一种基于高频斩波平反镜与振镜高速打孔光学系统的制作方法

本发明涉及连续激光打孔技术领域，具体为一种基于高频斩波平反镜与振镜高速打孔光学系统。

背景技术：

激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多种激光加工工艺，利用了激光与物质相互作用的基本特性。

当前工业激光加工以光纤激光加工与co2激光加工为主，由于能量利用率与外观体积等差异，又以光纤输出类激光加工为首要。随着激光功率的提高，高功率激光焊接、熔覆、淬火等加工工艺也逐步得到更广泛的扩展与提升；同时，随着激光器的普及，激光器价格的降低，激光加工材料多样化越加丰富，覆盖了冶金、汽车、航空、船舶、烟草甚至是普通民间生活等诸多领域。

然而在激光加工中，材料本身属性决定了对不同波长激光的吸收特性。以光纤激光器而言，并不适用于一些非金属材料的加工，比如水松纸，通常采用连续co2激光器进行打孔，因为水松纸对10.6um波长的光吸收率比对1.06um左右的光吸收率更高。在皮革、木材、亚克力、有机玻璃、水果等诸多非金属激光加工中，co2激光器依旧有其独特的优势。

常规的co2激光打孔，打孔速度往往在100孔/s量级，连续激光下的振镜打孔，速率也并不理想，对于一些打孔速度要求高的，比如水松纸打孔、水果打孔一般需要10000孔/s甚至100000孔/s量级，这是普通光路无法企及的。当下co2非金属打孔较为经典的是水松纸打孔，但该方案仅适用于宽幅面数排密集打孔，并不适用于宽幅面密集激光打孔。

当下，振镜扫描应用技术十分成熟，匀速的单振镜线性扫描在控制上也十分方便，结合高频斩波平反镜高速匀速旋转的连续激光束1:1占空比脉冲化特性，同时高频斩波平反镜反射光束时不具备光束摆动扫描特性，对激光束时域上的圆度影响极小，相较于多面棱镜的扫描方式完全不同，给高频斩波平反镜与振镜扫描结合打孔提供了可靠的依据。基于上述各点，设计出适用于中低功率co2连续激光器高速打孔的光学系统尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于高频斩波平反镜与振镜高速打孔光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于高频斩波平反镜与振镜高速打孔光学系统，包括第一平反镜、第二平反镜、聚焦扩束镜、高频斩波平反镜、第一准直扩束镜、第三平反镜、第四平反镜、第一振镜、第一f-θ镜、第五平反镜、第六平反镜、第七平反镜、第二准直扩束镜、第二振镜、第二f-θ镜；

所述第一平反镜、第二平反镜、聚焦扩束镜、第一准直扩束镜、第三平反镜、第四平反镜、第一f-θ镜、第五平反镜、第六平反镜、第七平反镜、第二准直扩束镜、第二f-θ镜均为圆柱状；所述高频斩波平反镜为等角多扇形柱状，轻质铝合金材料；所述第一振镜与第二振镜为八边形柱状。

优选的，所述高频斩波平反镜外边界圆与扇形内边界圆同心，扇形侧边界线过扇形外边界圆圆心，扇形区域数量为10-100量级，且所有扇形区域共面，呈45°反射角，垂直于扇形面且过扇形外边界圆圆心的轴为高频斩波平反镜的第一转轴，所述第一转轴与高频斩波平反镜的入射光束中心轴、反射光束中心轴共面，且匀转速下具有1:1占空比。

优选的，所述第一振镜与第二振镜相同，仅有一个垂直于镜面的对称面，振镜转轴在对称面上且垂直于振镜入射光束中心轴与出射光束中心轴所形成的面，常规振镜转角。

优选的，所述第三平反镜、第四平反镜相同，所述第五平反镜、第六平反镜、第七平反镜相同，且均为45°反射角；所述聚焦扩束镜、第一准直扩束镜、第二准直扩束镜为0°入射角，且第一准直扩束镜、第二准直扩束镜相同；所述第一f-θ镜、第二f-θ镜相同，且中心轴分别垂直于第一振镜的第二转轴与第二振镜的第三转轴及相应的振镜入射光束光轴；所述第一平反镜、第二平反镜相同，且具备各向角度微调；所述第五平反镜反射光束光轴与第一准直扩束镜透射光束光轴垂直，所述第七平反镜反射光束光轴与第一准直扩束镜透射光束光轴平行，所述第一f-θ镜、第二f-θ镜聚焦光束光轴共面；所述第一f-θ镜、第二f-θ镜聚焦光束扫描打孔方向与打孔材料传动方向垂直。

优选的，光路系统激光器平行光束依次经过第一平反镜、第二平反镜、聚焦扩束镜、高频斩波平反镜，所述高频斩波平反镜反射光束依次经过第一准直扩束镜、第三平反镜、第四平反镜、第一振镜、第一f-θ镜；所述高频斩波平反镜漏过光束依次经过第五平反镜、第六平反镜、第七平反镜、第二准直扩束镜、第二振镜、第二f-θ镜。

优选的，光路系统在高频斩波平反镜后的反射光路光程与漏光光路光程相同。

优选的，使用方法包括以下步骤：

a、使用时，co2连续激光器输出平行光束1，经过第一平反镜2、第二平反镜3反射，反射光束再入射到聚焦扩束镜4上；

b、如果出现入射光束与聚焦扩束镜4中心轴不同轴或方向有差异时，可通过微调第一平反镜2、第二平反镜3角度，来获得聚焦扩束镜4同轴入射光束，同轴入射光束由聚焦扩束镜4聚焦后，聚焦焦点附近落在高频斩波平反镜5平面上，高频平反镜5绕第一转轴6旋转；

c、当高频斩波平反镜5完全反射聚焦光束时，反射发散光束经过第一准直扩束镜7扩束形成更大直径的准直光束，准直光束后经过第三平反镜8、第四平反镜9以及第一振镜10相继反射，反射光束最后由第一f-θ镜12聚焦，在打孔材料20表面附近形成聚焦焦点；

d、当高频斩波平反镜5完全漏过聚焦光束时，漏过发散光束依次经过第五平反镜13、第六平反镜14、第七平反镜15反射后，反射光束再由第二准直扩束镜16扩束形成更大直径的准直光束，准直光束后经过第二振镜17反射，最后由第二f-θ镜19聚焦，在打孔材料20表面附近形成聚焦焦点；

e、当高频斩波平反镜5部分反光与部分漏过聚焦光束时，高频斩波平反镜5后的光束传输行为上反光部分与上述完全反光时相同，漏光部分与上述完全漏光时完全相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)、本发明采用高频斩波平反镜与振镜高速扫描光学系统，基于高频斩波平反镜超高速1：1脉冲转换特性，基于单振镜高速线性扫描特性，以及基于f-θ镜焦点共面特性，适用于中低功率连续co2激光器高速密集打孔，尤其适用于薄非金属材料激光密集打孔场合。

(2)、本发明采用第一平反镜与第二平反镜组合，通过微调角度，可以控制自激光器出来的激光束0°同轴入射到聚焦扩束镜上，确保整个光路系统的聚焦光束质量；聚焦扩束镜分别与第一准直扩束镜、第二准直扩束镜组合，形成两组相同扩束倍数的扩束系统，确保最终打孔光斑尺寸更小，能量更加集中，为高速激光打孔提供保障。

(3)、本发明采用高频斩波平反镜，扇形区域数量10-100量级，即高频斩波平反镜饶转轴旋转一周，便可获得10-100量级的脉冲数，在高频斩波平反镜超高速旋转时，脉冲频率足以获得10000hz甚至100000hz量级甚至更高量级；其次，由于高频斩波平反镜在匀速旋转时1：1占空比，确保反射光路与漏光光路能量甚至脉冲频率等完全相同，给打孔一致性提供基础保证；另外，由于高频斩波平反镜特殊性，在绕轴旋转的过程中，镜面未发生扫描或摆动，这对连续激光束的脉冲转换光束时域上的圆度影响极小，基本不影响打孔孔型与一致性；最后，高频斩波平反镜所有扇形区域共面，在加工上难度更小，价格上也会更便宜。

(4)、本发明的单振镜扫描实现线性扫描，扫描角±12.5°左右，单光路可实现宽幅扫描打孔，f-θ镜则确保扫描光斑大小一致性与焦点共面，在振镜以同等角速度摆角时，f-θ镜还确保各孔间距的基本一致性。

(5)、本发明的高速扫描打孔需打孔材料匀速移动，移动方向与振镜扫描线性方向垂直或近似垂直，单向运动，确保打孔材料不会被重复打孔，振镜扫描打孔为z型打孔方式，可通过微调整振镜扫描角来确保打孔材料表面无重合或部分重合孔。

(6)、本发明的光路系统，在不考虑各镜片对光束能量的吸收或反射等情况下，理想能量利用率可达100％；经过高频斩波平反镜的反射光路与漏光光路光程相同，最小化光程差对打孔形态的影响。

附图说明

图1为本发明的整体光路结构示意图；

图2为本发明的高频斩波平反镜完全反射时光路示意图；

图3为本发明的高频斩波平反镜完全漏光时光路示意图；

图4为本发明的高频斩波平反镜示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于高频斩波平反镜与振镜高速打孔光学系统，包括第一平反镜2、第二平反镜3、聚焦扩束镜4、高频斩波平反镜5、第一准直扩束镜7、第三平反镜8、第四平反镜9、第一振镜10、第一f-θ镜12、第五平反镜13、第六平反镜14、第七平反镜15、第二准直扩束镜16、第二振镜17、第二f-θ镜19；

所述第一平反镜2、第二平反镜3、聚焦扩束镜4、第一准直扩束镜7、第三平反镜8、第四平反镜9、第一f-θ镜12、第五平反镜13、第六平反镜14、第七平反镜15、第二准直扩束镜16、第二f-θ镜19均为圆柱状；所述高频斩波平反镜5为等角多扇形柱状，轻质铝合金材料；所述第一振镜10与第二振镜17为八边形柱状。

本发明中，高频斩波平反镜5外边界圆与扇形内边界圆同心，扇形侧边界线过扇形外边界圆圆心，扇形区域数量为10-100量级，且所有扇形区域共面，呈45°反射角，垂直于扇形面且过扇形外边界圆圆心的轴为高频斩波平反镜5的第一转轴6，所述第一转轴6与高频斩波平反镜5的入射光束中心轴、反射光束中心轴共面，且匀转速下具有1:1占空比。

本发明中，第一振镜10与第二振镜17相同，仅有一个垂直于镜面的对称面，振镜转轴在对称面上且垂直于振镜入射光束中心轴与出射光束中心轴所形成的面，常规振镜转角。

本发明中，第三平反镜8、第四平反镜9相同，所述第五平反镜13、第六平反镜14、第七平反镜15相同，且均为45°反射角；所述聚焦扩束镜4、第一准直扩束镜7、第二准直扩束镜16为0°入射角，且第一准直扩束镜7、第二准直扩束镜16相同；所述第一f-θ镜12、第二f-θ镜19相同，且中心轴分别垂直于第一振镜10的第二转轴11与第二振镜17的第三转轴18及相应的振镜入射光束光轴；所述第一平反镜2、第二平反镜3相同，且具备各向角度微调；所述第五平反镜13反射光束光轴与第一准直扩束镜7透射光束光轴垂直，所述第七平反镜15反射光束光轴与第一准直扩束镜7透射光束光轴平行，所述第一f-θ镜12、第二f-θ镜19聚焦光束光轴共面；所述第一f-θ镜12、第二f-θ镜19聚焦光束扫描打孔方向与打孔材料20传动方向垂直。

本发明中，光路系统激光器平行光束依次经过第一平反镜2、第二平反镜3、聚焦扩束镜4、高频斩波平反镜5，所述高频斩波平反镜5反射光束依次经过第一准直扩束镜7、第三平反镜8、第四平反镜9、第一振镜10、第一f-θ镜12；所述高频斩波平反镜5漏过光束依次经过第五平反镜13、第六平反镜14、第七平反镜15、第二准直扩束镜16、第二振镜17、第二f-θ镜19；光路系统在高频斩波平反镜5后的反射光路光程与漏光光路光程相同。

工作原理：使用时，co2连续激光器输出平行光束1，经过第一平反镜2、第二平反镜3反射，反射光束再入射到聚焦扩束镜4上，如果出现入射光束与聚焦扩束镜4中心轴不同轴或方向有差异时，可通过微调第一平反镜2、第二平反镜3角度，来获得聚焦扩束镜4同轴入射光束，同轴入射光束由聚焦扩束镜4聚焦后，聚焦焦点附近落在高频斩波平反镜5平面上，高频平反镜5绕第一转轴6旋转，出现三种情况；当高频斩波平反镜5完全反射聚焦光束时，反射发散光束经过第一准直扩束镜7扩束形成更大直径的准直光束，准直光束后经过第三平反镜8、第四平反镜9以及第一振镜10相继反射，反射光束最后由第一f-θ镜12聚焦，在打孔材料20表面附近形成聚焦焦点；当高频斩波平反镜5完全漏过聚焦光束时，漏过发散光束依次经过第五平反镜13、第六平反镜14、第七平反镜15反射后，反射光束再由第二准直扩束镜16扩束形成更大直径的准直光束，准直光束后经过第二振镜17反射，最后由第二f-θ镜19聚焦，在打孔材料20表面附近形成聚焦焦点；当高频斩波平反镜5部分反光与部分漏过聚焦光束时，高频斩波平反镜5后的光束传输行为上反光部分与上述完全反光时相同，漏光部分与上述完全漏光时完全相同。正是由于高频斩波平反镜5绕第一转轴6旋转而重复交替出现完全反光、部分反光与部分漏光、完全漏光三种行为，使得连续激光器光束呈现高频脉冲特性。

由于高频斩波平反镜5绕第一转轴6超高速匀速旋转所产生的脉冲频率达到10000-100000hz量级甚至更高量级，而第一振镜10绕转轴11、第二振镜17绕第二转轴18旋转频率也就100hz频率，基于两者频率上的巨大差异，同时配合打孔材料20沿长向匀速单向运动，即可实现高速密集打孔。

图4为高频斩波平反镜5镜面示意图，其中a区域为扇形反射区域，b区域为漏光区域，c区域为不允许通光区域，换言之，光束只能在a、b两个区域交替传输。

本发明采用高频斩波平反镜与振镜高速扫描光学系统，基于高频斩波平反镜超高速1：1脉冲转换特性，基于单振镜高速线性扫描特性，以及基于f-θ镜焦点共面特性，适用于中低功率连续co2激光器高速密集打孔，尤其适用于薄非金属材料激光密集打孔场合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。