專利名稱：激光束雙聚焦點單面激光加工技術的制作方法
技術領域：
本發明是一種雙激光束單面激光加工技術，涉及激光加工技術。
目前國內外在激光加工技術中對激光束的應用采用如下兩種技術途徑單光束單面加工技術(如圖6所示)和雙光束雙面加工技術(如圖7所示)。在單光束單面加工技術中，由于光束半徑和光束發散角成反比，在特定激光功率情況下，減小激光束聚焦半徑，提高激光聚焦點處功率密度，必然增大激光束聚焦點處發散角和減小激光束瑞利長度，不利于深度加工和影響加工質量。在雙光束雙面加工技術中，盡管可增加激光束瑞利長度一倍，但其方法在某些加工中無法采用。
本發明提出的激光束雙聚焦點單面激光加工技術消除了上述兩種技術的不足。通過改變將整形和擴束后的雙光束激光雙聚焦點之間相對空間位置，雙光束激光雙聚焦點截面的相對大小，雙光束激光雙聚焦點的空間橫截面的能量分布，雙光束激光雙聚焦點的空間分布形狀和單光束或雙光束兩個聚焦點的相對空間深度，可提高加工深度，改善激光加工質量和實現激光加工中的特殊要求。
本發明的構成是由一個兩組具有不同聚焦半徑的反射式聚焦系統或兩組具有不同聚焦半徑的透鏡式聚焦系統或一組反射式聚焦系統和一組透鏡式聚焦系統構成的兩組具有不同聚焦半徑的光學系統將整形和擴束后的雙光束激光分別聚焦形成具有兩個聚焦點的復合光束，并通過改變兩個反射聚焦鏡或聚焦透鏡的不同曲率面的曲率分布參數和空間相對位置，可使兩個聚焦點形成具有所需的相對空間位置，分別具有所需的聚焦點光束截面大小，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空間深度的兩個光束聚焦點的復合光束。
本發明的特點是通過合理的設計激光束聚焦光學系統實現單激光束或雙激光束的雙焦點聚焦，通過設計聚焦光學系統的不同參數來實現雙激光光束聚焦點之間所需的相對空間位置，雙激光束聚焦點截面所需的大小，聚焦點處所需的空間橫截面的能量分布，聚焦點處所需的空間分布形狀和兩個激光束聚焦點的相對空間深度，可提高加工深度，改善激光加工質量和實現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雙光束雙焦點反射式聚焦系統示意3雙光束雙焦點透鏡式聚焦系統示意4雙光束雙焦點組合式聚焦系統示意5雙焦點圓光斑與軸向光強分布示意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號如下所示1-低功率密度長瑞利長度光束2-高功率密度短瑞利長度光束3-被加工件4-入射激光束A5-入射激光束B6-長焦距反射鏡面7-短焦距反射鏡面8-低功率密度長瑞利長度聚焦點9-高功率密度短瑞利長度聚焦點10-長焦距透鏡11-短焦距透鏡12-低功率密度長瑞利長度聚焦點截面13-高功率密度短瑞利長度聚焦點截面14-復合光束橫截面沿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方向I-光束功率密度坐標方向本發明的上述目的由如下技術方案實現該激光束雙聚焦點單面激光加工技術由光學聚焦系統實現雙光束激光聚焦形成具有兩個聚焦點的復合光束(如圖1所示)。該聚焦系統由兩組具有不同聚焦半徑的反射式聚焦系統(見圖2所示)或兩組具有不同聚焦半徑的透鏡式聚焦系統(見圖3所示)或一組反射式聚焦系統和一組透鏡式聚焦系統構成的兩組具有不同聚焦半徑的光學系統(見圖4所示)將雙光束激光聚焦形成具有兩個聚焦點的復合光束。
本發明的具體結構由圖2-圖4給出a．采用反射式聚焦系統時，可分別加工兩個具有不同曲率分布的高反射鏡面，將兩束整形和擴束過的入射激光束分別聚焦形成一復合光束。兩個高反射鏡面聚焦鏡的曲率分布由整形和擴束過的入射激光束參數和被加工件對復合光束聚焦點的要求來確定。結構示意圖如圖2所示。
b．采用透鏡式聚焦系統時，可分別加工兩個具有不同曲率分布的高透過率聚焦鏡，將兩束整形和擴束過的入射激光束分別聚焦形成一復合光束。兩個高透過率聚焦鏡的曲率分布由整形和擴束過的入射激光束參數和被加工件對復合光束聚焦點的要求來確定。結構示意圖如圖3所示。
c．采用復合式聚焦系統時，可分別加工一個具有不同曲率分布的高透過率聚焦鏡和一個具有不同曲率分布的高反射鏡面，將兩束整形和擴束過的入射激光束分別聚焦形成一復合光束。高透過率聚焦鏡和高反射鏡面的曲率分布由整形和擴束過的入射激光束參數和被加工件對復合光束聚焦點的要求來確定。結構示意圖如圖4所示。
實例如下1- 采用反射式聚焦系統時，如圖2所示。對于整形和擴束過的圓光斑入射雙激光束，入射光束A4和入射光束B5的光束半徑均為10mm，兩個光束發散角均為2mrad。若所需在被加工點處兩光束聚焦點為圓對稱性且共焦點，入射光束A4低功率密度長瑞利長度聚焦點8處光束半徑為0.4mm，入射光束B5高功率密度短瑞利長度聚焦點9處光束半徑為0.24mm，在兩光束共焦點處可形成如圖5所示的光束橫截面分布(低功率密度長瑞利長度聚焦點截面12和高功率密度短瑞利長度聚焦點截面13)和光強分布14。因而所需的對入射光束A4聚焦的長焦距反射鏡6焦距為低功率密度長瑞利長度聚焦點8光束半徑÷入射光束A4的發散角=0.4÷0.002=200mm所需的對入射光束B5聚焦的短焦距反射鏡7焦距為高功率密度短瑞利長度聚焦點9光束半徑÷入射光束B5的發散角=0.24÷0.002=120mmb．采用透鏡式聚焦系統時，如圖3所示。對于整形和擴束過的圓光斑入射雙激光束，入射光束A4和入射光束B5的光束半徑均為10mm，兩個入射光束發散角均為2mrad。若所需在被加工點處兩光束聚焦點為圓對稱性且共焦點，入射光束A4低功率密度長瑞利長度聚焦點8處光束半徑為0.4mm，入射光束B5高功率密度短瑞利長度聚焦點9處光束半徑為0.24mm，在兩光束共焦點處可形成如圖5所示的光束橫截面分布(低功率密度長瑞利長度聚焦點截面12和高功率密度短瑞利長度聚焦點截面13)和光強分布14。因而所需的對入射光束A4聚焦的長焦距透鏡10焦距為低功率密度長瑞利長度聚焦點8光束半徑÷入射光束A4的發散角=0.4÷0.002=200mm所需的對入射光束B5聚焦的短焦距透鏡11焦距為高功率密度短瑞利長度聚焦點9光束半徑÷入射光束B5的發散角=0.24÷0.002=120mmc．采用復合式聚焦系統時，如圖4所示。對于整形和擴束過的圓光斑入射雙激光束，入射光束A4和入射光束B5的光束半徑均為10mm，兩個入射光束發散角均為2mrad。若所需在被加工點處兩光束聚焦點為圓對稱性且共焦點，入射光束A4低功率密度長瑞利長度聚焦點8處光束半徑為0.4mm，入射光束B5高功率密度短瑞利長度聚焦點9處光束半徑為0.24mm，在兩光束共焦點處可形成如圖5所示的光束橫截面分布(低功率密度長瑞利長度聚焦點截面12和高功率密度短瑞利長度聚焦點截面13)和光強分布14。因而所需的對入射光束A4聚焦的長焦距透鏡10焦距為低功率密度長瑞利長度聚焦點8光束半徑÷入射光束A4的發散角=0.4÷0.002=200mm所需的對入射光束B 5聚焦的短焦距反射鏡7焦距為高功率密度短瑞利長度聚焦點9光束半徑÷入射光束B5的發散角=0.24÷0.002=120mm對于聚焦點處所需的相對空間位置，所需的聚焦點光束半徑相對大小，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空間深度的兩個光束聚焦點的復合光束。可通過設計和加工長焦距透鏡和短焦距反射鏡面所要求的曲率分布獲得。
權利要求
1．一種激光束雙聚焦點單面激光加工技術，其特征在于該光學聚焦系統為具有兩組不同聚焦半徑的反射式聚焦系統將整形和擴束后的雙光束激光分別聚焦形成具有兩個聚焦點的復合光束，并通過改變兩個反射聚焦鏡或聚焦透鏡的不同曲率面的曲率分布參數和空間相對位置，可形成具有所需的聚焦點相對空間位置，所需的聚焦點光束截面大小，所需的聚焦點空間橫截面的能量分布，所需的聚焦點空間分布形狀和所需的相對空間深度的兩個光束聚焦點的復合光束。
2．如權利要求1所述激光束雙聚焦點單面激光加工技術，其特征在于該光學聚焦系統為具有兩組不同聚焦半徑的透鏡式聚焦系統。
3．如權利要求1所述激光束雙聚焦點單面激光加工技術，其特征在于該光學聚焦系統為一組反射式聚焦系統和一組透鏡式聚焦系統構成的兩組具有不同聚焦半徑的光學系統。
全文摘要
本發明是一種雙激光束單面激光加工技術,涉及激光加工技術。本發明通過一個光學聚焦系統改變雙光束聚焦點之間相對空間位置,雙光束聚焦點半徑的相對大小,兩個光束聚焦點的空間橫截面的能量分布,兩個光束聚焦點的空間分布形狀和兩個光束聚焦點的相對空間深度,可提高加工深度,改善激光加工質量和實現激光加工中的特殊要求。
文檔編號B23K26/02GK1214286SQ97116988
公開日1999年4月21日 申請日期1997年10月10日 優先權日1997年10月10日
發明者辛建國 申請人:北京理工大學