专利名称：精密加工激光切割机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光切割机，特别是涉及一种能够实时提高激光加工质量的精密激光切割机。
背景技术：
随着国民经济的快速发展，对激光切割机的需求日益增加。在激光切割机需求量增加的同时，对激光加工质量的要求也不断提高。影响激光加工质量的主要因素是激光束的聚焦光斑质量和热致形变引起的焦斑位置漂移，它决定着待加工工件的加工精度。
为了克服常规激光切割机加工精度不高、切点易漂移等缺陷，可以在激光切割机上使用平面或球面变形反射镜、波前探测器、分光镜、后向反射器、聚焦透镜或准直透镜等光学元件，利用波前探测器、变形反射镜、波前控制器形成的闭环反馈系统，由波前控制器将波前探测器探测得到的信号经过控制算法转化为变形反射镜的控制信号，驱动变形反射镜改变波前形状，实现扰动波前误差的实时校正，从而使到达待切割物上的聚焦光斑质量良好。
发明内容
本发明解决的技术问题是克服激光和待切割物的相互作用引起的湍流扰动和常规激光切割机由于激光自身波前畸变、聚焦透镜热致形变引起的波前畸变、聚焦光斑质量变坏和漂移，提供一种能够实时改善聚焦光斑质量的精密激光切割机。
本发明的技术解决方案一是激光切割机包括球面变形反射镜、分光镜、波前探测器、电控系统等，其特点在于球面变形反射镜把激光聚焦到待切割物上，聚焦光斑与待切割物相互作用产生的后向反射弧光作为波前探测器的信标光，波前探测器探测到热致扰动的信标光后，由电控系统驱动球面变形反射镜改变面形补偿激光与待切割物的相互作用引起的热致扰动。准直的激光经球面变形反射镜后，经分光镜反射会聚至待切割物，其聚焦光斑与待切割物相互作用产生后向反射弧光，该后向反射弧光经分光镜全部透射或部分透射至准直透镜，波前探测器探测准直后的弧光信标波前中的某一频率的扰动波前，从而驱动球面变形反射镜改变面形以补偿聚焦激光与待切割物相互作用产生的热致扰动，使激光的聚焦光斑质量良好，切割精密。
本发明技术解决方案二是精密激光切割机包括平面变形反射镜、分光镜、聚焦透镜、波前探测器、电控系统等，其特点在于聚焦透镜把激光聚焦到待切割物上，聚焦光斑与待切割物相互作用产生的后向反射弧光作为波前探测器的信标光，波前探测器探测到的信标光携带了切割点发热引起的热致扰动、聚焦透镜变形引起的波前畸变，从而驱动平面变形反射镜改变面形，来补偿激光与待切割物的相互作用引起的热致扰动、聚焦透镜的变形像差等。准直的激光经平面变形反射镜、分光镜后，聚焦透镜把它会聚至待切割物，其聚焦光斑与待切割物相互作用产生后向反射弧光，该后向反射弧光经聚焦透镜准直后全部透过或部分透过分光镜，然后传输至波前探测器，波前探测器探测准直后的弧光中的某一频率的扰动波前，从而驱动平面变形反射镜改变面形以补偿聚焦透镜的热变形引起的波前畸变、聚焦激光与待切割物相互作用产生的热扰动等，使激光的聚焦光斑质量良好，切割精密。
本发明的技术解决方案三是精密激光切割机包括球面变形反射镜、后向反射器件、分光镜、聚焦透镜、波前探测器一、波前探测器二、电控系统等，其特点在于所述的球面变形反射镜把激光聚焦到待切割物上，激光的聚焦光斑与待切割物相互作用产生的后向反射弧光透过分光镜被准直透镜准直后作为波前探测器一的信标光；透过分光镜的少部分激光经后向反射器的后向反射回光作为波前探测器二的信标光，两个波前探测器探测的信标光经数据融合后形成控制信号驱动球面变形反射镜改变面形补偿激光的通道扰动、激光与待切割物的相互作用引起的热致扰动、分光镜的热致变形等误差。准直的激光经球面变形反射镜后，成为会聚光束，会聚光束经分光镜反射至待切割物，会聚光斑与待切割物相互作用产生的后向反射弧光经分光镜全部透射或部分透射至准直透镜，波前探测器一探测准直后的弧光信标波前中的某一频率的扰动波前作为信标光；少部分激光透过分光镜，经后向反射器件的反射回光作为波前探测器二的信标光，两信标光经数据融合后形成相应控制信号驱动球面变形反射镜改变面形以补偿激光光路扰动、聚焦激光光斑与待切割物相互作用产生的热扰动、分光镜的热变形等，使激光的聚焦光斑质量良好，切割精密。
本发明的技术解决方案四是精密激光切割机系统包括平面变形反射镜、后向反射器件、分光镜、聚焦透镜、波前探测器一、波前探测器二、电控系统等，其特点在于所述的聚焦透镜把激光聚焦到待切割物上，激光的聚焦光斑与待切割物相互作用产生的后向反射弧光被聚焦透镜准直后透过分光镜作为波前探测器一的信标光；透过分光镜的少部分激光经后向反射器的后向反射回光作为波前探测器二的信标光，两束信标光经数据融合后形成控制信号驱动平面变形反射镜改变面形补偿激光的通道扰动、激光与待切割物的相互作用引起的热致扰动、分光镜的热致变形等误差。准直的激光经平面变形反射镜、分光镜后，被会聚透镜会聚至待切割物，聚焦光斑与待切割物相互作用产生的后向反射弧光经聚焦透镜准直后透过分光镜，波前探测器一探测准直后的弧光中的某一频率的扰动波前作为信标光；少部分准直的激光透过分光镜，经后向反射器件的反射回光作为波前探测器二的信标光，两信标光经数据融合以后形成相应控制信号驱动平面变形反射镜改变面形以补偿激光光路扰动、聚焦激光光斑与待切割物相互作用产生的热扰动、分光镜的热变形等，使激光的聚焦光斑质量良好，切割精密。
本发明与现有技术相比具有如下优点本发明利用变形反射镜、波前探测器、波前控制器等形成闭环反馈系统，实时补偿聚焦激光光斑与待切割物相互作用产生的热扰动，或同时补偿激光本身像差、光路扰动、分光镜的热变形等，使高功率切割激光能够具有良好的聚焦光斑质量，提高切割精度。
图1为本发明技术解决方案之一的精密加工激光切割机示意图；图2为本发明技术解决方案之二的精密加工激光切割机示意图；图3为本发明技术解决方案之三中精密加工激光切割机示意图；图4为本发明技术解决方案之四的精密加工激光切割机示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明技术解决方案之一的实施例包括待切割物1、球面变形反射镜3、分光镜2、准直透镜4、波前探测器5、电控系统6等，准直的激光经球面变形反射镜3后，成为会聚光束，会聚光束经分光镜2反射至待切割物1，激光与待切割物相互作用产生后向反射弧光，该后向反射弧光经分光镜2全部透射或部分透射至准直透镜4，波前探测器5探测准直后的弧光信标波前中的某一频率的扰动波前，从而驱动球面变形反射镜3改变面形以补偿激光光路扰动以及聚焦激光光斑与待切割物相互作用产生的热扰动，提高激光的聚焦光斑质量，使切割精密。
如图2所示，本发明技术解决方案之二的实施例包括待切割物1、聚焦透镜2、平面变形反射镜3、分光镜4、波前探测器5、电控系统6等，准直的激光经平面变形反射镜3和分光镜4后，由聚焦透镜2会聚至待切割物1，聚焦光斑与待切割物1相互作用产生后向反射弧光，该后向反射弧光被聚焦透镜准直后透过分光镜2全部透射或部分透射波前探测器5，波前探测器5探测弧光信标波前中的某一频率的扰动波前，从而驱动平面变形反射镜3改变面形以补偿聚焦激光光斑与待切割物相互作用产生的热扰动，使激光的聚焦光斑质量良好，切割精密。
上述方案之一所述的精密激光切割机其特征在于使用球面变形反射镜把激光会聚至待切割物上，其曲率可以是球面曲率或者是非球面曲率。方案之二所述的激光切割机其特征在于使用聚焦透镜把激光会聚至待切割物上。方案一和方案二使用的变形反射镜的驱动器可以使用压电陶瓷驱动器、电致伸缩陶瓷驱动器、磁致伸缩合金驱动器等对面形进行修正。这种系统利用激光与待切割物相互作用产生的后向反射中的某一频率的波前作为波前探测信标。波前探测器只对弧光中的某一频率的波前进行探测。系统中的分光镜的膜系设计为对激光全部反射，对远离激光波段的某一波段全部透射或部分透射。
方案一和方案二可以补偿切点产生的热量引起的波前畸变，使切点稳定，在一定程度上提高了聚焦光斑质量。但是它门均不能探测和补偿激光本身的波前畸变。这两种方案适宜于激光聚焦光斑与待切其割物相互作用引起的热致扰动为大量的情况。
如图3所示，本发明技术解决方案之三实施例包括待切割物1、后向反射器件2、分光镜3、球面变形反射镜4、准直透镜5、波前探测器6、波前探测器7、电控系统8等，球面变形反射镜3把准直后的激光聚焦到待切割物1上，聚焦光斑与待切割物相互作用产生的后向反射弧光透过分光镜3，由准直透镜5准直后作为波前探测器6的信标光；透过分光镜3的少部分激光经后向反射器的后向反射回光作为波前探测器7的信标光，波前探测器6和波前探测器7探测的两束信标光经数据融合后形成控制信号驱动球面变形反射镜4改变面形补偿激光本身像差、通道扰动、激光与待切割物的相互作用引起的热致扰动、分光镜的热致变形等误差，其数据融合方法可以采用文献“共光路供模块自适应光学数据融合方法。光学学报，Vol.24，P131～136，2004”公开的几种数据融合方法，如斜率融合、波面融合、电压融合等方法。
如图4所示，本发明技术解决方案之四实施例包括待切割物1、聚焦透镜2、平面变形反射镜3、分光镜4、后向反射器件5、波前探测器6、波前探测器7、电控系统8等，聚焦透镜2把准直的激光聚焦到待切割物1上，聚焦光斑与待切割物相互作用产生的后向反射弧光经聚焦透镜2准直后透过分光镜4作为波前探测器6的信标光，透过分光镜3的少部分激光经后向反射器的后向反射回光作为波前探测器7的信标光，两束信标光经数据融合后形成控制信号驱动平面变形反射镜4改变面形补偿激光本身像差、通道扰动、激光与待切割物的相互作用引起的热致扰动、分光镜的热致变形等误差。其数据融合方法可以采用文献“共光路/共模块自适应光学数据融合方法。光学学报，Vol.24，P131～136，2004”公开的几种数据融合方法，如斜率融合、波面融合、电压融合等方法。
上述的方案三和方案四的特征在于激光的聚焦光斑与待切割物相互作用产生的后向反射弧光作为波前探测器6的信标光，该信标光携带了激光与待切割物产生的热致扰动；同时分光镜透射的少部分激光经后向反射器反射后形成入射波的伪共轭(有关后向反射器作为伪相位共轭器件可以参见文献“角反射器阵列作为伪相位共轭器件的保真度分析”。强激光与离子束，Vol.13，P287～P290，2001)，该伪相位共轭波前作为波前探测器7的信标，它携带了激光本身像差、分光镜的热变形像差等。两种信标经过数据融合以后形成相应控制信号驱动球面变形反射镜或平面变形反射镜改变面形以补偿激光光路扰动、聚焦激光光斑与待切割物相互作用产生的热扰动、分光镜的热变形等，使激光的聚焦光斑质量良好，切割精密。
方案三和方案四中的两个波前探测器分别探测了携带激光与待切割物相互作用引起的热致扰动弧光后向反射回光波前，携带激光本身像差、分光镜的热致变形像差的激光信标波前，相比实施例一和实施例二而言，方案3和方案4实现了对全光路的像差探测和校正，可以更进一步提高加工精度。但是实施例1和实施例2结构相对简单，在激光本身像差与激光与待切割物相互作用引起的热致像差相比较，后者为主要像差时，使用实施例1和实施例2可以节约成本，减少开支。
本发明方案一和方案三的球面变形反射镜曲率可以是球面曲率，也可以是非球面曲率，球面曲率和非球面曲率的变形反射镜可以直接把准直的切割激光会聚成一个光斑，可以避免使用会聚透镜带来的吸热变形。
本发明的方案一至方案四中所用的分光镜由于需要把切割所用的激光全部反射，以便聚焦光斑不损失能量，并且该反射镜又必须把切割产生的弧光进行透射，所以该分光镜的膜系设计为对激光全部反射，对远离激光波段的弧光波段全部透射或部分透射。
方案三和方案四使用的后向反射器件可以是角椎棱镜阵列、微珠反射阵列或相位共轭器件。这几种光学元件均可以把入射波前以伪共轭或共轭的波前进行后向反射，以便波前探测器探测的波前斜率信息真实的反映入射波前信息。
本发明四个方案中采用的波前探测器，可以是哈特曼波前传感器，如文献“Hartmann Sensers for Optical Testing”Robert J.Zielinski.B.MartinLevine，Brain MoNeil.SPIE Vol.314，P398，1997)公开的哈特曼波前传感器，或中国专利申请号200310100168.1中所公开的基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，还可以是曲率传感器等其他波前探测器。采用的电控系统包括波前处理机和高压放大器，波前处理机把波前探测器探测的波前斜率信息实时计算，并形成控制信号，经高压放大器后驱动变形反射镜改变面形补偿激光本身像差和各种扰动像差。
权利要求
1.精密加工激光切割机，其特征在于包括球面变形反射镜、分光镜、准直透镜、波前探测器、电控系统，使用球面变形反射镜把激光会聚至待切割物上，准直的激光经球面变形反射镜后，成为会聚光束，其聚焦光斑与待切割物相互作用产生后向反射弧光，该后向反射弧光经分光镜全部透射或部分透射至准直透镜，波前探测器探测准直后的弧光中的某一频率的扰动波前，形成控制信号驱动球面变形反射镜补偿热致像差。
2.根据权利要求1所述的精密加工激光切割机，其特征在于所述的球面变形反射镜曲率可以是球面曲率，也可以是非球面曲率。
3.根据权利要求1所述的精密加工激光切割机，其特征在于所述分光镜的膜系设计为对激光全部反射，对远离激光波段的某一波段全部透射或部分透射。
4.精密加工激光切割机，其特征在于包括平面变形反射镜、分光镜、聚焦透镜、波前探测器、电控系统，使用聚焦透镜把激光会聚至待切割物上，准直的激光经平面变形反射镜、分光镜后，聚焦透镜把它会聚至待切割物，其聚焦光斑与待切割物相互作用产生后向反射弧光，该后向反射弧光经聚焦透镜准直后全部透过或部分透过分光镜，然后传输至波前探测器，并由波前控制器形成控制信号驱动平面变形反射镜补偿热致像差。
5.根据权利要求4所述的精密加工激光切割机，其特征在于所述分光镜的膜系设计为对激光全部反射，对远离激光波段的某一波段全部透射或部分透射。
6.精密加工激光切割机，其特征在于包括球面变形反射镜、分光镜、后向反射器件、准直透镜、两个波前探测器、电控系统，使用后向反射器件定向反射形成的共轭波前作为激光本身信标，使用切割点产生的后向反射弧光作为热致扰动信标，准直的激光经球面变形反射镜后，成为会聚光束，其聚焦光斑与待切割物相互作用产生的后向反射弧光经分光镜全部透射或部分透射至准直透镜，一个波前探测器探测准直后的弧光信标波前中的某一频率的扰动波前作为信标光；另一个波前探测器探测透过分光镜的少部分激光经后向反射器件定向反射回光作为信标光。两束信标光经数据融合后形成控制信号驱动球面变形反射镜改变面形补偿全光路像差。
7.根据权利要求6所述的精密加工激光切割机，其特征在于所述的球面变形反射镜曲率可以是球面曲率，也可以是非球面曲率。
8.根据权利要求6所述的精密加工激光切割机，其特征在于所述分光镜的膜系设计为对激光全部反射，对远离激光波段的某一波段全部透射或部分透射。
9.根据权利要求6所述的精密加工激光切割机，其特征在于所述的后向反射器件可以是角椎棱镜阵列、微珠反射阵列或相位共轭器件。
10.精密加工激光切割机，包括平面变形反射镜、分光镜、聚焦透镜、后向反射器件、两个波前探测器、电控系统，其特征在于使用后向反射器件定向反射形成的共轭波前作为激光本身信标，使用切割点产生的后向反射弧光作为热致扰动信标，准直的激光经平面变形反射镜、分光镜后，被聚焦透镜会聚至待切割物，聚焦光斑与待切割物相互作用产生的后向反射弧光经聚焦透镜准直后透过分光镜，一个波前探测器探测准直后的弧光中的某一频率的扰动波前作为信标光；另一个波前探测器探测少部分透过分光镜，并经后向反射器定向反射回的功能激光共轭波前作为信标光，两束信标光经数据融合后形成控制信号驱动平面变形反射镜改变面形补偿全光路像差。
11.根据权利要求10所述的精密加工激光切割机，其特征在于所述的后向反射器件可以是角椎棱镜阵列、微珠反射阵列或相位共轭器件。
12.根据权利要求10所述的精密加工激光切割机，其特征在于所述的分光镜的膜系设计为对激光全部反射，对远离激光波段的某一波段全部透射或部分透射。
全文摘要
精密加工激光切割机，利用待切割物与聚焦激光相互作用产生的弧光作为波前探测器的信标波前，或者同时利用少部分激光经后向反射器的反射回光作为激光自身像差信标，并由波前控制器把波前探测器得到的信号经过控制算法形成控制信号或者经数据融合形成控制信号，驱动电控系统使变形反射镜产生相应形变，补偿聚焦光斑与待切割物相互作用产生的热量引起的热致扰动，或者同时补偿激光自身的波前像差和分光镜的热变形像差，最终使到达待切割物的高能激光具有良好的聚焦光斑质量。这种精密加工激光切割机避免了直接使用会聚透镜导致的吸热变形，并避免了激光自身像差产生的焦斑质量恶化和位置漂移，可以将焦点精确定位，从而提高激光切割机的加工精度。
文档编号B23K26/00GK1730225SQ20051008625
公开日2006年2月8日 申请日期2005年8月19日 优先权日2005年8月19日
发明者胡诗杰, 许冰, 王海英 申请人:中国科学院光电技术研究所