镜31后，得到会聚光束，会聚光束的束腰半径为ω，
[0045] 其中，λ为入射光束8的波长，f为聚焦透镜的焦距，Oci为入射光束8的束腰半 径；
[0046] (4)会聚光束入射到双轴晶体32,入射时会聚光束与双轴晶体32光轴平行，透过 双轴晶体32后，得到瓶状光束35,所述瓶状光束35具有双焦点（前焦点36和后焦点38)， 并且焦像平面37处呈环形，如图3所示；
[0047] (5)利用瓶状光束35的后焦点38作为变焦系统物面，经过变焦系统成像后，后焦 点38的像面39为加工平面，利用该像面39进行加工。利用双轴晶体32的圆锥折射作用， 将经过聚焦透镜31后的高斯光束转变成为圆锥折射光束，相比于传统的高斯光束，在光束 传播方向上先后形成两个焦点，且两焦点之间光束先发散成环形后再次汇聚，根据这样的 特性，可以利用空心环形部分绕过小尺寸的障碍物，后焦点38直接作用于工件加工面进行 加工。
[0048] 对于瓶状光束35,根据双轴晶体32的圆锥折射公式，可以得到圆锥折射光束在焦 像平面37处环形光束的半径R tl为
[0051] 其中，1为双轴晶体32的长度，ni、ndP η 3分别为双轴晶体的三个主折射率，并且 η1<η2<η3〇
[0052] 焦像平面距聚焦透镜31的距离^为
[0054] 前焦点36距焦像平面37的距离&为
[0056] 后焦点38距聚焦透镜31的距离zf+ZFS
[0058] 第一凸透镜33的焦距为，第二凸透镜34的焦距为f2，第一凸透镜33和第二凸 透镜34之间的距离为d，根据变焦公式，变焦系统的焦距f。满足
[0060] 变焦系统的放大比m为
[0062] 焦像平面37在变焦系统之后的像面39距变焦系统的距离u满足
[0064] 将瓶状光束35的后焦点38作为入射变焦系统的物面，其距离变焦系统的距离为 V，将V带入上述系统成像公式，根据加工需要确定系统放大比，从而确定变焦系统的焦距 f。，通过调节两透镜之间的距离d得到所需的焦距。根据成像关系得到对应的像面39,此为 加工平面，将加工工件放置此处进行加工。
[0065] 实施例二：
[0066] 与实施例1相同部分不再赘述，不同的是：
[0067] 本发明还提供一种利用如上所述的激光加工系统进行激光加工的方法，包括以下 步骤：
[0068] (1)如图2所示，根据加工的需要，调节第一固定架4和第二固定架5的位置，确定 光路长度z，设定后，加工过程中，第一固定架4带动激光头3沿第二导轨14移动的同时，第 二固定架5与激光头3移动方向相同，并以激光头3的1/2速度移动，确保移动激光头3过 程中保持恒定的光路长度z ;
[0069] (2)由激光器2输出的激光依次经过反射镜6反射后，将激光引入激光头3,得到 入射光束8 ;
[0070] (3)入射光束8透过聚焦透镜31后，得到会聚光束，会聚光束的束腰半径为ω ;
[0071] (4)会聚光束入射到双轴晶体32,入射时会聚光束与双轴晶体32光轴平行，透过 双轴晶体32后，得到瓶状光束35,所述瓶状光束35具有双焦点（前焦点36和后焦点38)， 并且焦像平面37处呈环形；
[0072] (5)利用瓶状光束35的焦像平面37作为变焦系统物面，经过变焦系统成像后，利 用该像面39进行打孔。本发明利用双轴晶体32的圆锥折射作用，将经过聚焦透镜31后的 高斯光束转变成为圆锥折射光束，在焦像平面处，环形光束的发散角几乎为〇,即波矢方向 发散角很小，利用该焦像平面的像面39进行激光切割得到的孔垂直度较好，稳定性高。
[0073] 将瓶状光束35的焦像平面37作为入射变焦系统的物面，其距离变焦系统的距离 为V，将V带入实施例一的系统成像公式，根据加工需要确定系统放大比，确定变焦系统的 焦距f。，通过调节第一凸透镜33和第二凸透镜34之间的距离d得到所需的焦距。根据成 像关系得到对应的像面39,此为加工平面，将加工工件放置此处进行加工。利用变焦系统可 以实现加工光束横向尺寸的调节，以匹配加工要求
[0074] 例如：激光器2输出的激光波长为λ = 532nm，聚焦透镜31的焦距为f = 100mm， 束腰半径为Wtl= 400 μ m，经过聚焦透镜31后的会聚光束的束腰半径ω = 18 μ m。
[0075] 双轴晶体32材料为KGW晶体，折射率为A= 2. 013, η 2= 2. 045, η 3= 2. 086,其 尺寸为长I = 30mm、宽w = 2mm、高d = 3mm，光轴方向沿与入射端面垂直方向。本实例中焦 像平面处的圆环半径为Rtl= 510 μ m，后焦点38距聚焦透镜31的距离为z f+ZF= 182mm。
[0076] 变焦系统的两透镜焦距分别为f\= 100mm，f2= 100mm，根据加工需要，放大比设 定为0. 5,变焦系统距离后焦点38的距离V = 300mm，第一凸透镜33和第二凸透镜34之间 的距离为d = 100mm。
[0077] 将上述数据代入实施例一的公式，得到加工面处的光场半径为9 μm。即该焦像平 面37的像在加工面处的环形光束35半径为9 μ m，可利用该光束打孔。第一凸透镜33和第 二凸透镜34的距离d通过控制程序可快速计算得到，通过调节两透镜之间的距离d即可调 节作用于加工平面的光场半径。利用变焦系统将瓶状光束35成像，根据需要调节第一凸透 镜33和第二凸透镜34之间的距离，即可得到环形光束35的不同光场半径的像39,适用于 各种工件的加工，无需改变外光路系统，加工效率高。
[0078] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包 含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当 将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员 可以理解的其他实施方式。
【主权项】
1. 一种激光加工系统，其特征在于，包括框架、激光器、激光头、第一固定架和反射镜； 所述框架包括横梁和支撑梁，所述激光器固定连接在所述框架上； 所述激光头内设有聚焦透镜和双轴晶体，所述聚焦透镜和聚焦透镜的焦点分别位于所 述双轴晶体的两侧； 所述第一固定架设于横梁上，所述反射镜和激光头均与第一固定架固定连接，按照激 光传输路径依次排列为：激光器、反射镜、聚焦透镜和双轴晶体，所述激光器输出的激光与 所述双轴晶体的光轴平行。2. 根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光加工系统还包括第二 固定框架，所述第二固定架设于所述横梁上，所述反射镜为3个，其中2个所述反射镜与第 二固定架固定连接，按照激光传输路径依次排列为：激光器、反射镜、聚焦透镜和双轴晶体。3.根据权利要求2所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光加工系统还包括2个伺 服电机，所述横梁上设有水平方向的第一导轨，所述第一固定架内侧和第二固定架内侧均 设有第一滑块，所述第一滑块与所述第一导轨相配合，所述伺服电机分别固定连接于横梁 的两端，所述伺服电机的轴分别与第一固定架和第二固定架固定连接。4.根据权利要求3所述的激光加工系统，其特征在于，所述框架为"门"形，所述支撑梁 为2个，所述支撑梁底部均设有第二导轨和第二滑块，所述第二导轨和所述第二滑块相配 合，所述第二导轨与所述第一导轨垂直，所述伺服电机为4个，其中2个伺服电机的轴分别 与所述支撑梁固定连接。5.根据权利要求1-4任一所述的激光加工系统，其特征在于，所述反射镜表面镀有对 激光器输出的激光高反射率的膜。6. 根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光头还包括变焦系统，所 述变焦系统设置在所述双轴晶体的一侧，所述聚焦透镜的焦点位于双轴晶体和变焦系统之 间。7.根据权利要求6所述的激光加工系统，其特征在于，所述变焦系统由共光轴设置的 第一凸透镜和第二凸透镜组成。8. -种利用如权利要求1-7任一所述的激光加工系统进行激光加工的方法，其特征在 于，包括以下步骤： (1) 根据加工的需要，调节第一固定架的位置，确定光路长度； (2) 由激光器输出的激光依次经过反射镜反射后，将激光引入激光头，得到入射光束； (3)入射光束透过聚焦透镜后，得到会聚光束； (4)会聚光束入射到双轴晶体，入射时会聚光束与双轴晶体光轴平行，透过双轴晶体 后，得到瓶状光束，所述瓶状光束具有双焦点，并且焦像平面处呈环形； (5)利用瓶状光束的焦点加工或者利用焦像平面的环形光束打孔。
【专利摘要】本发明公开了一种激光加工系统及其进行激光加工的方法，属于激光加工设备和方法技术领域，包括框架、激光器、激光头、第一固定架和反射镜；所述框架包括横梁和支撑梁，所述激光器固定连接在所述框架上；所述激光头内设有聚焦透镜和双轴晶体，所述聚焦透镜和聚焦透镜的焦点分别位于所述双轴晶体的两侧；所述第一固定架设于横梁上，所述反射镜和激光头均与第一固定架固定连接，按照激光传输路径依次排列为：激光器、反射镜、聚焦透镜和双轴晶体，所述激光器输出的激光与所述双轴晶体的光轴平行，本发明的激光加工系统和方法稳定性好、加工效率高、结构简单。
【IPC分类】B23K26/064, B23K26/08
【公开号】CN104972222
【申请号】CN201510410424
【发明人】孙喜博, 耿远超, 刘兰琴, 张森, 黄晚晴, 张颖, 王文义, 康民强, 张永亮
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年7月14日