一种复合激光器和激光加工系统的制作方法

1.本发明涉及激光加工技术领域，更具体地，涉及一种复合激光器和激光加工系统。


背景技术：

2.近年来，随着激光加工技术不断发展，在工业加工领域，激光加工被越来越多的广泛应用，同时，对激光加工技术也不断提出了更高的要求。
3.传统激光加工的激光束一般是高斯分布；在激光束是高斯分布的情况下，加工中心的温度过高，导致加工过程中易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。
4.为了解决上述问题，当前，激光器厂商通常需要在原有的激光器的基础上额外设置一种环形光辅助加工系统，对原有激光器进行辅助，即在原加工位置外围形成一环形加热场，降低温度梯度，以减轻出现飞溅、气泡和裂纹等问题。
5.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。
6.基于此，有必要发明一种结构简单、成本低廉、操控方便的复合激光器，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。


技术实现要素：

7.本技术的目的在于提供一种复合激光器和激光加工系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
8.为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：一种复合激光器，依次包括激光器、准直器、第二分束镜、第一分束镜和聚焦透镜，所述第一分束镜外围靠近第二分束镜的一侧设有第一反射膜，所述第二分束镜靠近第一分束镜的一侧的外围设有第二反射膜，所述第一分束镜和第二分束镜均具有通孔。所述激光器的输出光路上设置准直器，准直器用于将激光器发出的激光调整为准直平行光，所述准直器的输出光路上依次设置第二分束镜和第一分束镜，第一分束镜和第二分束镜用于将准直器输出的准直平行激光束进行分束，一部分光束穿过第二分束镜的通孔，到达第一分束镜的第一反射膜后，第一次被反射扩束至第二分束镜的第二反射膜上，再被第二反射膜反射扩束放大为环形光束，另一部分光束穿过第一分束镜和第二分束镜的通孔，到达聚焦透镜后，被聚焦为中央光束。该中央光束用于对工件进行激光加工，环形光束用于对工件进行辅助加热。
9.本技术的复合激光器设计的巧妙之处在于，所述复合激光器的第二分束镜的通孔比第一分束镜的通孔大，以保证准直平行光从准直器穿过第二分束镜时，可以全部通过第
二分束镜，而不被第二反射膜，再到达第一分束镜时，部分光束可以被第一反射膜反射至第二反射膜。同时，本技术的第一分束镜的第一反射膜由内向外向远离第二反射膜的一侧倾斜，这样才能保证从第一反射膜扩束的光束到达第二反射膜上形成扩束效果，且能被第二反射膜再次以扩束的方式反射。
10.本技术还提供一种激光加工系统，该激光加工系统包括上述复合激光器，还包括加工工件和一个移动台，所述移动台用于将所述环形光束、中央光束和所述工件相对于彼此至少在两个不同的轴线上移动。
11.在可选的方案中，本技术所述的复合激光器和激光加工系统可以用于激光切割、激光焊接、激光雕刻、激光清洗以及激光增材制造等多种激光加工应用领域。
12.通过上述结构设计，本技术的复合激光器和激光加工系统可以将环形光束进行扩束，与中央光束分离开，分离形成两部分的光束。进而，通过环形光束形成辅助加热场，使得激光加工位置与其周围位置的温度梯度降低，进而，使得本技术提供的复合激光器和激光加工系统既成本低廉，又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。
附图说明
13.为了更清楚的说明本技术实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本技术提供的复合激光器的第一结构示意图；
15.图2为本技术提供的复合激光器的第二结构示意图；
16.图3为本技术提供的复合激光器的第一分束镜的第一结构示意图；
17.图4为本技术提供的复合激光器的第一分束镜的第二结构示意图；
18.图5为本技术提供的复合激光器的第三结构示意图；
19.图6为本技术提供的激光加工系统的第一结构示意图。
20.附图标记：1、激光器，2、准直器，3、第一分束镜，4、第二分束镜，5、聚焦透镜，6、工件，7、第一反射镜，8、第二反射镜，9、调光镜，31、第一反射膜，41、第二反射膜，91、调光孔，92、第三反射膜，l、准直平行光，l1、环形光束，l2、中央光束。
具体实施方式
21.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是对本技术权利范围的限制。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
22.请参阅图1，图1为本技术提供的复合激光器的第一结构示意图，该复合激光器，依次包括激光器1、准直器2、第二分束镜4、第一分束镜3和聚焦透镜5，所述第一分束镜3外围靠近第二分束镜4的一侧设有第一反射膜31，所述第二分束镜4靠近第一分束镜3的一侧的外围设有第二反射膜41，所述第一分束镜3和第二分束镜4均具有通孔(未设有第一反射膜
31或第二反射膜41的区域结构)。所述激光器1的输出光路上设置准直器2，准直器2用于将激光器1发出的激光调整为准直平行光l，所述准直器2的输出光路上依次设置第二分束镜4和第一分束镜3，第一分束镜3和第二分束镜4用于将准直器2输出的准直平行激光束进行分束，一部分光束穿过第二分束镜4的通孔，到达第一分束镜3的第一反射膜31后，第一次被反射扩束至第二分束镜4的第二反射膜41上，再被第二反射膜41反射扩束放大为环形光束l1，另一部分光束穿过第二分束镜4和第一分束镜3的通孔，到达聚焦透镜5后，被聚焦为中央光束l2。
23.本技术的第二分束镜4的通孔比第一分束镜3的通孔的尺寸大，以保证准直平行光l从准直器2穿过第二分束镜4时，可以全部通过第二分束镜4，而不被第二反射膜41，再到达第一分束镜3时，部分光束可以被第一反射膜31反射至第二反射膜41。
24.同时，本技术的第一分束镜3的第一反射膜31由内向外向远离第二反射膜41的一侧倾斜，这样才能保证从第一反射膜31扩束的光束到达第二反射膜上形成扩束效果，且能被第二反射膜41再次以扩束的方式反射。
25.当然，通常第二分束镜4及第二反射膜41的尺寸也比对应的第一分束镜3及第一反射膜31的尺寸大，这样才能使得从第一反射膜31扩束的光束尽可能全被第二反射膜41再次反射。
26.上述复合激光器得到的中央光束l2用于激光加工，环形光束l1用于辅助加热，即环形光束l1在中央光束l2加工点的外围形成一环形辅助加热场，此处的激光加工可以导致工件6达到熔融状态，而辅助加热不能导致工件6达到熔融状态，但也可以对工件6进行一定材料改性。(需要说明的是，此处的“环形”不限定为圆环，也可能为椭圆环，或者其他近似圆形、椭圆形、圆环、椭圆环的其他形状)，降低温度梯度，以减轻出现飞溅、气泡和裂纹等问题。
27.请参阅图2，图2为本技术提供的复合激光器的第二结构示意图，为本技术的优选的实施例，该复合激光器的中央光束l2的焦点f2作用于工件6上，以使用最强的加工能量，而环形光束l1的焦点f1不是作用于工件6上。
28.在可选的实施例中，所述第一分束镜3和第二分束镜4至少有一个镜片可以在光路传输方向上可前后移动，通过第一分束镜3和/或第二分束镜4在光路传输方向上可前后移动，可以调整焦点f1的位置，以及环形光束l1的光斑大小，进而，控制环形光束l1作用于工件6上的能量，以及产生的合适的加热场的温度。
29.当工件6为薄层金属材料时，焦点f1位于聚焦透镜5和工件6之间，将产生更佳的加工效果；当工件6为厚层金属材料时，f1位于工件6远离聚焦透镜5的一侧，也将产生更佳的加工效果。
30.请参阅图3，图3为本技术提供的复合激光器的第一分束镜的第一结构示意图，本技术的第一分束镜3的中央具有通孔，整体为内侧厚，外侧薄的带有反射膜的透镜结构，为由内至外厚度逐渐减薄，且设计为由内至外曲率由r1减少至r2，再减少至r3(图示只是为了表示由内向外曲率变少，不代表在离中心相同距离的位置曲率一样，即离中心相同距离的位置的多个r1或多个r2或多个r3也可能不同)，以方便第一分束镜3的第一反射膜31由内向外向远离第二反射膜41的一侧倾斜，这样才能保证从第一反射膜31扩束的光束到达第二反射膜上形成扩束效果，进而，将环形光束l1进行扩束，与中央光束l2分离开。
31.再参考请参阅图3和图4，图4为本技术提供的复合激光器的第一分束镜的第二结构示意图(剖面图)，本实施例的第一分束镜3在旋转时表现出在由中心指向固定方向厚度发生变化，曲率也发生变化。例如，图示的y方向上，在顺时针旋转时，第一分束镜3的结构从薄(h1)至厚(h2)，再从厚(h2)至薄(h1)的结构变化过程，进而曲率也出现由r6增加至r5，再增加至r4。再由r4减少至r6。该结构设计是为了影响第一反射膜31反射时的扩散角度，由θ1变化至θ2，再由θ1变化至θ2(θ1＞θ2)，进而，控制环形光束l1作用在工件6上的光斑位置，以及光斑形状。具体来说，所述第一分束镜3可以以准直平行光l输出方向为旋转轴进行旋转，在旋转过程中，环形光束l1作用在工件6上的光斑的中心可以与中央光束l2作用在工件6上的光斑的中心相偏离，在实际应用中，可以将环形光束l1作用在工件6上的光斑的中心相比中央光束l2作用在工件6上的光斑的中心更靠近预加工方向一侧的工件位置，且当前越来越多的激光加工是非直线加工形式，即越来越多的激光加工要求在工件6上走曲线或者无规律的复杂线路，例如“8”、“s”等线路，本实施例的第一分束镜3旋转时，通过控制机构灵活控制旋转与加工线路匹配，靠近预加工方向一侧的厚度可以变薄或者变厚，这种灵活的结构变化能力可以使得环形光束l1提前对工件6进行预热，更好地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。根据实际生产加工对环形光束l1作用在工件6上的光斑大小、形状，以及环形光束l1作用在工件6上的光斑的中心和中央光束l2作用在工件6上的光斑的中心的偏离量的需求可以对r1、r2、r3、r4、r5、r6的曲率值进行具体设计，即对不同位置的曲率进行具体设计来实现。
32.在其他的实施例中，也可以通过设计第二分束镜4的特殊结构来进一步实现或提升上述图3和图4的实施例的第一分束镜3的特殊结构设计所追求的环形光束l1的光斑形状变化，光斑中心点位置偏移等技术效果，即第二分束镜4的第二反射膜41也可以和第一分束镜3的第一反射膜31为近似结构，仅所朝向的方向彼此相反。上述原理类似，在此，申请人不再赘述。
33.请参阅图5，图5为本技术提供的复合激光器的第三结构示意图，该复合激光器，在图1的复合激光器的基础上，还包括调光镜9，所述调光镜9位于准直器2和聚焦透镜4之间(本实施例中分光镜8位于准直器2和第二分束镜4之间，在其他实施例中，分光镜8也可以位于第二分束镜4和第一分束镜3之间，或者第一分束镜3和聚焦透镜5之间)，所述调光镜9为圆筒型结构，中央具有调光孔91，在调光镜9内侧的调光孔91上设有第三反射膜92，所述调光镜9可以在光路方向上前后偏转，当调光镜9与中央光束l2输出方向垂直时，中央光束l2可以全部经过调光孔91输出至下一个光学器件，当调光镜9偏转至与中央光束l2输出方向非垂直时，部分中央光束l2被调光孔91上的第三反射膜92反射，然后，该部分被反射的光束绝大部分偏转至环形光束l1所包含的输出方向，偏转角度不同，影响的中央光束l2的比例也不同，即通过调光镜9的偏转可以对最终发生辅助加热的环形光束l1和激光加工的中央光束l2所占比例进行再次灵活分配。
34.本技术还提供一种激光加工系统，该激光加工系统包括上述复合激光器，还包括加工工件6和一个移动台(图上未示出)，所述移动台用于将所述环形光束l1和中央光束l2和所述工件6相对于彼此至少在两个不同的轴线上移动。
35.请参阅图6，图6为本技术提供的激光加工系统的第一结构示意图，该激光加工系统，在上述激光加工系统的基础上，还包括第一反射镜7和第二反射镜8，所述第一反射镜7
和第二反射镜8位于第一分束镜3和聚焦透镜5之间，且通过上述第一反射镜7和第二反射镜8的摆动或者移动可以控制所述环形光束l1和中央光束l2在工件6上的至少两个不同的轴线上移动。在本实施例中，所述第一反射镜7和第二反射镜8和移动台可以同时存在，并同时控制环形光束l1、中央光束l2和所述工件6相对于彼此至少在两个不同的轴线上移动。但所述第一反射镜7和第二反射镜8仅控制环形光束l1和中央光束l2在小角度范围摆动或者移动，如2～5度的角度范围内，所述移动台则可以控制环形光束l1和中央光束l2和所述工件6相对于彼此至少在两个不同的轴线上大范围移动。因为，当加工范围很大时，所述第一反射镜7和第二反射镜8控制环形光束l1和中央光束l2大范围摆动或者移动将大大增加激光器的整体尺寸和重量，会增加生产和使用的成本。
36.优选的方案中，所述第一反射镜7和第二反射镜8控制所述环形光束l1和中央光束l2进行移动的轴线相互垂直。
37.在可选的方案中，本技术提供的激光加工系统还包括一个温度反馈调节机构(图上未示出)，该温度反馈调节机构可以通过红外探测的方式探测工件6的加工位置和温度辅助场位置的温度，且可以根据实时温度反馈至控制机构对环形光束l1和中央光束l2进行调节，以满足对工件6的良好的加工要求。
38.在可选的方案中，本技术的激光加工系统生成的环形光束l1在工件6上的光斑的直径为d(若环形光束l1在工件6上的光斑为椭圆或者近似椭圆形状，此处的d可以理解为包括长轴方向直径d1和短轴方向直径d2)，中央光束l2在工件6上的光斑的直径为d，为了得到较好的辅助加热场，需要满足2d≤d≤10d。
39.在可选的方案中，本技术所述的复合激光器和激光加工系统可以用于激光切割、激光焊接、激光雕刻、激光清洗以及激光增材制造等多种激光加工应用领域。
40.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者器件所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者器件中还存在另外的相同要素。另外，本技术实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
41.本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，以及对本技术中的各个实施例进行组合，这些改进、修饰和组合也落入本技术权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种复合激光器，其特征在于,依次包括激光器(1)、准直器(2)、第二分束镜(4)、第一分束镜(3)和聚焦透镜(5)；所述第一分束镜(3)外围靠近第二分束镜(4)的一侧设有第一反射膜(31)，所述第二分束镜(4)靠近第一分束镜(3)的一侧的外围设有第二反射膜(41)，所述第一分束镜(3)和第二分束镜(4)均具有通孔；所述激光器(1)的输出光路上设置准直器(2)，准直器(2)用于将激光器(1)发出的激光调整为准直平行光(l)；所述准直器(2)的输出光路上依次设置第二分束镜(4)和第一分束镜(3)，用于将准直器(2)输出的准直平行激光束进行分束，一部分光束穿过第二分束镜(4)的通孔，到达第一分束镜(3)的第一反射膜(31)后，被反射扩束至第二分束镜(4)的第二反射膜(41)上，再被第二反射膜(41)反射扩束放大为环形光束l1，另一部分光束穿过第二分束镜(4)和第一分束镜(3)的通孔，到达聚焦透镜5后，被聚焦为中央光束l2；上述的中央光束(l2)用于激光加工，环形光束(l1)用于辅助加热；所述第二分束镜(4)的通孔比第一分束镜(3)的通孔的尺寸大；所述第一分束镜(3)的第一反射膜(31)由内向外向远离第二反射膜(41)的一侧倾斜。2.根据权利要求1所述的复合激光器，其特征在于,所述第一分束镜(3)和第二分束镜(4)至少有一个镜片可在光路输出方向上前后移动。3.根据权利要求1所述的复合激光器，其特征在于,所述第一分束镜(3)由内至外曲率逐渐减少。4.根据权利要求1所述的复合激光器，其特征在于,所述第一分束镜(3)可以以准直平行光(l)输出方向为旋转轴进行旋转，且旋转时，第一分束镜(3)在旋转时表现出在由中心指向固定方向厚度发生变化，曲率也发生变化。5.根据权利要求1所述的复合激光器，其特征在于,还包括调光镜(9)，所述调光镜(9)位于准直器(2)和聚焦透镜(5)之间，所述调光镜(9)为圆筒型结构，中央具有调光孔(91)，在调光镜(9)内侧的调光孔(91)上设有第三反射膜(92)，所述调光镜(9)在光路方向上前后偏转。6.一种激光加工系统，其特征在于,包括权利要求1-5中的一种复合激光器，还包括工件(6)和一个移动台，所述移动台用于将所述环形光束(l1)、中央光束(l2)和工件(6)相对于彼此至少在两个不同的轴线上移动。7.根据权利要求6所述的激光加工系统，其特征在于,还包括第一反射镜(7)和第二反射镜(8)，所述第一反射镜(7)和第二反射镜(8)位于第一分束镜(3)和聚焦透镜(5)之间，且通过第一反射镜(7)和第二反射镜(8)的摆动或者移动控制所述环形光束(l1)和中央光束(l2)在作用的工件(6)上的至少两个不同的轴线上移动。8.如权利要求6所述的激光加工系统，其特征在于，所述第一反射镜(7)和第二反射镜(8)控制所述环形光束(l1)和中央光束(l2)进行移动的轴线相互垂直。9.如权利要求6所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光加工系统生成的环形光束l1在工件(6)上的光斑的直径为d，中央光束l2在工件(6)上的光斑的直径为d，满足2d≤d≤10d。10.如权利要求6所述的激光加工系统，其特征在于，还包括一个温度反馈调节机构，通
过红外探测的方式探测作用的工件(6)的加工位置和温度辅助场位置的温度，且根据实时温度反馈对环形光束(l1)和中央光束(l2)进行调节。

技术总结
本申请提供一种复合激光器和激光加工系统，依次包括激光器、准直器、第二分束镜、第一分束镜和聚焦透镜，所述第一分束镜外围靠近第二分束镜的一侧设有第一反射膜，所述第二分束镜靠近第一分束镜的一侧的外围设有第二反射膜。所述激光器的第一分束镜和第二分束镜用于将准直器输出的准直平行激光束进行分束，一部分光束穿过第二分束镜的通孔，被反射扩束放大为环形光束，另一部分光束被聚焦为中央光束。该中央光束用于对工件进行激光加工，环形光束用于对工件进行辅助加热。使得本申请提供的复合激光器和激光加工系统成本低廉，且能够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。纹等问题。纹等问题。


技术研发人员：周威云 黄国溪 张帆
受保护的技术使用者：深圳公大激光有限公司
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/7/27