基于径向偏振光束的双加工头激光加工装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光加工装置，特别是一种基于径向偏振光束的双加工头激光加工装置，主要用于材料、汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造、轻工业等领域中激光加工
目.0
【背景技术】
[0002]激光加工通常是利用高功率密度的激光束照射工件，使材料熔化气化而进行穿孔，切割和焊接等的特种加工，近期，激光加工概念得到拓展，通过激光与被照射材料相互作用，引起材料特性发生变化而实现加工结果的加工(例如，材料在激光照射下，化学键发生断裂，引起材料性能变化)，也称为激光加工，以此，利用激光热效应的激光加工可以称为激光热加工，利用光特性改变材料性质变化的激光加工可以称为激光冷加工。激光加工按照具体加工动作分类可以分为激光焊接、激光切割、激光打标、激光打孔、激光热处理、激光成型、激光3D打印等。激光加工在材料、汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造、轻工业等领域得到广泛的应用，并且，激光加工的应用范围不多扩大，加工效果不断提高。
[0003]在先技术中，存在激光加工装置，参见意大利PRMA公司激光切割机、深圳大族公司激光焊接机和激光切割机、武汉金运公司的激光雕花打孔机，武汉楚天公司、武汉团结、华工科技等公司的激光加工装置，均在多领域有很好使用，这些在先激光加工技术具有相当的优点，但是，仍然存在一些本质不足:I)激光加工装置采用的激光束为线偏振光、圆偏振光等光场偏振模式，没有发挥激光相干光场矢量光学聚焦特性，激光加工用的激光焦斑分布为超越普通光学聚焦系统衍射极限尺寸，因此，加工用焦斑横向尺寸较大，焦斑焦深短，显著影响和现实激光加工效果和应用范围；2)在加工系统中存在一个激光加工头，这样装置灵活性、加工效率、适用范围等特性受到显著限制;3)本质上无法实现径向偏振矢量光束强聚焦后超精密激光近场加工，无法实现超衍射尺寸近场加工;4)本质上无法实现纵向偏振激光加工光场，限制了纵向偏振激光的加工应用，不能实现偏振敏感型激光加工;5)在先技术装置灵活性、功能可扩充性、可靠性、结构简洁方面有限，影响在先技术应用范围。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种基于径向偏振光束的双加工头激光加工装置，该装置具有径向偏振矢量光场、光束质量高、焦斑横向尺寸小、焦深长、加工效果好、双激光加工头、可实现超衍射尺寸近场加工、可实现纵向偏振激光加工、便于构建、可靠性高、灵活性强、应用范围广等特点。
[0005]本发明的技术方案是:一种基于径向偏振光束的双加工头激光加工装置，包括光束会聚部件、高反射腔镜、第一反射镜、固态增益介质元件、圆形型光栗浦源、第二反射镜、圆锥面光场回返元件，所述固态增益介质元件为平板结构，所述固态增益介质元件外侧设置有圆形型光栗浦源，圆形型光栗浦源出射的栗浦光照射在固态增益介质元件内；所述固态增益介质元件的内侧光路上依次设有第一反射镜和高反射腔镜，固态增益介质元件外侧光路上依次设有第二反射镜和圆锥面光场调节元件;所述高反射腔镜和圆锥面光场调节元件构成激光谐振腔，所述第一反射镜和第二反射镜用于改变激光谐振腔内光场传播方向，使高反射腔镜和圆锥面光场调节元件朝向被加工物品；高反射腔镜的相对于第一反射镜的另一侧光路上设置有光束会聚部件，使径向偏振光束在光束会聚部件焦点区域形成高质量远场激光加工光场;所述圆锥面光场调节元件为轴对称棱镜结构，一端为顶端圆锥曲面，一端为垂直于对称轴的顶端平面，在圆锥曲面和顶端平面之间为圆环形圆锥曲面，沿着对称轴方向的切面剖物面为轴对称五边形；圆锥面光场调节元件的顶端圆锥曲面朝向第二反射镜，圆锥面光场调节元件的顶端圆锥曲面与对称轴的夹角为激光工作波长的布鲁斯特角，实现腔内径向偏振矢量光束产生，平行光轴光场在圆锥面光场调节元件的顶端平面发生反射，在圆锥面光场调节元件的顶端平面外侧形成近场激光加工光场。
[0006]所述高反射腔镜朝向第一反射镜一侧的内工作平面上设置有调节光束波前相位的微纳结构，高反射腔镜另一侧的外工作平面上设置有高反射膜，在激光频率处具有高反射率。所述的固态增益介质元件的材料为掺钕钇铝石榴石、氟化钇锂、自激活激光晶体或可调谐激光晶体中的任一种。所述的因态增益介质元件的光学工作平面对栗浦光波长光的透过率大于95%。所述的圆锥面光场调节元件为玻璃轴对称棱镜结构、晶体轴对称棱镜结构或高分子透光材料轴对称棱镜结构中的任一种。所述的圆形型光栗浦源为非相干光源、半导体激光器、气体激光器、固态激光器或激光二极管中的任一种。
[0007]与现有技术相比，本发明的优点:
1)在先技术激光加工装置采用的激光束为线偏振光、圆偏振光等光场偏振模式，没有发挥激光相干光场矢量光学聚焦特性，激光加工用的激光焦斑分布为超越普通光学聚焦系统衍射极限尺寸，因此，加工用焦斑横向尺寸较大，焦斑焦深短，显著影响和现实激光加工效果和应用范围。本发明基于光栗浦固体激光器工作原理，采用腔内变光路和腔内相位调节技术，使用圆锥面光学作用和布鲁斯特角的偏振选择特性实现矢量光场选择，实现径向偏振矢量光束本征模式产生，将径向偏振矢量光束进行聚焦形成焦斑横向尺寸小和焦斑焦深长的激光加工用焦斑，产生并充分发挥了径向偏振矢量光束本征模式聚焦行为，具有径向偏振矢量光场、光束质量高、焦斑横向尺寸小、焦深长、加工效果好和应用范围等特点；
2)在先技术加工系统中存在一个激光加工头，这样装置灵活性、加工效率、适用范围等特性受到显著限制。本发明由高反射腔出射径向偏振光束与光束会聚部件构成作一个激光加工头；圆锥面光场调节元件端面出射强聚焦径向偏振矢量光束形成的纵向偏振近场光场，作为超衍射尺寸近场加工激光加工头，构建基于径向偏振光束的双加工头激光加工装置，实现双激光加工头模式；
3)在先技术本质上无法实现径向偏振矢量光束强聚焦后超精密激光近场加工，无法实现超衍射尺寸近场加工。本发明高反射腔出射径向偏振光束，与光束会聚部件构成作一个激光加工头，高反射腔内一侧平面上设置有微纳结构，改变径向偏振矢量光束波前相位分布，调节径向偏振矢量光束本征光场模式，径向偏振光束经过波前相位调制，实现超精密激光加工。圆锥面光场调节元件端面作为超衍射尺寸近场加工激光加工头，可以实现超精密激光近场加工和超衍射尺寸近场加工；
4)在先技术本质上无法实现纵向偏振激光加工光场，限制了纵向偏振激光的加工应用，不能实现偏振敏感型激光加工。本发明圆锥面光场调节元件端面出射强聚焦径向偏振矢量光束形成的纵向偏振近场光场，可以实现纵向偏振激光的加工应用，实现偏振敏感型激光加工；
5)在先技术装置灵活性、功能可扩充性、可靠性、结构简洁方面有限，影响在先技术应用范围。本发明基于矢量光场本征模式产生远场和近场矢量光束用于激光加工，具有便于构建、可靠性高、灵活性强、应用范围广等特点。
【附图说明】
[0008]图1为本发明的基于径向偏振光束的双加工头激光加工装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0009]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0010]如图1所示，一种基于径向偏振光束的双加工头激光加工装置，包括:光束会聚部件3、高反射腔镜4、第一反射镜5、固态增益介质元件6、圆形型光栗浦源7、第二反射镜8、圆锥面光场回返元件9;在固态增益介质元件6为平板结构，态增益介质元件6的光学工作平面对栗浦光波长光具有高透过率，固态增益介质元件6外侧设置有圆形型光栗浦源7，圆形型光栗浦源7出射的栗浦光照射在固态增益介质元件6内；固态增益介质元件6的一侧光路上依次设有第一反射镜5和高反射腔镜4，高反射腔镜4朝向第一反射镜5—侧的内工作平面401上设置有调节光束波前相位的微纳结构，高反射腔镜4另一侧的外工作平面402上设置有高反射膜，在激光频率处具有高反射率;在固态增益介质元件6的另一侧光路上依次设有第二反射镜8和圆锥面光场调节元件9;高反射腔镜4和圆锥面光场调节元件9构成激光谐振腔，第一反射镜5和第二反射镜8改变激光谐振腔内光场传播方向，使高反射腔镜4和圆锥面光场调节元件9朝向被加工物品；高反射腔镜4的相对于第一反射镜5的另一侧光路上设置有光束会聚部件3，径向偏振光束在光束会聚部件3焦点区域形成高质量远场激光加工光场2;圆锥面光场调节元件9为轴对称棱镜结构，一端为顶端圆锥曲面901，一端为垂直于对称轴的顶端平面903，在圆锥曲面901和顶端平面903之间为圆环形圆锥曲面902，沿着对称轴方向的切面剖物面为轴对称五边形；圆锥面光场调节元件9的顶端圆锥曲面901朝向第二反射镜8，圆锥面光场调节元件9的顶端圆锥曲面901与对称轴的夹角为激光工作波长的布鲁斯特角，实现腔内径向偏振矢量光束产生，平行光轴光场在圆锥面光场调节元件9的顶端平面903发生反射，在圆锥面光场调节元件9的顶端平面903外侧形成近场激光加工光场10。
[0011]本实施例中，所述的态增益介质元件6的材料为掺钕钇铝石榴石，态增益介质元件6的光学工作平面对栗浦光波长光的透过率为97%;圆锥面光场调节元件9为高分子透光材料轴对称棱镜结构；圆形型光栗浦源7为808纳米波长的激光二极管;高反射腔镜4另一侧的外工作平面402上设置有高反射膜，针对于1064纳米处的