基于徑向偏振光束的雙加工頭激光加工裝置的制造方法
【技術領域】
[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、機械制造、輕工業(yè)等領域中激光加工
目.0
【背景技術】
[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)生變化而實現(xiàn)加工結果的加工(例如，材料在激光照射下，化學鍵發(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作分類可以分為激光焊接、激光切割、激光打標、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、機械制造、輕工業(yè)等領域得到廣泛的應用，并且，激光加工的應用范圍不多擴大，加工效果不斷提高。
[0003]在先技術中，存在激光加工裝置，參見意大利PRMA公司激光切割機、深圳大族公司激光焊接機和激光切割機、武漢金運公司的激光雕花打孔機，武漢楚天公司、武漢團結、華工科技等公司的激光加工裝置，均在多領域有很好使用，這些在先激光加工技術具有相當?shù)膬?yōu)點，但是，仍然存在一些本質不足:I)激光加工裝置采用的激光束為線偏振光、圓偏振光等光場偏振模式，沒有發(fā)揮激光相干光場矢量光學聚焦特性，激光加工用的激光焦斑分布為超越普通光學聚焦系統(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)實激光加工效果和應用范圍；2)在加工系統(tǒng)中存在一個激光加工頭，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)本質上無法實現(xiàn)徑向偏振矢量光束強聚焦后超精密激光近場加工，無法實現(xiàn)超衍射尺寸近場加工;4)本質上無法實現(xiàn)縱向偏振激光加工光場，限制了縱向偏振激光的加工應用，不能實現(xiàn)偏振敏感型激光加工;5)在先技術裝置靈活性、功能可擴充性、可靠性、結構簡潔方面有限，影響在先技術應用范圍。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對上述技術的不足，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、光束質量高、焦斑橫向尺寸小、焦深長、加工效果好、雙激光加工頭、可實現(xiàn)超衍射尺寸近場加工、可實現(xiàn)縱向偏振激光加工、便于構建、可靠性高、靈活性強、應用范圍廣等特點。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:一種基于徑向偏振光束的雙加工頭激光加工裝置，包括光束會聚部件、高反射腔鏡、第一反射鏡、固態(tài)增益介質元件、圓形型光栗浦源、第二反射鏡、圓錐面光場回返元件，所述固態(tài)增益介質元件為平板結構，所述固態(tài)增益介質元件外側設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)增益介質元件內；所述固態(tài)增益介質元件的內側光路上依次設有第一反射鏡和高反射腔鏡，固態(tài)增益介質元件外側光路上依次設有第二反射鏡和圓錐面光場調節(jié)元件;所述高反射腔鏡和圓錐面光場調節(jié)元件構成激光諧振腔，所述第一反射鏡和第二反射鏡用于改變激光諧振腔內光場傳播方向，使高反射腔鏡和圓錐面光場調節(jié)元件朝向被加工物品；高反射腔鏡的相對于第一反射鏡的另一側光路上設置有光束會聚部件，使徑向偏振光束在光束會聚部件焦點區(qū)域形成高質量遠場激光加工光場;所述圓錐面光場調節(jié)元件為軸對稱棱鏡結構，一端為頂端圓錐曲面，一端為垂直于對稱軸的頂端平面，在圓錐曲面和頂端平面之間為圓環(huán)形圓錐曲面，沿著對稱軸方向的切面剖物面為軸對稱五邊形；圓錐面光場調節(jié)元件的頂端圓錐曲面朝向第二反射鏡，圓錐面光場調節(jié)元件的頂端圓錐曲面與對稱軸的夾角為激光工作波長的布魯斯特角，實現(xiàn)腔內徑向偏振矢量光束產生，平行光軸光場在圓錐面光場調節(jié)元件的頂端平面發(fā)生反射，在圓錐面光場調節(jié)元件的頂端平面外側形成近場激光加工光場。
[0006]所述高反射腔鏡朝向第一反射鏡一側的內工作平面上設置有調節(jié)光束波前相位的微納結構，高反射腔鏡另一側的外工作平面上設置有高反射膜，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諧激光晶體中的任一種。所述的因態(tài)增益介質元件的光學工作平面對栗浦光波長光的透過率大于95%。所述的圓錐面光場調節(jié)元件為玻璃軸對稱棱鏡結構、晶體軸對稱棱鏡結構或高分子透光材料軸對稱棱鏡結構中的任一種。所述的圓形型光栗浦源為非相干光源、半導體激光器、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)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點:
1)在先技術激光加工裝置采用的激光束為線偏振光、圓偏振光等光場偏振模式，沒有發(fā)揮激光相干光場矢量光學聚焦特性，激光加工用的激光焦斑分布為超越普通光學聚焦系統(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)實激光加工效果和應用范圍。本發(fā)明基于光栗浦固體激光器工作原理，采用腔內變光路和腔內相位調節(jié)技術，使用圓錐面光學作用和布魯斯特角的偏振選擇特性實現(xiàn)矢量光場選擇，實現(xiàn)徑向偏振矢量光束本征模式產生，將徑向偏振矢量光束進行聚焦形成焦斑橫向尺寸小和焦斑焦深長的激光加工用焦斑，產生并充分發(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、光束質量高、焦斑橫向尺寸小、焦深長、加工效果好和應用范圍等特點；
2)在先技術加工系統(tǒng)中存在一個激光加工頭，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聚部件構成作一個激光加工頭；圓錐面光場調節(jié)元件端面出射強聚焦徑向偏振矢量光束形成的縱向偏振近場光場，作為超衍射尺寸近場加工激光加工頭，構建基于徑向偏振光束的雙加工頭激光加工裝置，實現(xiàn)雙激光加工頭模式；
3)在先技術本質上無法實現(xiàn)徑向偏振矢量光束強聚焦后超精密激光近場加工，無法實現(xiàn)超衍射尺寸近場加工。本發(fā)明高反射腔出射徑向偏振光束，與光束會聚部件構成作一個激光加工頭，高反射腔內一側平面上設置有微納結構，改變徑向偏振矢量光束波前相位分布，調節(jié)徑向偏振矢量光束本征光場模式，徑向偏振光束經過波前相位調制，實現(xiàn)超精密激光加工。圓錐面光場調節(jié)元件端面作為超衍射尺寸近場加工激光加工頭，可以實現(xiàn)超精密激光近場加工和超衍射尺寸近場加工；
4)在先技術本質上無法實現(xiàn)縱向偏振激光加工光場，限制了縱向偏振激光的加工應用，不能實現(xiàn)偏振敏感型激光加工。本發(fā)明圓錐面光場調節(jié)元件端面出射強聚焦徑向偏振矢量光束形成的縱向偏振近場光場，可以實現(xiàn)縱向偏振激光的加工應用，實現(xiàn)偏振敏感型激光加工；
5)在先技術裝置靈活性、功能可擴充性、可靠性、結構簡潔方面有限，影響在先技術應用范圍。本發(fā)明基于矢量光場本征模式產生遠場和近場矢量光束用于激光加工，具有便于構建、可靠性高、靈活性強、應用范圍廣等特點。
【附圖說明】
[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構示意圖。
【具體實施方式】
[0009]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[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:光束會聚部件3、高反射腔鏡4、第一反射鏡5、固態(tài)增益介質元件6、圓形型光栗浦源7、第二反射鏡8、圓錐面光場回返元件9;在固態(tài)增益介質元件6為平板結構，態(tài)增益介質元件6的光學工作平面對栗浦光波長光具有高透過率，固態(tài)增益介質元件6外側設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)增益介質元件6內；固態(tài)增益介質元件6的一側光路上依次設有第一反射鏡5和高反射腔鏡4，高反射腔鏡4朝向第一反射鏡5—側的內工作平面401上設置有調節(jié)光束波前相位的微納結構，高反射腔鏡4另一側的外工作平面402上設置有高反射膜，在激光頻率處具有高反射率;在固態(tài)增益介質元件6的另一側光路上依次設有第二反射鏡8和圓錐面光場調節(jié)元件9;高反射腔鏡4和圓錐面光場調節(jié)元件9構成激光諧振腔，第一反射鏡5和第二反射鏡8改變激光諧振腔內光場傳播方向，使高反射腔鏡4和圓錐面光場調節(jié)元件9朝向被加工物品；高反射腔鏡4的相對于第一反射鏡5的另一側光路上設置有光束會聚部件3，徑向偏振光束在光束會聚部件3焦點區(qū)域形成高質量遠場激光加工光場2;圓錐面光場調節(jié)元件9為軸對稱棱鏡結構，一端為頂端圓錐曲面901，一端為垂直于對稱軸的頂端平面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，沿著對稱軸方向的切面剖物面為軸對稱五邊形；圓錐面光場調節(jié)元件9的頂端圓錐曲面901朝向第二反射鏡8，圓錐面光場調節(jié)元件9的頂端圓錐曲面901與對稱軸的夾角為激光工作波長的布魯斯特角，實現(xiàn)腔內徑向偏振矢量光束產生，平行光軸光場在圓錐面光場調節(jié)元件9的頂端平面903發(fā)生反射，在圓錐面光場調節(jié)元件9的頂端平面903外側形成近場激光加工光場10。
[0011]本實施例中，所述的態(tài)增益介質元件6的材料為摻釹釔鋁石榴石，態(tài)增益介質元件6的光學工作平面對栗浦光波長光的透過率為97%;圓錐面光場調節(jié)元件9為高分子透光材料軸對稱棱鏡結構；圓形型光栗浦源7為808納米波長的激光二極管;高反射腔鏡4另一側的外工作平面402上設置有高反射膜，針對于1064納米處的