多光束耦合激光加工系统及方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910454010.5 (22)申请日 2019.05.28 (71)申请人 中国科学院宁波材料技术与工程研 究所 地址 315201 浙江省宁波市镇海区庄市大 道519号 (72)发明人 张文武王恒陈晓晓张天润 (74)专利代理机构 南京利丰知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 32256 代理人 赵世发王锋 (51)Int.Cl. B23K 26/362(2014.01) B23K 26/06(2014.01) B23K 26/70(2014.01) (54)发明名称 。

2、多光束耦合激光加工系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种多光束耦合激光加工系 统及方法。 所述多光束耦合激光加工方法包括： 提供至少两束第一激光束以及在该至少两束第 一激光束的光路上设置一聚焦透镜， 使该至少两 束第一激光束可被控制地穿过同一所述的聚焦 透镜并交叉重叠， 进而在交叉重叠区域形成加工 能量域， 将待加工工件的局部置于所述加工能量 域内， 进而实现对所述待加工工件的加工处理； 其中所述第一激光束的功率密度小于待加工工 件材料的烧蚀阈值， 所述加工能量域内的功率密 度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。 本发明提供 的一种多光束耦合激光加工方法， 可调控加工能 量域的空间体积与姿态， 。

3、实现高速、 高分辨率加 工， 具有可靠性高、 可控性高、 设备要求低等优 点。 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 CN 110091073 A 2019.08.06 CN 110091073 A 1.一种多光束耦合激光加工系统， 其特征在于包括： 激光光源， 其用于提供至少两束激光束， 任一所述激光束的功率密度小于待加工工件 材料的烧蚀阈值； 与所述至少两束激光束对应的一个聚焦透镜， 所述聚焦透镜对应设置在该至少两束激 光束的光路上， 其中， 所述至少两束激光束可被控制地在经所述聚焦透镜聚焦后交叉重叠， 并在所述交叉重叠区域形成加工能量域， 所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材 料的。

4、烧蚀阈值。 2.根据权利要求1所述的多光束耦合激光加工系统， 其特征在于： 所述激光光源包括至 少两个激光器， 所述至少两束激光束分别由不同的激光器直接射出。 3.根据权利要求1所述的多光束可控耦合激光加工装置， 其特征在于： 所述激光光源包 括一个激光器， 在所述激光器的光源输出端还设置有分光镜， 所述至少两束激光束由同一 激光器直接射出的光束经所述分光镜分光后形成； 其中由该激光器直接射出的光束的功率 密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。 4.根据权利要求1所述的多光束耦合激光加工系统， 其特征在于还包括： 扫描振镜， 其 设置在激光光源与聚焦透镜之间， 并对应设置在至少一激光束的光路上， 。

5、并至少用于调节 所述激光束入射到聚焦透镜上的角度和方向。 5.一种多光束耦合激光加工系统， 其特征在于包括： 激光光源， 其用于提供N束激光束， 任一所述激光束的功率密度小于待加工工件材料的 烧蚀阈值， 其中N2； 与所述N束激光束对应的一个聚焦透镜， 所述聚焦透镜对应设置在该N束激光束的光路 上， 其中， 所述N束激光束可被控制地经所述的聚焦透镜聚焦后交叉重叠， 并在所述交叉重 叠区域形成加工能量域， 所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值， 且所述N-1束激光束经所述聚焦透镜聚焦后交叉重叠区域内的功率密度小于待加工工件材 料的烧蚀阈值。 6.一种多光束耦合激光加工方法， 其。

6、特征在于包括： 提供至少两束第一激光束以及在该至少两束第一激光束的光路上设置一聚焦透镜， 使 该至少两束第一激光束可被控制地穿过同一聚焦透镜并交叉重叠， 进而在交叉重叠区域形 成加工能量域， 将待加工工件的局部置于所述加工能量域内， 进而实现对所述待加工工件的加工处 理； 其中所述第一激光束的功率密度小于待加工工件材料的烧蚀阈值， 所述加工能量域内 的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。 7.根据权利要求6所述的多光束耦合激光加工方法， 其特征在于： 所述至少两束第一激 光束分别来自不同的激光器， 或者， 所述至少两束第一激光束由同一激光器直接射出的激 光束经分光后形成， 且由该激光源直接射。

7、出的激光束的功率密度大于待加工工件材料的烧 蚀阈值。 8.根据权利要求6所述的多光束耦合激光加工方法， 其特征在于还包括： 提供至少一束 第二激光束以及在该第二激光束的光路上设置一聚焦透镜， 使该第二激光束穿过所述的聚 焦透镜并与聚焦后的第一激光束交叉重叠， 进而在交叉重叠区域形成所述的加工能量域， 所述第二激光束的功率密度大于或小于待加工工件材料的烧蚀阈值。 权利要求书 1/2 页 2 CN 110091073 A 2 9.根据权利要求8所述的多光束可控耦合激光加工方法， 其特征在于还包括： 通过改变 第一激光束和/或第二激光束的参数、 数量、 空间分布形式、 聚焦透镜的参数中的至少一者 来。

8、调节所述加工能量域的体积和/或空间姿态。 10.根据权利要求6所述的多光束可控耦合激光加工方法， 其特征在于： 所述的多光束 可控耦合激光加工方法是基于权利要求1-4中任一项所述的多光束可控耦合激光加工系统 或权利要求5中的多光束可控耦合激光加工系统实现的。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110091073 A 3 多光束耦合激光加工系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种多光束耦合激光加工方法， 特别涉及可实高分辨率、 高精度、 低热 影响激光加工的一种多光束耦合激光加工系统及方法， 属于激光加工技术领域。 背景技术 0002 目前， 传统机械加工是目前主要精密加工方式， 但其存在。

9、刀具磨损、 加工一致性 差、 微观裂纹与亚表面损伤测控困难等问题。 激光加工能量可控、 能量密度大、 材料适应范 围广、 不接触、 几乎无切削力等优越性。 0003 激光加工材料时， 功率密度达到材料烧蚀阈值时， 材料将被烧蚀去除。 激光束经透 镜聚焦后在束腰处功率密度最大， 但轴向一定范围内功率密度变化极小， 从而存在一个有 一定厚度的、 有烧蚀材料能力的加工能量域， 导致加工分辨率较低。 因此， 提高激光束轴向 分辨率， 是实现激光精密加工的迫切需求。 0004 短焦距激光加工可提高加工分辨率， 但其适用性差。 常用的提高长焦距激光加工 分辨率的方法是， 将入射光线与待加工表面法线呈一定角。

10、度， 但这可能导致加工表面质量 下降， 实际操作也存在局限性， 也不适用于复杂几何形状的加工。 发明内容 0005 针对现有激光加工中存在的加工分辨率小的、 热影响大、 深度能力差等问题， 本发 明的主要目的在于提供一种多光束耦合激光加工系统及方法， 进而克服现有技术中的不 足。 0006 为实现前述发明目的， 本发明采用的技术方案包括： 0007 本发明实施例提供了一种多光束耦合激光加工系统， 其包括： 0008 激光光源， 其用于提供至少两束激光束， 任一所述激光束的功率密度小于待加工 工件材料的烧蚀阈值； 0009 与所述至少两束激光束对应的一个聚焦透镜， 所述聚焦透镜对应设置在该至少两。

11、 束激光束的光路上， 其中， 所述至少两束激光束可被控制地在经所述聚焦透镜聚焦后交叉 重叠， 并在所述交叉重叠区域形成加工能量域， 所述加工能量域内的功率密度大于待加工 工件材料的烧蚀阈值。 0010 本发明实施例提供了一种多光束耦合激光加工系统， 其包括： 0011 激光光源， 其用于提供N束激光束， 任一所述激光束的功率密度小于待加工工件材 料的烧蚀阈值， 其中N2； 0012 与所述N束激光束对应的一个聚焦透镜， 所述聚焦透镜对应设置在该N束激光束的 光路上， 其中， 所述N束激光束可被控制地经所述的聚焦透镜聚焦后交叉重叠， 并在所述交 叉重叠区域形成加工能量域， 所述加工能量域内的功率。

12、密度大于待加工工件材料的烧蚀阈 值， 且所述N-1束激光束经所述聚焦透镜聚焦后交叉重叠区域内的功率密度小于待加工工 件材料的烧蚀阈值。 说明书 1/5 页 4 CN 110091073 A 4 0013 本发明实施例提供了一种多光束耦合激光加工方法， 其包括： 0014 提供至少两束第一激光束以及在该至少两束第一激光束的光路上设置一聚焦透 镜， 使该至少两束第一激光束可被控制地穿过同一所述的聚焦透镜并交叉重叠， 进而在交 叉重叠区域形成加工能量域， 0015 将待加工工件的局部置于所述加工能量域内， 进而实现对所述待加工工件的加工 处理； 其中所述第一激光束的功率密度小于待加工工件材料的烧蚀阈。

13、值， 所述加工能量域 内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。 0016 与现有技术相比， 本发明提供的一种多光束耦合激光加工方法， 可调控加工能量 域的空间体积与姿态， 实现高速、 高分辨率加工， 具有可靠性高、 可控性高、 设备要求低等优 点。 附图说明 0017 图1a是直接采用光源射出的入射光束进行加工的原理示意图； 0018 图1b是多光束耦合激光加工方法的原理示意图； 0019 图2a、 图2b分别是不同数量的激光束的不同空间分布方式示意图； 0020 图3是采用本发明提供的多光束耦合激光加工方法对工件进行加工的原理示意 图； 0021 图4是本发明提供的多光束耦合激光加工方法的。

14、扩展耦合原理示意图； 0022 图5a是本发明提供的多光束耦合激光加工方法中两束光束进行耦合的原理结构 示意图； 0023 图5b为图5a中两束光束的耦合区域； 0024 图5c是本发明提供的多光束耦合激光加工方法中两束光束耦合形成的耦合区域 的横截面非相干强度图。 具体实施方式 0025 鉴于现有技术中的不足， 本案发明人经长期研究和大量实践， 得以提出本发明的 技术方案。 如下将对该技术方案、 其实施过程及原理等作进一步的解释说明。 0026 本发明提供的多光束耦合激光加工方法， 将高能量激光束分成2束或多束激光， 分 束后的单束激光没有烧蚀材料的能力， 多光束耦合后才有加工能力； 通过多。

15、光束耦合的方 式能降低有烧蚀能力的加工能量域的空间大小， 尤其是能减小待加工表面法向厚度(如图1 所示： 图1中加工能量域的横向长度即代加工表面方向， 其显著减小)， 从而提高加工分辨 率， 实现精密加工， 且能够降低热影响； 以及， 本发明还可以通过合理调控， 使多光束耦合后 的加工能量域的体积和空间姿态发生改变， 从而有利于对一些复杂特征进行加工； 而且， 本 发明还可以与大孔径扫描振镜结合， 实现高速、 高精度加工。 0027 本发明实施例提供了一种多光束耦合激光加工系统， 其包括： 0028 激光光源， 其用于提供至少两束激光束， 任一所述激光束的功率密度小于待加工 工件材料的烧蚀阈值。

16、； 0029 与所述至少两束激光束对应的一个聚焦透镜， 所述聚焦透镜对应设置在该至少两 束激光束的光路上， 其中， 所述至少两束激光束可被控制地在经所述聚焦透镜聚焦后交叉 说明书 2/5 页 5 CN 110091073 A 5 重叠， 并在所述交叉重叠区域形成加工能量域， 所述加工能量域内的功率密度大于待加工 工件材料的烧蚀阈值。 0030 在一些较为具体的实施方案中， 所述激光光源包括至少两个激光器， 所述至少两 束激光束分别由不同的激光器直接射出。 0031 在一些较为具体的实施方案中， 所述激光光源包括一个激光器， 在所述激光器的 光源输出端还设置有分光镜， 所述至少两束激光束由同一激。

17、光器直接射出的光束经所述分 光镜分光后形成； 其中由该激光器直接射出的光束的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀 阈值。 0032 在一些较为具体的实施方案中， 所述的多光束耦合激光加工系统还包括： 扫描振 镜， 其设置在激光光源与聚焦透镜之间， 并对应设置在至少一激光束的光路上， 并至少用于 调节所述激光束入射到聚焦透镜上的角度和方向。 0033 本发明实施例提供了一种多光束耦合激光加工系统， 其包括： 0034 激光光源， 其用于提供N束激光束， 任一所述激光束的功率密度小于待加工工件材 料的烧蚀阈值， 其中N2； 0035 与所述N束激光束对应的一个聚焦透镜， 所述聚焦透镜对应设置在该N束激。

18、光束的 光路上， 其中， 所述N束激光束可被控制地经所述的聚焦透镜聚焦后交叉重叠， 并在所述交 叉重叠区域形成加工能量域， 所述加工能量域内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈 值， 且所述N-1束激光束经所述聚焦透镜聚焦后交叉重叠区域内的功率密度小于待加工工 件材料的烧蚀阈值。 0036 本发明实施例提供了一种多光束耦合激光加工方法， 其包括： 0037 提供至少两束第一激光束以及在该至少两束第一激光束的光路上设置一聚焦透 镜， 使该至少两束第一激光束可被控制地穿过同一所述的聚焦透镜并交叉重叠， 进而在交 叉重叠区域形成加工能量域， 0038 将待加工工件的局部置于所述加工能量域内， 进而实。

19、现对所述待加工工件的加工 处理； 其中所述第一激光束的功率密度小于待加工工件材料的烧蚀阈值， 所述加工能量域 内的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。 0039 在一些较为具体的实施方案中， 所述至少两束第一激光束分别来自不同的激光 器， 或者， 所述至少两束第一激光束由同一激光器直接射出的激光束经分光后形成， 且由该 激光源直接射出的激光束的功率密度大于待加工工件材料的烧蚀阈值。 0040 在一些较为具体的实施方案中， 所述的多光束耦合激光加工方法还包括： 提供至 少一束第二激光束以及在该第二激光束的光路上设置一聚焦透镜， 使该第二激光束穿过所 述的聚焦透镜并与聚焦后的第一激光束交叉重叠，。

20、 进而在交叉重叠区域形成所述的加工能 量域， 所述第二激光束的功率密度大于或小于待加工工件材料的烧蚀阈值。 0041 进一步的， 所述的多光束可控耦合激光加工方法还包括： 通过改变第一激光束和/ 或第二激光束的参数、 数量、 空间分布形式、 聚焦透镜的参数中的至少一者来调节所述加工 能量域的体积和/或空间姿态。 0042 进一步的， 所述的多光束可控耦合激光加工方法是基于所述的多光束可控耦合激 光加工系统实现的。 0043 下面将结合附图， 对本申请的原理进行详细的描述， 本发明提供的一种多光束耦 说明书 3/5 页 6 CN 110091073 A 6 合激光加工方法的原理图如图1a和图1b。

21、所示， 激光光源直接射出的激光束未分光时， 为分 光的激光束聚焦后的加工能量域较大， 该加工能量域内光束功率密度I大于材料烧蚀阈值 Ith， 能对工件材料进行加工； 多个激光束耦合时， 以两束激光束为例， 由光源直接射出的激 光束分光后形成的至少两束激光束或者由光源直接射出的两束激光束中的任一单独的激 光束的功率密度(I1， I2)小于材料烧蚀阈值Ith， 两束激光束耦合(即聚焦交叉重叠)后仅在 重叠区域或部分重叠区域(加工能量域形成于所述重叠区域)I1+I2Ith， 从而使加工能量 域空间体积减小， 进而提高了加工分辨率； 且通过改变透镜参数、 激光束参数(例如功率)、 激光束数量和激光束的。

22、空间分布方式(激光束的空间分布可以通过扫描振镜调节)， 可以改 变加工能量域的空间姿态， 从有利于实现对不同特征的精密加工。 单束独立光束的分布方 式如图2a和图2b所示， 其不局限于图中的2种， 还可根据特定加工需求进行设置。 0044 具体的， 一种多光束耦合激光加工的材料加工过程如图3所示:； 首先利用分光镜 或其他分光技术将激光器直接射出的激光束进行分光形成至少两束激光束(图中仅以两束 为例说明， 或者还可以采用多台激光器射出多束光束亦可)， 接着通过光路传导， 将激光束 传输到扫描振镜中， 扫描振镜可根据不同应用场合选择较大或常规口径， 然后经过场镜(即 聚焦透镜)进行聚焦耦合， 最。

23、后光束到达材料表面， 进行材料去除加工。 0045 在一些较为具体的实施方案中， 如图4所示， 为进一步提高加工能量域的可调控 性， 可通过将已耦合的激光束与其他光路传导的未耦合的激光束或已耦合的激光束进一步 耦合(即前述至少两个第一激光束与至少一第二激光束进行聚焦耦合)， 从而进一步调控加 工能量域的空间姿态与体积， 不同光路的光束可由同一激光器或不同激光器射出。 0046 图5a是本发明提供的多光束耦合激光加工方法中两束光束进行耦合的原理结构 示意图， 两束光束的耦合区域如图5b所示， 两束光束耦合形成的耦合区域的横截面非相干 强度图如图5c所示， 其中颜色越深表明激光强度越大， 可见耦合。

24、后中间区域激光强度大， 有 加工能力， 相比于耦合前其面积显著减小。 0047 本发明提供的一种多光束耦合激光加工方法， 首先将同一激光器或由不同激光器 发射的激光分光成多束激光， 分光后的激光束经聚焦后仍没有加工材料的能力， 各激光束 以一定空间规律分布， 分布规律根据加工需求进行设计， 接着通过透镜聚焦耦合后形成特 定空间姿态的加工能量域， 从而满足特定的加工需求； 并可结合数控技术进行三维加工， 或 者， 结合扫描振镜进行高速加工。 另外， 多光束耦合后可进一步通过由其他光路传导的耦合 光束或普通光束进一步调控加工能量域。 0048 需要说明的是， 激光束在聚焦前， 因为光束直径大， 功。

25、率密度分布不均， 激光束在 聚焦后的束腰区域的功率密度较大， 所述激光束仅在其聚焦后的束腰区域有加工能力； 本 发明中对于激光束的功率密度与待加工工件材料的烧蚀阈值的对比实际为激光束在聚焦 后的束腰区域(即有加工能力的区域)的功率密度与待加工工件材料的烧蚀阈值的对比， 前 述的加工能量域(可以理解为耦合区域)也是由至少一激光束在聚焦后的束腰区域与另一 激光束聚焦后束腰区域交叉重叠形成的； 例如， 本发明中所述的 “任一所述激光束的功率密 度小于待加工工件材料的烧蚀阈值” ， 实质指 “任一所述激光束聚焦后的束腰区域的功率密 度小于待加工工件材料的烧蚀阈值” ，“由该激光器直接射出的光束的功率密。

26、度大于待加工 工件材料的烧蚀阈值” ， 实质为 “由该激光器直接射出的光束聚焦后的束腰区域的功率密度 大于待加工工件材料的烧蚀阈值” 。 说明书 4/5 页 7 CN 110091073 A 7 0049 本发明所提供的一种多光束耦合激光加工方法， 能够减小加工能量域空间体积、 控制加工能量域空间姿态等， 并具有实现成本低， 技术难点小的优点， 对实现激光精密高完 整性高速加工、 复杂特征加工， 尤其是难加工材料的精密加工有重大意义。 0050 应当理解， 上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点， 其目的在于让熟悉此 项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施， 并不能以此限制本发明的保护范围。 凡 根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 说明书 5/5 页 8 CN 110091073 A 8 图1a 图1b 图2a 说明书附图 1/5 页 9 CN 110091073 A 9 图2b 说明书附图 2/5 页 10 CN 110091073 A 10 图3 说明书附图 3/5 页 11 CN 110091073 A 11 图4 图5a 图5b 说明书附图 4/5 页 12 CN 110091073 A 12 图5c 说明书附图 5/5 页 13 CN 110091073 A 13 。