CN207414580U - 多功能超快激光微细加工系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及多功能超快激光微细加工系统，超快激光器输出端设倍频模块，倍频模块输出端有三个波段出光口，第一波段输出光路上设第一光路传输模组，第二波段输出光路上设第二光路传输模组，其输出的光束经合束镜合为一束，合束镜输出端依次设第一光路切换装置、第二光路切换装置和第三光路切换装置，第三波段输出光路上设第三光路传输模组，第三光路传输模组输出的光束处于另一光路上，第三光路传输模组输出端依次设第四光路切换装置、第五切换装置和第六反射镜，其中心在垂直方向上分别与第一光路切换装置、第二光路切换装置和第三光路切换装置的中心对齐，其垂直射出端光路均设光阑，光阑输出端设加工模块。实现数种组合方式的加工模式。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种多功能超快激光微细加工系统，属于激光加工技术领域。
背景技术
随着激光技术的发展，激光加工正在以前所未有的速度进入到传统工业的各个领域，对传统加工技术而言是一种革命性的挑战。按照激光的脉冲宽度进行分类，激光可分为连续激光、长脉冲激光，短脉冲激光和超快激光，各种脉宽的激光根据特性有不同的应用领域。其中超快激光具有“超精细”和“无热影响”的加工特点，基于超快激光的微纳加工技术，理论上实现了对加工材料的无选择性和无热影响区域，有着无可替代的优势，近年来已成为研究的热点。
超快激光维纳技术将加工精度延伸至微米或纳米量级，突破光学微加工方法的精度极限。现有的超快激光加工设备一方面功能较单一，只能用于钻孔、刻蚀或切割等，且三维加工能力较弱；另一方面，根据材料的不同，需要选择不同波长的光进行加工，这就需要特定波长的激光加工设备，成本大。对于材料多样、加工方式多样的要求无法在同一设备上完成，不便于超快激光微纳加工的理论研究和应用基础研究。
专利号201610408296.X公开了一种超快激光微细加工系统，通过分光器将光束分两路输出，实现了两种功能的激光加工，但这种方式能量损失大，加工效率不高，且对材料的选择范围有所限制。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种多功能超快激光微细加工系统。
本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
多功能超快激光微细加工系统，特点是：超快激光器输出端设有倍频模块，倍频模块输出端有三个波段的出光口，其第一波段输出光路上设有第一光路传输模组，第二波段输出光路上设有第二光路传输模组，第一光路传输模组和第二光路传输模组输出的光路上设有合束镜，光束经合束镜合为一束使其处于同一光路上，合束镜输出端依次设有第一光路切换装置、第二光路切换装置和第三光路切换装置，第三波段输出光路上设有第三光路传输模组，第三光路传输模组输出的光束处于另一光路上，第三光路传输模组输出端依次设有第四光路切换装置、第五切换装置和第六反射镜，第四光路切换装置、第五切换装置和第六反射镜的中心在垂直方向上分别与第一光路切换装置、第二光路切换装置和第三光路切换装置的中心对齐，第一光路切换装置垂直射出端光路上设有第一光阑，第二光路切换装置垂直射出端光路上设有第二光阑，第三光路切换装置垂直射出端光路上设有第三光阑，第一光阑输出端设有多光束并行加工模块，第二光阑输出端设有三维扫描振镜加工模块，第三光阑输出端设有钻孔加工模块。
进一步地，上述的多功能超快激光微细加工系统，其中，所述超快激光器为皮秒激光器或纳秒激光器。
进一步地，上述的多功能超快激光微细加工系统，其中，所述第一光路传输模组包含第一偏振转换装置以及第一扩束镜，第一偏振转换装置位于第一波段输出光路上，第一扩束镜位于第一偏振转换装置的输出端。
进一步地，上述的多功能超快激光微细加工系统，其中，所述第一偏振转换装置与第一扩束镜之间设有反射镜，镀有1030nm高反膜。
进一步地，上述的多功能超快激光微细加工系统，其中，所述第二光路传输模组包含第二偏振转换装置以及第二扩束镜，第二偏振转换装置位于第二波段输出光路上，第二扩束镜位于第二偏振转换装置的输出端。
进一步地，上述的多功能超快激光微细加工系统，其中，所述第二偏振转换装置与第二扩束镜之间设有反射镜，镀有515nm高反膜。
进一步地，上述的多功能超快激光微细加工系统，其中，所述合束镜为双波段镜片，透射输入端镀有515nm增透膜，反射输出端镀有1030nm高反膜以及515nm增透膜。
进一步地，上述的多功能超快激光微细加工系统，其中，所述第三光路传输模组包含第三偏振转换装置以及第三扩束镜，第三偏振转换装置位于第三波段输出光路上，第三扩束镜位于第三偏振转换装置的输出端。
进一步地，上述的多功能超快激光微细加工系统，其中，所述第三偏振转换装置与第三扩束镜之间设有反射镜，镀有343nm高反膜。
进一步地，上述的多功能超快激光微细加工系统，其中，所述第一光路切换装置、第二光路切换装置、第三光路切换装置、第四光路切换装置以及第五切换装置均包含反射镜、步进电机和导轨，反射镜置于导轨上，步进电机驱动其在导轨上移动，控制光路的切进与切出；当反射镜切进光路时，光束于反射镜中心处反射输出；当反射镜切出光路时，反射镜未阻碍光束，光束通过。
本实用新型与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
①本实用新型采用倍频模块，实现基频(1030nm)、二倍频(515nm)和三倍频(343nm)的超短脉冲激光束输出，可对多种材料进行微细加工，提高了激光微细加工的应用范围；
②集成了三种波长的超快激光和三种类型的光束扫描模组，实现多光束并行加工、三维扫描振镜加工和钻孔(旋切)加工等多种组合方式的加工模式，可对固体和液体等多种材料进行微细加工，具备钻孔、刻蚀、并行加工等多种加工功能；大大地提高了激光微细加工系统的灵活性和应用范围，解决了现有超快激光加工设备功能单一等问题，显著减少了设备成本；
③偏振转换装置将线偏振光转化为圆偏振光，光路切换装置控制光路的切进和切出，加工系统能量利用率及加工效率高。
附图说明
图1：本实用新型的光路结构示意图。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。
如图1所示，多功能超快激光微细加工系统，超快激光器A输出端设有倍频模块B，倍频模块B输出端有三个波段的出光口，其第一波段输出光路B1上设有第一光路传输模组，第二波段输出光路B2上设有第二光路传输模组，第一光路传输模组和第二光路传输模组输出的光路上设有合束镜F，光束经合束镜F合为一束使其处于同一光路上，合束镜F输出端依次设有第一光路切换装置G1、第二光路切换装置G2和第三光路切换装置G3，第三波段输出光路B3上设有第三光路传输模组，第三光路传输模组输出的光束处于另一光路上，第三光路传输模组输出端依次设有第四光路切换装置G4、第五切换装置G5和第六反射镜D6，第四光路切换装置G4、第五切换装置G5和第六反射镜D6的中心在垂直方向上分别与第一光路切换装置G1、第二光路切换装置G2和第三光路切换装置G3的中心对齐，第一光路切换装置G1垂直射出端光路上设有第一光阑H1，第二光路切换装置G2垂直射出端光路上设有第二光阑H2，第三光路切换装置G3垂直射出端光路上设有第三光阑H3，第一光阑H1输出端设有多光束并行加工模块I，第二光阑H2输出端设有三维扫描振镜加工模块J，第三光阑H3输出端设有钻孔加工模块K。
其中，超快激光器A为皮秒激光器或纳秒激光器。其能够稳定输出超短脉冲激光，为激光加工提高能量来源。超短脉冲的脉冲宽度小于15ps，脉冲稳定性小于1％RMS，光束质量M2小于1.3，重复频率为200-1000KHz可调，最大单脉冲能量范围为0.15mJ-0.5mJ。
第一光路传输模组包含第一偏振转换装置C1以及第一扩束镜E1，第一偏振转换装置C1位于第一波段输出光路B1上，第一扩束镜E1位于第一偏振转换装置C1的输出端。第一偏振转换装置C1与第一扩束镜E1之间设有反射镜D1，镀有1030nm高反膜。
第二光路传输模组包含第二偏振转换装置C2以及第二扩束镜E2，第二偏振转换装置C2位于第二波段输出光路B2上，第二扩束镜E2位于第二偏振转换装置C2的输出端。第二偏振转换装置C2与第二扩束镜E2之间设有反射镜D2，镀有515nm高反膜。
合束镜F为双波段镜片，透射输入端镀有515nm增透膜，反射输出端镀有1030nm高反膜以及515nm增透膜。
第三光路传输模组包含第三偏振转换装置C3以及第三扩束镜E3，第三偏振转换装置C3位于第三波段输出光路B3上，第三扩束镜E3位于第三偏振转换装置C3的输出端。第三偏振转换装置C3与第三扩束镜E3之间设有反射镜D3，镀有343nm高反膜。
第一光路切换装置G1、第二光路切换装置G2、第三光路切换装置G3、第四光路切换装置G4以及第五切换装置G5均包含反射镜、步进电机和导轨，反射镜置于导轨上，步进电机驱动其在导轨上移动，控制光路的切进与切出；当反射镜切进光路时，光束于反射镜中心处反射输出；当反射镜切出光路时，反射镜未阻碍光束，光束通过。
多光束并行加工模块I和三维扫描振镜加工模块J均采用单波长设计结构，设有三个扫描加工头，使用不同波段光路时更换相对应波段的扫描加工头以及光路切换装置中反射镜；采用第一波段加工时，多光束并行加工模块I和三维扫描振镜加工模块J分别为1030nm多光束并行加工模块的第一加工头I1和1030nm三维扫描振镜加工模块的第一加工头J1，第一光路切换装置G1和第二光路切换装置G2中的反射镜镀有1030nm高反膜；采用第二波段加工时，多光束并行加工模块I和三维扫描振镜加工模块J分别为515nm多光束并行加工模块的第二加工头I2和515nm三维扫描振镜加工模块的第二加工头J2，第一光路切换装置G1和第二光路切换装置G2中的反射镜镀有515nm高反膜；采用第三波段加工时，多光束并行加工模块I和三维扫描振镜加工模块J分别为343nm多光束并行加工模块的第三加工头I3和343nm三维扫描振镜加工模块的第三加工头J3，第四光路切换装置G4和第五光路切换装置G5中的反射镜镀有343nm高反膜。
钻孔加工模块K设有两个扫描加工头，第一波段输出光路B1和第二波段输出光路B2共用一个扫描加工头，第三波段输出光路B3使用一个扫描加工头，使用不同波段光路时更换相对应波段的扫描加工头以及光路切换装置中反射镜；采用第一波段和第二波段加工时，钻孔加工模块K为1030nm/515nm钻孔加工模块的第一加工头K1，第三光路切换装置G3中的反射镜分别镀有1030nm高反膜和515nm高反膜；采用第三波段加工时，钻孔加工模块K为343nm钻孔加工模块的第二加工头K2，反射镜D6镀有343nm高反膜。
具体应用时，超快激光器A发射的激光经过倍频模块B后可输出三个波段的光；
第一波段输出光路B1为波长1030nm基频光，即红外光，经第一偏振转换装置C1转换为圆偏振光，再经第一扩束镜E1将光束直径放大，经合束镜F反射至光路切换装置，当合束镜F反射光传导至第一光路切换装置G1，反射后再经第一光阑H1控制光束通光直径，去除杂散光后传导至1030nm多光束并行加工模块的第一加工头I1对工件进行加工，实现红外光多光束并行加工；当移开第一光路切换装置G1，使合束镜F反射光通过传导至第二光路切换装置G2，反射后再经第二光阑H2控制光束通光直径，去除杂散光后传导至1030nm三维扫描振镜加工模块的第一加工头J1对工件进行加工，实现红外光三维扫描振镜加工功能；当移开第一光路切换装置G1和第二光路切换装置G2，使合束镜F反射光通过传导至第三光路切换装置G3，反射后再经第三光阑H3控制光束通光直径，去除杂散光后传导至1030nm/515nm钻孔加工模块的第一加工头K1对工件进行加工，实现红外光钻孔加工；
第二波段输出光路B2为波长为515nm二倍频光，即绿光，经第二偏振转换装置C2转换为圆偏振光，再经第二扩束镜E2将光束直径放大，经合束镜F透射至光路切换装置，当合束镜F透射光传导至第一光路切换装置G1，反射后再经第一光阑H1控制光束通光直径，去除杂散光后传导至515nm多光束并行加工模块的第二加工头I2对工件进行加工，实现绿光多光束并行加工；当移开第一光路切换装置G1，使合束镜F透射光通过传导至第二光路切换装置G2，反射后再经第二光阑H2控制光束通光直径，去除杂散光后传导至515nm三维扫描振镜加工模块的第二加工头J2对工件进行加工，实现绿光三维扫描振镜加工；当移开第一光路切换装置G1和第二光路切换装置G2，使合束镜F透射光通过传导至第三光路切换装置G3，反射后再经第三光阑H3控制光束通光直径，去除杂散光后传导至1030nm/515nm钻孔加工模块的第一加工头K1对工件进行加工，实现绿光钻孔加工；
第三波段输出光路B3为波长343nm三倍频光，即紫外光，经第三偏振转换装置C3转换为圆偏振光，再经第三扩束镜E3将光束直径放大，经反射镜D5反射至光路切换装置，当反射镜D5反射光传导至第四光路切换装置G4，移开第一光路切换装置G1，使第四光路切换装置G4反射光通过传导至第一光阑H1，去除杂散光后传导至343nm多光束并行加工模块的第三加工头I3对工件进行加工，实现紫外光多光束并行加工；当移开第四光路切换装置G4，使反射镜D5反射光通过传导至第五光路切换装置，移开第二光路切换装置G2，使第五光路切换装置G5反射光通过传导至第二光阑H2，去除杂散光后传导至343nm三维扫描振镜加工模块的第三加工头J3对工件进行加工，实现紫外光三维扫描振镜加工；当移开第四光路切换装置G4和第五光路切换装置G5，使反射镜D5反射光通过传导至反射镜D6，移开第三光路切换装置G3，使反射镜D6反射光通过传导至第三光阑H3控制光束通光直径，去除杂散光后传导至343nm钻孔加工模块的第二加工头K2对工件进行加工，实现紫外光钻孔加工。
第一偏振转换装置C1与第一扩束镜E1之间设有用于改变光束传输方向的反射镜D1，其镀有1030nm高反膜；第二偏振转换装置C2与第二扩束镜E2之间设有用于改变光束传输方向的反射镜D2，其镀有515nm高反膜；第三偏振转换装置C3与第三扩束镜E3之间设有用于改变光束传输方向的反射镜D3。
第一波段加工时，第一光路切换装置G1、第二光路切换装置G2和第三光路切换装置G3中的反射镜更换为镀有1030nm高反膜的反射镜；采用第二波段加工时，第一光路切换装置G1、第二光路切换装置G2和第三光路切换装置G3中的反射镜更换为镀有535nm高反膜的反射镜；采用第三波段加工时，当移开第四光路切换装置G4和第五光路切换装置G5中的反射镜更换为镀有343nm高反膜的反射镜，反射镜D6镀有343nm高反膜。
本实用新型集成了三种波长的超快激光和三种类型的光束扫描模组，实现了数种组合方式的加工模式，可对固体和液体等多种材料进行微细加工，具备钻孔、刻蚀、并行加工等多种加工功能。
采用倍频模块，实现基频(1030nm)、二倍频(515nm)和三倍频(343nm)的超短脉冲激光束输出，可对多种材料进行微细加工，提高了激光微细加工的应用范围。
偏振转换装置的作用在于将线偏振光转化为圆偏振光，为避免高能激光在内部聚焦，产生空气电离、损伤镜片，采用伽利略负正透镜组合形式，为保证工作面与聚焦镜焦面统一，正负透镜间距设计为手动可调式，扩束镜总长在100以内，负透镜焦距控制在80mm以下，正透镜焦距控制在160mm以内；根据激光光束直径和火焰筒的加工要求，选用二倍扩束镜，可获得最大的能量利用率。
光路切换装置的作用在于控制光路的切进和切出，主要由反射镜、步进电机和导轨组成，反射镜通过步进电机在导轨上移动，当反射镜切进光路时，光束打在反射镜的中心，当反射镜切出光路时，反射镜不挡光，让光束通过。反射镜结构长设计为35-40mm之间，厚10-15mm之间，为保证一定的行程余量，导轨全程设计为45-55mm之间。
需要说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，并非用以限定本实用新型的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本实用新型所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。
Claims (10)
1.多功能超快激光微细加工系统，其特征在于：超快激光器(A)输出端设有倍频模块(B)，倍频模块(B)输出端有三个波段的出光口，其第一波段输出光路(B1)上设有第一光路传输模组，第二波段输出光路(B2)上设有第二光路传输模组，第一光路传输模组和第二光路传输模组输出的光路上设有合束镜(F)，光束经合束镜(F)合为一束使其处于同一光路上，合束镜(F)输出端依次设有第一光路切换装置(G1)、第二光路切换装置(G2)和第三光路切换装置(G3)，第三波段输出光路(B3)上设有第三光路传输模组，第三光路传输模组输出的光束处于另一光路上，第三光路传输模组输出端依次设有第四光路切换装置(G4)、第五切换装置(G5)和第六反射镜(D6)，第四光路切换装置(G4)、第五切换装置(G5)和第六反射镜(D6)的中心在垂直方向上分别与第一光路切换装置(G1)、第二光路切换装置(G2)和第三光路切换装置(G3)的中心对齐，第一光路切换装置(G1)垂直射出端光路上设有第一光阑(H1)，第二光路切换装置(G2)垂直射出端光路上设有第二光阑(H2)，第三光路切换装置(G3)垂直射出端光路上设有第三光阑(H3)，第一光阑(H1)输出端设有多光束并行加工模块(I)，第二光阑(H2)输出端设有三维扫描振镜加工模块(J)，第三光阑(H3)输出端设有钻孔加工模块(K)。
2.根据权利要求1所述的多功能超快激光微细加工系统，其特征在于：所述超快激光器(A)为皮秒激光器或纳秒激光器。
3.根据权利要求1所述的多功能超快激光微细加工系统，其特征在于：所述第一光路传输模组包含第一偏振转换装置(C1)以及第一扩束镜(E1)，第一偏振转换装置(C1)位于第一波段输出光路(B1)上，第一扩束镜(E1)位于第一偏振转换装置(C1)的输出端。
4.根据权利要求3所述的多功能超快激光微细加工系统，其特征在于：所述第一偏振转换装置(C1)与第一扩束镜(E1)之间设有反射镜(D1)，镀有1030nm高反膜。
5.根据权利要求1所述的多功能超快激光微细加工系统，其特征在于：所述第二光路传输模组包含第二偏振转换装置(C2)以及第二扩束镜(E2)，第二偏振转换装置(C2)位于第二波段输出光路(B2)上，第二扩束镜(E2)位于第二偏振转换装置(C2)的输出端。
6.根据权利要求5所述的多功能超快激光微细加工系统，其特征在于：所述第二偏振转换装置(C2)与第二扩束镜(E2)之间设有反射镜(D2)，镀有515nm高反膜。
7.根据权利要求1所述的多功能超快激光微细加工系统，其特征在于：所述合束镜(F)为双波段镜片，透射输入端镀有515nm增透膜，反射输出端镀有1030nm高反膜以及515nm增透膜。
8.根据权利要求1所述的多功能超快激光微细加工系统，其特征在于：所述第三光路传输模组包含第三偏振转换装置(C3)以及第三扩束镜(E3)，第三偏振转换装置(C3)位于第三波段输出光路(B3)上，第三扩束镜(E3)位于第三偏振转换装置(C3)的输出端。
9.根据权利要求8所述的多功能超快激光微细加工系统，其特征在于：所述第三偏振转换装置(C3)与第三扩束镜(E3)之间设有反射镜(D3)，镀有343nm高反膜。
10.根据权利要求1所述的多功能超快激光微细加工系统，其特征在于：所述第一光路切换装置(G1)、第二光路切换装置(G2)、第三光路切换装置(G3)、第四光路切换装置(G4)以及第五切换装置(G5)均包含反射镜、步进电机和导轨，反射镜置于导轨上，步进电机驱动其在导轨上移动，控制光路的切进与切出；当反射镜切进光路时，光束于反射镜中心处反射输出；当反射镜切出光路时，反射镜未阻碍光束，光束通过。
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