斑激光加工系统，在图1的激光加工系统的基础上，还包括第一位移机构6和第二位移机构10。

第一位移机构6连接或承载第二透镜5，可带动第二透镜5沿光路平行方向前后移动，可以通过带动第二透镜5移动改变第二透镜5到激光晶体3之间的光程，同时也可以改变500～550nm的第一激光光束L1的输出发散角和瑞利长度，进而改变第一激光光束L1作用于目标工件14上的光斑大小和焦点位置。

第二位移机构10连接或承载第三透镜9，可带动第三透镜9沿光路平行方向前后移动，可以通过带动第三透镜9移动改变第三透镜9到激光晶体3之间的光程，同时，也可以改变1000～1100nm的第二激光光束L2的输出发散角和瑞利长度，进而改变第二激光光束L2作用于目标工件14上的光斑大小和焦点位置。

进一步地，第一激光光束L1和第二激光光束L2的功率密度也可以通过同时改变激光晶体3的转换效率去自主调节，以用于不同的应用需求，相比较现有的复合激光加工系统，本申请的激光加工系统不需要额外增设功率密度调节机构。

请参阅图3，图3为本申请提供的环形斑激光加工系统的第三结构示意图，该环形斑激光加工系统，在图2的激光加工系统的基础上，还包括窗口片12，所述窗口片12位于第四分色镜11和振镜机构13之间，主要用于对环形斑激光加工系统的密封，将复合光及环形光产生系统与外界环境隔离开来，以实现洁净的激光产生环境。

进一步地，为减少系统损耗，所述窗口片12一般双面镀增透膜，镀1000～1100nm增透膜和500～550nm增透膜。

进一步地，为减少对输出激光光束影响，所述窗口片12可采用双端平面镜片，经由窗口片12输出的光束包括位于中央的500～550nm的第一激光光束L1和位于外环的1000～1100nm的第二激光光束L2。其中第一激光光束L1的输出光斑直径为r1，第二激光光束L2的输出光斑直径为r2，r2>r1。在激光加工系统中，r1和r2的内外环尺寸差可以通过调节第二透镜5到激光晶体3的光程和第三透镜9到激光晶体3的光程之间光程差去相应设计。

请参阅图4，图4为本申请提供的环形斑激光加工系统的第四结构示意图，该环形斑激光加工系统，在图1所示的激光加工系统的基础上，还包括第五分色镜16，所述第五分色镜16位于第四分色镜11和振镜机构13之间，主要用于对复合激光光束进行传输方向的转向作用，以适应更多应用场景，且便于将激光光束导入目标应用系统，同时也进一步滤除杂散光。

如图4所示，所述第四分色镜11设于第三透镜9的后方，所述第四分色镜11可通过镀500～550nm高反膜和1000～1100nm增透膜的方式将第一激光光束L1和第二激光光束L2调节至同一激光输出方向(此处的第四分色镜11的镀膜和图1的激光加工系统的第四分色镜11的不一样)，所述第五分色镜16上镀1000～1100nm高反膜和500～550nm高反膜。

进一步地，为减少对输出激光光束的负面影响，所述第五分色镜16采用平面镜片。

请参阅图5，图5为本申请提供的环形斑激光加工系统的第五结构示意图，该环形斑激光加工系统，在图1所示的激光加工系统的基础上，还包括第一位移机构6和第二位移机构10。所述第一位移机构6和第二位移机构10的作用原理和作用效果与图2所示的激光加工系统中的相同，在此不再赘述。

请参阅图6，图6为本申请提供的环形斑激光加工系统的第六结构示意图，该环形斑激光加工系统，在图5所示的激光加工系统的基础上，还包括窗口片12，所述窗口片12位于第四分色镜11和第五分色镜16之间。同样，在图6中的窗口片12的作用原理和作用效果与图3所示的激光加工系统中的相同，在此不再赘述。

本申请的激光加工系统的熔深可调，由于输出的复合激光束分别有各自的发散角等参数调节系统，通过外部控制实时对激光加工系统的参数进行调节，采用调节或补偿激光加工过程中的加工参数，实现不同熔深的同步加工，或者实现不同熔深的动态变换加工，可以满足各种高难度加工场景的需求。

需要说明的是，本申请的以上实施例的技术方案之间可以组合，如果实施例之间不存在包含关系，除非出现明显矛盾的方案，否则，并不限定于单个实施例所阐述的范围，而是相互之间可以组合成新的实施例。在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者器件所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者器件中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，以及对本申请中的各个实施例进行组合，这些改进、修饰和组合也落入本申请权利要求的保护范围内。