一种环形斑激光加工系统的制作方法

本发明涉及激光，更具体地，涉及一种环形斑激光加工系统。

背景技术：

1、近年来随着新能源行业日益蓬勃的需求，对前端激光加工技术提出了更高的要求。受限于材料吸收因素，传统的红外激光器对高反材料的吸收率很低，在焊接切割及其他精密应用中易存在飞溅，效率低，功率受限于单模块功率等诸多问题，已不能满足铜材料等高反材料的焊接及切割。

2、绿光激光器和紫外激光器凭借着铜材对绿光、紫外光束的高吸收特性，相较于红外激光器，具有明显优势，尤其是在超精度激光加工应用领域，只有紫外激光才能满足激光加工要求。但是，绿光激光器、紫外激光器和红外激光器的激光束一样是高斯分布，在激光加工时，加工中心的温度过高，还是可能导致加工过程中产生飞溅而损坏加工工件周围的电子元件，同时，由于加工过程中加工中心和周围出现较大温度差，形成温度梯度，使得工件受热不均匀，导致工件容易出现变形、气泡以及裂纹等各种问题。

3、基于此，有必要发明一种环形斑激光加工系统，该激光加工系统输出光为红外、绿光和紫外光的复合光，复合光输出形式为环形光斑输出，能量呈近高斯分布(加工中心和周围的温度差降低)，可大幅提升加工效率，同时减少飞溅。

4、当前较为常见的环形光辅助加工系统包括两种，一种是直接另外再设置一个环形光激光器，形成环形光斑进行辅助加工；还有一种是ipg光子创设的具有环形光纤的激光器加工系统，具体为所述激光器的光纤结构包括中心光纤和环形光纤两部分，通过激光器分别控制中心光纤和环形光纤形成中央光束和环形光束，中央光束进行激光加工，环形光束进行辅助加工。以上两种常见的激光加工系统均较为复杂，生产成本较高。

5、但是，绿光激光器和紫外激光器的功率受限于单模块功率等诸多问题，通常功率难以提升，或者说是需要设计复杂的系统和消耗巨大的生产制造成本来提升功率，难以满足在切割、焊接等激光加工应用场景采用绿光和紫外作为主力加工激光的功率要求和市场化需求。

6、基于此，有必要发明一种结构简单、成本低廉、操控方便、光斑质量优良的高功率激光加工系统，高功率的紫外激光器作为主力加工激光，同样也可以减轻激光加工过程中出现工件卷曲、飞溅、气泡和裂纹等问题。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种环形斑激光加工系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：一种环形斑激光加工系统，包括第一激光光源、第一半波片、第一分色镜、第二激光光源、第二半波片、第一反射镜、第一激光晶体、第二激光晶体、第三激光晶体、第四激光晶体、第二分色镜、第一透镜、第二透镜、第三分色镜、第三透镜、第四透镜、第二反射镜、第三反射镜、第四分色镜、第五分色镜、振镜机构、目标工件、平台。

3、第一激光光源主要是用于输出1000～1100nm的红外光作为第一激光光束。

4、第一半波片的主要作用是对从第一激光光源中输出的第一激光光束的偏振方向进行调节，可以使得第一激光光束变成s偏传输，或者p偏传输。

5、第二激光光源主要是用于输出1000～1100nm的红外光作为第二激光光束。

6、第二半波片的主要作用是对从第二激光光源中输出的第二激光光束的偏振方向进行调节，同样，可以使得第二激光光束变成s偏传输，或者p偏传输。同时，第一半波片和第二半波片对经过各自的光束调节后，第一激光光束和第二激光光束的偏振方向需要相为垂直的关系。

7、第一反射镜主要用于对经第二半波片后的第二激光光束进行一个全反射转向。

8、第一分色镜主要对经过第一半波片和第一反射镜的第一激光光束和第二激光光束进行合束，合束后的光束为基频光束。

9、第一激光晶体为lbo/bbo或其他倍频晶体，用于对第一激光光束进行频率转换，当1000～1100nm基频光穿过该晶体且功率密度达到非线性阈值时，会产生相应的二次谐波，即倍频光，产生的倍频光的光频率为基频光的一半，此时产生的即为500～550nm的绿光。

10、第二激光晶体同样为lbo/bbo或其他倍频晶体，用于对第二激光光束进行频率转换，所述第二激光晶体和第一激光晶体在激光加工系统中放置方向应沿光轴方向相互成旋转90°方向放置。同样，当1000～1100nm基频光穿过该晶体且功率密度达到非线性阈值时，会产生相应的二次谐波，即倍频光，产生的倍频光的光频率为基频光的一半，产生的即为500～550nm的绿光。

11、第三激光晶体为lbo/bbo或其他倍频晶体，用于对500～550nm的绿光进行频率转换，当500～550nm的绿光穿过第三激光晶体且功率密度达到非线性阈值时，会产生相应的三次谐波，此时产生330～367nm的紫外光。

12、第四激光晶体同样为lbo/bbo或其他倍频晶体，用于对1000～1100nm基频光束l和500～550nm倍频光的双波光束再次进行频率转换，转换后输出光频率同样是基频光的3倍，此时产生的即为330～367nm的紫外光，所述第四激光晶体和第三激光晶体在激光加工系统中放置方向也应沿光轴方向相互成旋转90°方向放置，且快轴方向应兼顾经过第一半波片和第二半波片后的光束偏振方向，此时，可以兼顾第四激光晶体和第三激光晶体均产生较好的倍频效果。此时从第四激光晶体输出的激光为包含1000～1100nm、500～550nm和330～367nm的复合激光。

13、第二分色镜位于第四激光晶体的后方，第二分色镜通过镀有500～550nm、1000～1100nm的高反膜和330～367nm的增透膜的方式，对经第一激光晶体、第二激光晶体、第三激光晶体和第四激光晶体转换之后产生的包含1000～1100nm、500～550nm和330～367nm的复合激光进行分离。分离后被反射的1000～1100nm、500～550nm的激光为第三激光光束，被透射的330～367nm的激光为第四激光光束。

14、第二分色镜的反射激光的后方设有第三分色镜，所述第三分色镜镀有500～550nm的反射膜和1000～1100nm增透膜，可以将500～550nm光束进行转向分离形成第五激光光束，将1000～1100nm光束透射分离形成第六激光光束。

15、第三分色镜的反射转向的后方设有第一透镜和第二透镜，第一透镜用于对经第三分色镜分色后透射的500-550nm光束进行发散调节。第二透镜用于对经第一透镜发散后的光束进行一个准直调节，第一透镜和第二透镜共同构成第一透镜组。所述第一透镜组对经第三分色镜分色后的500-550nm的第五激光光束进行光束尺寸的定倍放大，放大倍数大于1。

16、第二反射镜位于第三分色镜的透射方向的后方，对经第三分色镜透射的1000～1100nm光束进行反射转向。

17、同样，第二反射镜的反射激光的后方设有第三透镜和第四透镜，第三透镜用于对经第二分色镜分色后透射的1000～1100nm光束进行发散调节，第四透镜用于对经第一透镜发散后的光束进行一个准直调节。第三透镜和第四透镜共同构成第二透镜组，，所述第二透镜组对经第二反射镜反射后的1000～1100nm进行光束尺寸的定倍放大，所述第二透镜组对光斑的放大倍数大于第一透镜组放大倍数。第一透镜组和第二透镜组共同实现生成三环光斑的激光光束，三环光斑的激光光束在加工高反金属材料时，金属材料对激光光束吸收率更佳，具有更好的加工精度，也具有更小的热效应副作用。

18、第三反射镜位于第四透镜的后方，同样可以通过镀1000～1100nm反射膜的方式对经第四透镜透射的1000～1100nm的第六激光光束再次进行转向。

19、所述第四分色镜设于第三反射镜的反射方向的后方和第二透镜的透射方向的后方，将第五激光光束和第六激光光束调节至同一激光输出方向进行合束，合束后的激光为第七激光光束。

20、所述第五分色镜设于第二分色镜的透射方向的后方和第四分色镜反射方向的后方，将第七激光光束和第四激光光束调节至同一激光输出方向。具体为，第五分色镜用于将第七激光光束和第四激光光束的复合光的合束和环形光斑的产生。

21、所述振镜机构主要用于对经过第五分色镜输出的复合光束进行整合，采用光学扫描的方式控制第四激光光束和第七激光光束在一个平面上相互垂直的两个方向运动或偏转，使第四激光光束和第七激光光束按照生产要求作用在目标工件上。

22、所述目标工件为需要被加工的元件。

23、所述平台主要用于对目标工件进行承载或夹持和移动，以方便对目标工件的加工。

24、本技术提供的环形斑激光加工系统，通过第一激光光源和第二激光光源生成偏振方向相互垂直的第一激光光束和第二激光光束，并将第一激光光束和第二激光光束进行合束和倍频，即可得到高功率的500～550nm的绿光激光和330～367nm的紫外光，而不需要采用复杂的系统结构即可生成高功率的330～367nm的紫外光和/或500～550nm的绿光激光作为主力激光的复合激光，实现复合激光加工的效果,在加工过程中，该系统输出的复合激光呈环形分布，激光紫外光光束分布于中央内环区域，绿光光束分布于中间的中环区域，辅助激光采用1000～1100nm的红外光，位于外环区域(外环区域覆盖中环、内环区域)，主要用于对目标工件工作区进行预热和热过渡，用于提升紫外光和/或绿光加工效率。内环区域功率密度高于外环区域功率密度，在工作过程中，内环为高功率的紫外光，能量密度高，对工件完成热熔和加工，中环为绿光，也可以对工件完成热熔或加工，外环区域因功率密度低，不进行加工，整个区域的加工中心和周围的温度差被降低，整个过程效率也较高，飞溅极小，加工区域迅速完成加工，非目标加工区域热影响小，极大地提高工件加工精度、良率和效率，且激光器的光光转化效率极高，基本无其他能量损失，极大的提高了能源利用，生产制造成本也会更低廉。