一种“五+N”维激光扫描加工系统及方法

本发明涉及激光加工，具体涉及一种“五+n”维激光扫描加工系统及方法。

背景技术：

1、制造时代的到来，各行业对精细化零部件的加工需求日益旺盛，为满足激光加工高效、高精度要求，研究者提出通过调控系统控制聚焦激光束自身空间维度变化的方案。常见的调控激光自身维度空间变化的是二维振镜、三维振镜，但是其只能实现激光束在xy平面两个维度，或者xyz平面三个维度的调控，对于航空航天、汽车电子等领域的某些复杂零部件无能为力，例如倒锥孔、倒锥槽的加工，此时需要增加对光束自身调控的维度，增加两个倾斜轴α、β的调控，使其在多个维度的调控下具有复杂零部件的加工能力。

2、目前公开的发明专利cn107771112a、cn114178687a也提出了控制激光束维度变化的方法与装置，但是专利cn107771112a提出的方法和系统属于集成化的专用系统，无法实现大幅面精细加工和小幅面大深径比加工，且结构复杂、成本高，专利cn114178687a提出的插拔式倾角控制模块需要借助外部辅助机床或位移台实现某些复杂图案的加工，如盲槽、倒锥孔等，影响激光加工的高效性。

3、因此，需要寻找一种能实现自身光束空间维度调控的系统，使光束具备“五+n”维空间的变化能力，实现各种形状的盲孔、通孔、盲槽、通槽，倒锥槽，倒锥孔的加工，并且调控这几种空间维度变化的结构相对独立，能相应的控制光束各自空间维度变化，这种方式将有效提高激光加工微型复杂部件的能力，发挥超快激光加工的优越性。

技术实现思路

1、为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种“五+n”维激光扫描加工系统及方法，通过对系统中光学镜片的调控实现光束在xyz平面以及两倾角α、β的变化，其中的“n”代表的是指对激光束能量、脉冲宽度以及偏振类型的调控。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种“五+n”维激光扫描加工系统，包括激光器、波片4、偏移模块5、扩束模块6、扫描模块7和聚焦模块8；所述激光器发出激光束1，所述激光束1经所述波片4将圆偏振光转化为线偏振光，所述线偏振光经所述偏移模块5使传播方向产生偏移，然后经所述扩束模块6进行扩束，再经所述扫描模块7实现光束在xy平面的扫描，之后进入所述聚焦模块8聚焦形成光斑，调控偏移模块5、扩束模块6、扫描模块7可使所述光斑在工作平面10上运动；其中“五+n”维指在五个维度上对激光束1能量、脉冲宽度以及偏振类型的调控。

4、位于激光束1运行方向上设置移动反射镜2，所述移动反射镜2用于将激光束1偏转沿着-y方向垂直入射，沿着-y方向的激光束1运行方向上设置移动反射镜3，所述移动反射镜3将激光束1偏转至与x轴方向水平，在激光束1沿x轴方向上设置波片4、偏移模块5、扩束模块6和扫描模块7。

5、“五+n”维即是五个维度，包括x、y、z以及两倾角α、β，其中x、y维度由扫描模块7控制、z维度是扩束模块6与聚焦模块8的作用，两倾角α、β是偏移模块5、扩束模块6、扫描模块7与聚焦模块8的共同作用；

6、其中的“n”是指对激光束能量、脉冲宽度以及偏振类型的调控，激光束的能量、脉冲宽度通过激光控制去进行相应的调控，激光束的偏振用半波片或者1/4波片进行调控，获得所需要的线偏振光。

7、所述波片4将圆偏振光转化为线偏振光后进入偏移模块5，使光束产生沿着y轴正方向或者负方向的偏移，之后进入扩束模块6进行扩束后进入扫描模块7，最后通过聚焦模块8进行聚焦后得到聚焦光束9，调控系统的镜片的运动，即可让聚集光束9形成的光斑在工作平面10上运动。

8、所述扫描模块7包括绕x轴转动的反射镜72与绕y轴转动的反射镜73。

9、所述扩束模块6包括移动镜片61与透镜组62，其中透镜组62是多块镜片组合或者非球面镜片。

10、所述偏移模块3是双光楔、平行平板或者选用道威棱镜等结构实现光束偏离光轴一定的距离。

11、一种“五+n”维激光扫描加工系统的调控方法，包括以下步骤；

12、所述“五+n”维即是五个自由度，包括x、y、z以及两倾角α、β，而其中的“n”是指对激光束能量、脉冲宽度以及偏振类型等的调控；

13、x、y的调控：其中对于x、y两个自由度的调控通过扫描模块7的作用，入射激光束71经过绕x轴转动的反射镜72与绕y轴转动的反射镜73后，出射光束74会打到聚焦模块的表面81上，由于绕x轴转动的反射镜72和绕y轴转动的反射镜73可以分别绕着x、y轴旋转，因此出射光束74在聚焦模块表面81上可以在xy平面移动；

14、z的调控：z轴的调控是基于扩束模块6与聚焦模块8的共同作用，针对的z的不同的调控幅度，为了降低镜片移动时产生的像差，透镜组62是可以多块凹透镜与凸透镜的组合或者单个非球面镜片，通过移动镜片61在z轴的运动来实现对z轴的调控，将后续的扫描模块7与聚焦系统8等效为镜片63，镜片63具有聚焦功能，当移动镜片61移动的距离为δz时，焦点的位移即z方向的位移为δs；δz和δs之间的关系是：

15、

16、α、β的调控：α、β的调控需要光束沿着光轴产生一定量的偏移，最终光束经过聚焦系统8才会形成夹角，产生偏移的装置由移动反射镜2与偏移模块3组成，激光束1经过移动反射镜2时，由反射原理可知，激光束1经过45°的移动反射镜2后激光束1的方向发生偏转，沿着x方向出射到偏移模块3，由于移动镜2沿着y轴往复运动，因此进入偏移模块3的激光束会偏离光轴距离为d1，偏移模块由光楔二5251与光楔二52组成，两光楔成平行放置并同步绕着x轴旋转，由光楔的性质可知，经过偏移模块3的激光束偏离x轴d2，并且由于绕着x轴旋转，出射的光束便会在yz平面旋转，最终经过聚焦系统会形成两倾角α、β；

17、其中：

18、d2＝d1+l·(n-1)·α

19、所述光楔一51与光楔二52同步旋转。

20、本发明的有益效果：

21、本发明可以调节激光束在五个维度甚至多个维度的变化，从而实现聚焦光斑在空间的复杂运动轨迹，当需要加工某些复杂的微结构，如异型孔、异形槽等，可以通过调控多维激光加工头的每个模块，通过模块间的联合运动实现光斑的复杂空间轨迹，完成复杂微结构的加工，相对于与机床组合的加工方式，这种方式更加高效快截。

22、本发明直接控制激光的空间多维度变化，在原本的xyz的三维空间的基础上，增加两偏转角α、β，达到五维甚至多维空间的变化，利用空间光束的多维度变化能力完成复杂结构的高效精细加工。

23、有研究表明单脉冲能量的不同导致每个脉冲的去除厚度不同，继而影响加工质量，钻孔直径随着单脉冲能量的提高而增大，更短的脉宽会增大材料对激光能量的非线性吸收，从而加快材料的去除速度。电介质材料线偏振光具有不同的反射率。这种差异会对加工产生影响，尤其是对于孔的加工。因此对激光能量、脉冲、偏振的调控也可看作是对激光维度的调控，对激光的能量与脉冲的调控可以通过本身的激光器进行相应的设置，而对于激光偏振的调控，可以利用半波片或者1/4波片进行调控，可以得到相应的线偏振光或者圆偏振光，线偏振光对加工孔的出口形状有很大影响，尤其在深径较大时越发明显，针对不同的加工需求选择控制相应的偏振光才能获得好的加工效果。