一種光學隔離器及激光加工系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于激光加工領(lǐng)域，提供了一種光學隔離器，用于激光加工系統(tǒng)，包括沿激光的傳輸路徑依次設(shè)置的：薄膜吸收反射鏡，吸收P偏振光并反射S偏振光；半波片，對垂直入射的線偏振光的偏振方向進行旋轉(zhuǎn)；90度相移延遲鏡，將半波片透過的線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，并將加工件反射的圓偏振光轉(zhuǎn)換為線偏振光；90度相移延遲鏡反射的線偏振光經(jīng)過半波片后轉(zhuǎn)變?yōu)镻偏振光。本發(fā)明利用半波片的偏振方向旋轉(zhuǎn)效應(yīng)及90度相移延遲鏡的相位延遲效應(yīng)，使線偏振激光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，使得激光加工的切縫不會隨切割軌跡的變化而變化，切縫平滑。同時使加工件反射回的圓偏振光變?yōu)镻偏振光，被薄膜吸收反射鏡全部吸收，進而隔離了反射激光，保護了激光器。
【專利說明】—種光學隔離器及激光加工系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種光學隔離器及激光加工系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]自上世紀60年代首次實現(xiàn)激光輸出以來，由于激光具有高亮度、單色性、方向性、相干性等優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注，并在國防軍事、工業(yè)生產(chǎn)、科學研究等各個方面廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)方面，激光加工是利用激光束與物質(zhì)相互作用特性對材料進行加工的一種方式。與傳統(tǒng)加工方法相比，激光加工具有無接觸、無應(yīng)力變形，熱影響區(qū)域小，可加工材料廣泛，可靈活的實現(xiàn)各種復雜加工，效率高且質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，因此已經(jīng)形成了激光切割、激光焊接、激光打孔、激光器標記、激光表面處理、零件快速成型等多種應(yīng)用工藝，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、電子、航空航天、冶金、機械制造等工業(yè)領(lǐng)域。對實現(xiàn)生產(chǎn)自動化、提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率、減少材料消耗、降低環(huán)境污染等起到越來越重要的作用。
[0003]激光加工技術(shù)是將能量聚焦到微小的空間，焦點處達到很高的能量密度，這時激光輸出的熱量遠大于被材料反射、傳導的部分，材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束與材料相對線性移動，可以使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。工業(yè)生產(chǎn)中，激光切割是應(yīng)用最廣泛的一種激光加工方法。激光切割可以加工各種金屬、非金屬、復合材料、硬質(zhì)材料等。激光切割質(zhì)量的評價主要有:切割面粗糙度、切縫寬度、切口錐度三個參量。
[0004]隨著技術(shù)進步及工業(yè)產(chǎn)品升級換代，對激光切割效果的要求也越來越高。例如，隨著電子行業(yè)及信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子和信息設(shè)備產(chǎn)品越來越小型化，對激光切割的精度要求越來越高。最為典型的需求就是對切縫寬度的要求，目前很多的應(yīng)用不僅要切縫寬度很窄，而且需要控制在一定范圍之內(nèi)，甚至有的應(yīng)用要求在切割過程中實時控制、調(diào)整激光切縫的寬度，以滿足零部件的不同部位以及不同零部件的加工需求。
[0005]激光器輸出的激光通常是線偏振光，例如C02激光器(如美國Coherent公司生產(chǎn)的C02激光器輸出激光的偏振方向與激光器底座平行)，金屬切割和其他高精密或超高精密工件的激光加工對切縫寬度及橫截面發(fā)生的任何變化都很敏感。激光切割的質(zhì)量取決于激光相對切割方向的偏振方向。
[0006]如圖1所不，以C02激光器為例，C02激光器輸出光束的偏振方向是線偏振,在整個外光路傳導過程中沒有對偏振狀態(tài)進行處理，以在工件上切割字符“CT”為例，當激光切割軌跡方向與激光的偏振方向平行時，能夠切割出最佳的切縫，即切口窄而平滑，與加工物表面垂直度好，如圖1中的A部分；當切割軌跡方向與激光的偏振方向垂直時，其切縫較寬，平滑度仍較好，如圖1中的B部分；當切割軌跡方面與激光偏振方向有某個夾角的時候，切縫寬度較大，切口歪斜，且不平滑，如圖1中的C部分。
[0007]另外，在采用C02激光器進行加工時，當高能C02激光束照射到那些對10.6 μ m波段吸收率較低的材料或表面光潔度較高的材料時，工件會反射大量的激光能量，部分反射光會沿著原光路返回到C02激光振蕩腔，由于激光光束的能量密度很高，會產(chǎn)生大量的熱量，導致激光器輸出功率下降，從而致使激光器的使用壽命下降，嚴重時還會燒毀激光器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種光學隔離器，旨在提高激光加工過程中的切縫質(zhì)量，并保護激光器免受加工面反射光束的損壞，延長激光器的使用壽命。
[0009]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種光學隔離器，用于激光加工系統(tǒng)中，包括沿激光的傳輸路徑依次設(shè)置的:
[0010]薄膜吸收反射鏡，用于吸收P偏振光并反射S偏振光；
[0011]半波片，用于對垂直入射的線偏振光的偏振方向進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為所述線偏振光的偏振方向與所述半波片的主截面之間的夾角的兩倍；
[0012]90度相移延遲鏡，用于將所述半波片透過的線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，并將加工件反射的圓偏振光轉(zhuǎn)換為線偏振光；
[0013]所述90度相移延遲鏡反射的線偏振光經(jīng)過所述半波片后轉(zhuǎn)變?yōu)镻偏振光。
[0014]本發(fā)明的另一目的在于提供一種激光加工系統(tǒng)，包括激光輸出裝置及位于所述激光輸出裝置輸出光路上的光學隔離器，所述光學隔離器采用上述的光學隔離器。
[0015]本發(fā)明通過半波片對入射線偏振光進行偏振方向的旋轉(zhuǎn)，結(jié)合90度相移延遲鏡的相位延遲效應(yīng)，可使線偏振的加工激光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，圓偏振光含有等量的S偏振光和P偏振光，而且S偏振光和P偏振光在振動方向上是正交的，因此圓偏振光使得激光切割的縫隙不會隨切割軌跡的變化而變化，相比線偏振光的加工效果，圓偏振光聚焦之后能夠有效地改善和提高工件激光加工的質(zhì)量。同時，半波片與90度相移延遲鏡的配合使加工件反射回的圓偏振光變?yōu)镻偏振光，被薄膜吸收反射鏡全部吸收，進而隔離了反射激光，保護了激光器，延長了激光器的使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1示出了現(xiàn)有激光切割技術(shù)的切縫效果圖；
[0017]圖2示出了本發(fā)明實施例光學隔離器的內(nèi)部光路圖；
[0018]圖3示出了本發(fā)明實施例光學隔離器的部分光路圖；
[0019]圖4示出了采用本發(fā)明實施例光學隔離器的激光切割效果圖；
[0020]圖5不出了線偏振光與圓偏振光的產(chǎn)生原理；
[0021]圖6示出了本發(fā)明實施例光學隔離器的外觀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖7示出了本發(fā)明實施例光學隔離器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖8示出了本發(fā)明實施例光學隔離器的爆炸圖；
[0024]圖9示出了本發(fā)明實施例激光加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及光路圖。

【具體實施方式】
[0025]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0026]以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的具體實現(xiàn)進行詳細描述:
[0027]圖2示出了本發(fā)明實施例光學隔離器的內(nèi)部光路圖，圖3示出了本發(fā)明實施例光學隔離器的部分光路圖，為了便于說明，僅示出了與本實施例相關(guān)的部分。
[0028]該光學隔離器主要用于在激光加工(如激光切割、激光打孔、激光焊接等)中隔離加工物面反射的光，避免反射光進入激光器，同時通過對入射激光的偏振狀態(tài)進行改變，以改善激光加工質(zhì)量，特別是切縫的質(zhì)量。如圖2，該光學隔離器包括沿激光的傳輸路徑依次設(shè)置的薄膜吸收反射鏡01、半波片02及90度相移延遲鏡03。其中，薄膜吸收反射鏡01可以是在銅鏡的表面鍍介質(zhì)膜形成，該介質(zhì)膜只反射S偏振光，吸收P偏振光，且薄膜吸收反射鏡01不改變反射光的偏振態(tài)。S偏振光入射之后,其反射光仍是S偏振光。所謂S偏振光是指與入射面垂直的偏振光，P偏振光是指與入射面平行的偏振光。本實施例中以C02激光器101為例,激光偏振方向與C02激光器101的底座平行,與入射面垂直,是S偏振光，S偏振光LI經(jīng)過薄膜吸收反射鏡01的反射后仍是S偏振光LI。
[0029]半波片02的作用是將光的偏振方向進行旋轉(zhuǎn)，當線偏振光垂直入射半波片時，如半波片的主截面相對入射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)Θ角，則通過此半波片的線偏振光的偏振方向從原來的方向旋轉(zhuǎn)2 Θ角。本實施例中，自薄膜吸收反射鏡01反射的S偏振光LI垂直入射半波片02，半波片02的主截面相對入射S偏振光LI的偏振方向旋轉(zhuǎn)22.5°，透射的線偏振光L2的偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，即與C02激光器LS的底座成45°角。
[0030]90度相移延遲鏡03與入射其表面的線偏振光L2成45°角，可以使入射線偏振光的尋常光分量與非尋常光分量之間產(chǎn)生90°相位差，對于以45°入射的線偏振光，可獲得圓偏振光。本實施例中，自半波片02透射的線偏振光L2以45°入射90度相移延遲鏡03，反射的光為圓偏振光L3，該圓偏振光L3射出光學隔離器后經(jīng)過適當調(diào)整對加工件102進行切割等操作。
[0031 ] 由于圓偏振光L3含有等量的S偏振光和P偏振光,而且S偏振光和P偏振光在振動方向上是正交的，因此圓偏振光使得激光切割的縫隙不會隨切割軌跡的變化而變化，相比線偏振光切割的效果，圓偏振光聚焦之后能夠有效地改善和提高工件激光切縫的質(zhì)量，加工效果如圖4所示C部分。
[0032]以下說明加工件反射的光的傳播路徑:加工激光經(jīng)加工件表面反射后仍是圓偏振光L4，經(jīng)過90度相移延遲鏡03后，尋常光和非尋常光再次產(chǎn)生90°相位差，線偏振光兩次經(jīng)過90度相移延遲鏡后，尋常光和非尋常光共產(chǎn)生180°相位差，因此，自90度相移延遲鏡
03反射的光為線偏振光L5,與原來的線偏振光L2偏振方向垂直,該線偏振光L5與激光器的底座夾角為135°。圖5示出了線偏振光與圓偏振光的產(chǎn)生原理，當尋常光和非尋常光之間的相位差δ為Ji的奇數(shù)倍時為線偏振光,相位差δ為O或的偶數(shù)倍時為線偏振光，這兩種線偏振光正交，當尋常光和非尋常光等量且相位差δ為π/2的奇數(shù)倍時為圓偏振光。
[0033]線偏振光L5再次垂直反向經(jīng)過半波片02，因其主截面旋轉(zhuǎn)了 22.5度，所以反射光束的偏振方向在線偏振光L5的基礎(chǔ)上反向旋轉(zhuǎn)45度,偏振方向與C02激光器的底座夾角為90度，偏振矢量在入射面內(nèi)，即經(jīng)過半波片02透過的光為P偏振光L6。
[0034]P偏振光L6入射薄膜吸收反射鏡01，被薄膜吸收反射鏡01全部吸收，不會進入C02激光器LS的諧振腔中，從而隔離了反射激光，保護了 C02激光器，延長了 C02激光器的使用壽命。
[0035]作為本實施例的進一步改進，如圖2，該光學隔離器還可以包括第一零相移反射鏡
04和第二零相移反射鏡05,用于改變光路。其中，第一零相移反射鏡04位于薄膜吸收反射鏡01的反射光路上，半波片02則位于第一零相移反射鏡04的反射光路上，第二零相移反射鏡05位于半波片02的透射光路上，且90度相移延遲鏡03位于第二零相移反射鏡05的反射光路上。薄膜吸收反射鏡01與入射激光成45°角，第一零相移反射鏡04與薄膜吸收反射鏡01平行，使S偏振光LI以45°角入射第一零相移反射鏡04，第二零相移反射鏡05與第一零相移反射鏡04垂直，使S偏振光LI垂直透過半波片02后以45°角入射第二零相移反射鏡05，90度相移延遲鏡03與第二零相移反射鏡05平行，使激光以45°角入射90度相移延遲鏡03。通過引入第一零相移反射鏡04和第二零相移反射鏡05，使激光入口與出口在同一直線上，在實現(xiàn)其隔離性能的前提下做到了結(jié)構(gòu)合理緊湊；加工和安裝容易，夕卜形美觀。
[0036]進一步參考圖6、7，光學隔離器除具有上述內(nèi)部光學組件外，還具有如下結(jié)構(gòu)，隔離器的進光法蘭061直接與C02激光器的出口連接，若干連接管和水管起著冷卻隔離器內(nèi)部鏡片的作用，避免其被大功率的激光束損壞，經(jīng)90度相移延遲鏡03反射的圓偏振光經(jīng)出光法蘭062射出，經(jīng)過調(diào)整后聚焦于加工件上。
[0037]參考圖8，薄膜吸收反射鏡01由第一反射鏡座011固定，半波片02由連接法蘭021固定，90度相移延遲鏡03由第二反射鏡座031固定。第一零相移反射鏡04由第三反射鏡座041固定，第二零相移反射鏡05由第四反射鏡座051固定。
[0038]進一步地，第一反射鏡座011、連接法蘭021、第二反射鏡座031、第三反射鏡座041及第四反射鏡座051均有水管07穿過，用于冷卻相應(yīng)光學件，整個隔離器具有一進水管081和一出水管082。
[0039]上述光學隔離器可對加工件反射的光進行隔離，避免其射入激光器，并且可將加工激光變?yōu)閳A偏振光，改善切縫質(zhì)量。本發(fā)明進一步提供一種包含該光學隔離器的激光加工系統(tǒng)。如圖9，該系統(tǒng)包括激光輸出裝置I及位于激光輸出裝置I輸出光路上的光學隔離器2，該光學隔離器2具有上述結(jié)構(gòu)。
[0040]具體的，激光輸出裝置I包括工控機11、激光驅(qū)動器12、激光振蕩器13、激光功率計14及分光鏡15。其中，工控機11與激光驅(qū)動器12相連接，用于設(shè)置激光參數(shù)；激光驅(qū)動器12又與激光振蕩器13連接，控制激光振蕩器13輸出激光切割所需功率的激光束；分光鏡15位于激光振蕩器13的輸出光路上,其透射部分激光進入光學隔離器2用于激光加工，并反射部分激光進入激光功率計14供激光功率計14實時監(jiān)控激光振蕩器13的輸出功率，同時，激光功率計14將監(jiān)控信息反饋給激光驅(qū)動器12，激光驅(qū)動器12根據(jù)反饋信息調(diào)節(jié)激光振蕩器13的輸出功率。
[0041]進一步地，在光學隔離器2的輸出光路上設(shè)有擴束鏡組3，將激光光束的傳播發(fā)散角減小，使聚焦光斑更小，從而使得激光聚焦光斑的功率密度足夠高，大于工件的激光加工閾值，以便切出所需要的效果。
[0042]進一步地，擴束之后的激光光束經(jīng)過一 45°放置的零相移全反射鏡4之后進入聚焦透鏡5，聚焦于工件平面上。在聚焦透鏡5與工件之間還設(shè)有保護鏡片6，避免在激光加工時產(chǎn)生的熔融物飛濺到聚焦透鏡5上，避免鏡片污染直接導致的鏡片炸裂。
[0043]進一步地，聚焦透鏡5和保護鏡片6安裝于一固定件7中，在固定件7上且在保護鏡片6下方對稱設(shè)有第一氣閥71和第二氣閥72，分別接上氮氣或氬氣作為保護氣體。保護氣體分別通過固定件7末端的氣嘴73形成同軸氣體，將激光加工產(chǎn)生的熔融物吹走。
[0044]進一步參考圖9，若采用高功率C02激光器，光學鏡片在激光束的反射或透射中會吸收部分激光能量，產(chǎn)生熱量，為了避免光學鏡片因熱應(yīng)力而導致鏡片開裂或鏡片上鍍膜的脫落，可以在該系統(tǒng)中采用水冷卻方式來保護光學鏡片，在各器件的固定件中設(shè)置水管。如在擴束鏡組3的固定件8上設(shè)置進水管81和出水管82，在聚焦透鏡5的固定件7上設(shè)置進水管74和出水管75，在零相移全反射鏡4的固定件9上設(shè)置進水管91和出水管92，以及在光學隔離器2中各鏡片處設(shè)置進水口 071和出水口 072。
[0045]本系統(tǒng)優(yōu)選采用大功率的C02激光器，是一種大功率C02激光精密激光加工系統(tǒng)，其外光路由于采用了上述的光學隔離器，有效避免了在激光加工過程中反射光進入激光振蕩器，有效的保護了激光器，延長了其使用壽命。同時，該光學隔離器可將線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光，圓偏振光含等量的S偏振光和P偏振光，因此圓偏振光使得激光加工的切縫不會隨切割軌跡的變化而變化，相比線偏振光的切割效果，圓偏振激光光束聚焦之后能夠有效地改善和提高激光加工質(zhì)量。
[0046]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種光學隔離器，用于激光加工系統(tǒng)中，其特征在于，包括沿激光的傳輸路徑依次設(shè)置的: 薄膜吸收反射鏡，用于吸收P偏振光并反射S偏振光； 半波片，用于對垂直入射的線偏振光的偏振方向進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為所述線偏振光的偏振方向與所述半波片的主截面之間的夾角的兩倍； 90度相移延遲鏡，用于將所述半波片透過的線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，并將加工件反射的圓偏振光轉(zhuǎn)換為線偏振光； 所述90度相移延遲鏡反射的線偏振光經(jīng)過所述半波片后轉(zhuǎn)變?yōu)镻偏振光。
2.如權(quán)利要求1所述的光學隔離器，其特征在于，還包括: 第一零相移反射鏡，設(shè)置于所述薄膜吸收反射鏡與半波片之間； 第二零相移反射鏡，設(shè)置于所述半波片與90度相移延遲鏡之間。
3.如權(quán)利要求2所述的光學隔離器，其特征在于，所述薄膜吸收反射鏡由第一反射鏡座固定，所述半波片由連接法蘭固定，所述90度相移延遲鏡由第二反射鏡座固定，所述第一零相移反射鏡由第三反射鏡座固定，所述第二零相移反射鏡由第四反射鏡座固定。
4.如權(quán)利要求3所述的光學隔離器，其特征在于，所述第一反射鏡座、連接法蘭、第二反射鏡座、第三反射鏡座及第四反射鏡座均有水管穿過。
5.如權(quán)利要求1至4任一項所述的光學隔離器，其特征在于，所述半波片的主截面與來自所述薄膜吸收反射鏡的S偏振光之間的夾角為22.5°。
6.如權(quán)利要求1至4任一項所述的光學隔離器，其特征在于，所述90度相移延遲鏡與入射其表面的線偏振光的夾角為45°。
7.一種激光加工系統(tǒng)，其特征在于，包括激光輸出裝置及位于所述激光輸出裝置輸出光路上的光學隔離器，所述光學隔離器采用權(quán)利要求1至6任一項所述的光學隔離器。
8.如權(quán)利要求7所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于，所述激光輸出裝置包括工控機、激光驅(qū)動器、激光振蕩器、激光功率計及分光鏡； 所述工控機與所述激光驅(qū)動器相連接，用于設(shè)置激光參數(shù)； 所述激光驅(qū)動器又與所述激光振蕩器連接，用于控制所述激光振蕩器輸出激光切割所需功率的激光束； 所述分光鏡位于所述激光振蕩器的輸出光路上，其透射部分激光進入所述光學隔離器，反射部分激光進入所述激光功率計，供所述激光功率計實時監(jiān)控激光振蕩器的輸出功率； 所述激光功率計與所述激光驅(qū)動器連接，將實時監(jiān)控信息反饋給激光驅(qū)動器。
9.如權(quán)利要求7所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于，所述激光振蕩器采用C02激光振蕩器，所述C02激光振蕩器輸出的激光為S偏振光。
10.如權(quán)利要求7、8或9所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于，在所述光學隔離器的輸出光路上依次設(shè)有擴束鏡組、零相移全反射鏡、聚焦透鏡及保護鏡片，所述擴束鏡組、零相移全反射鏡、聚焦透鏡及保護鏡片的固定件均有水管穿過。
【文檔編號】B23K26/38GK104416284SQ201310389081
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】肖磊, 李斌, 官偉, 趙建濤, 郭煒, 楊錦彬, 高云峰 申請人:大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司