阅读说明：本技术 一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工系统及方法 (Multi-beam laser amplification scanning processing system and method based on light field regulation ) 是由 闵超庆 孙涛 王文君 梅雪松 运侠伦 孙铮 孙孝飞 于 2020-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工系统及方法,包括以下步骤：将发出的激光进行扩束；将扩束后的激光利用全息图进行调制,得到预设光场分布的多光束激光；将多光束激光进行能量放大,得到高功率的多光束激光；控制高功率多光束激光对待加工工件进行扫描加工；本发明提出的基于光场调控的多光束激光放大扫描加工系统及方法,可灵活调控光束并进行功率放大,能够实现高精度、高质量、高效率、无限幅面的激光加工,具有广泛的应用前景。(The invention provides a multi-beam laser amplification scanning processing system and method based on light field regulation, which comprises the following steps: expanding the emitted laser; modulating the expanded laser by utilizing a hologram to obtain multi-beam laser with preset light field distribution; performing energy amplification on the multi-beam laser to obtain high-power multi-beam laser; controlling high-power multi-beam laser to scan and process a workpiece to be processed; the multi-beam laser amplification scanning processing system and method based on light field regulation can flexibly regulate and control the light beam and amplify the power, can realize high-precision, high-quality, high-efficiency and infinite breadth laser processing, and have wide application prospect.)

一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工系统及方法

技术领域

本发明属于激光放大及激光应用技术领域，特别涉及一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工系统及方法。

背景技术

由于激光加工具有高精度、高质量、可加工材料范围广、无刀具磨损等特点而广泛应用于航空航天、汽车船舶、电子通讯及生物医疗等领域。随着激光技术的不断发展，许多加工场合往往需要加工各类形状和数量的大面积群孔，如熔喷布喷丝板、涡轮叶片气膜孔等，这些群孔对微孔的精度与质量都有较高的要求，同时也需要较高的整体加工效率。而当前的激光加工往往采用的是单点高斯光进行加工，存在加工效率低、能量利用率低和适应性差等不足，因此可以采用多光束并行加工的方法来提升激光加工效率。

并且，有研究表明不同的光场分布如贝塞尔光、矢量光、平顶光及超高斯光等对于激光加工会有不同的加工效果，适当的光场分布可以进一步提升激光加工的精度和质量。而目前的一些光场调控往往需要复杂的光路来完成，而利用空间光调制器、数字微镜器件等光学元件的损伤阈值有限，调制分束后光束能量极低，难以实现高功率、高效率、高精度的激光加工，因此研究基于光场调控的多光束激光放大扫描加工系统及方法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工系统及方法，解决了现有的激光加工过程中存在加工效率低、能量利用率低和适应性差的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工系统，包括以下步骤：

将发出的激光进行扩束；

将扩束后的激光利用全息图进行调制，得到预设光场分布的多光束激光；

将多光束激光进行能量放大，得到高功率的多光束激光；

控制高功率多光束激光对待加工工件进行扫描加工。

优选地，通过光学调制模块对激光器发出的激光进行扩束、全息图调制，得到预设光场分布的多光束激光；之后将得到的多光束激光入射至激光放大模块，通过激光放大模块对多光束激光进行能量放大，得到高功率的多光束激光；之后高功率的多光束激光入射至扫描振镜对待加工工件进行扫描阵列加工。

优选地，利用光学调制模块对激光进行扩束、全息图调制，得到预设光场分布的多光束激光；所述光学调制模块为包括λ/2波片、扩束镜、衍射光学元件和傅里叶透镜，其中，激光器输出的激光经过λ/2波片入射至扩束镜；所述扩束镜输出的光束入射至衍射光学元件，所述衍射光学元件输出的多光束激光经过傅里叶透镜的入射至激光放大模块。

优选地，利用激光放大模块对多光束激光进行能量放大，得到高功率的多光束激光；所述激光放大模块包括第一偏振分束镜、激光放大单元和泵浦源，其中，光学调制模块输出的多光束激光经过第一偏振分束镜入射至激光放大单元；激光放大单元输出的多光束激光入射至扫描振镜；同时，所述泵浦源输出的激光入射至激光放大单元。

优选地，激光放大单元包括增益介质、λ/4波片和第二反射镜，其中，所述第一偏振分束镜输出的多光束入射至增益介质；增益介质输出的多光束入射至λ/4波片；λ/4波片输出的激光入射至第二反射镜；第二反射镜输出的激光依次经过λ/4波片和增益介质反射至第一偏振分束镜；所述泵浦源输出的激光入射至所述增益介质。

优选地，激光放大单元包括光参量放大器、λ/4波片和第二偏振分束镜，其中，所述第一偏振分束镜输出的多光束入射至光参量放大器；所述光参量放大器输出的多光束入射至λ/4波片，λ/4波片输出的激光入射至第二偏振分束镜；第二偏振分束镜输出的激光依次经过λ/4波片和光参量放大器反射至第一偏振分束镜；所述泵浦源输出的激光入射至第二偏振分束镜。

一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工系统，包括激光器、光学调制模块、激光放大模块和扫描振镜，其中，激光器用于产生激光并入射至光束调制模块上；所述光束调制模块用于对接收到的激光进行调制产生预设光场分布的多光束激光；并将得到的多光束激光入射至激光放大模块；所述激光放大模块用于对接收到的多光束激光进行能量放大，得到高功率多光束激光入射至扫描振镜；所述扫描振镜用于控制接收到的高功率多光束激光对代加工工件进行扫描阵列加工。

优选地，所述光学调制模块为包括λ/2波片、扩束镜、衍射光学元件和傅里叶透镜，其中，激光器输出的激光经过λ/2波片入射至扩束镜；所述扩束镜输出的光束入射至衍射光学元件，所述衍射光学元件输出的多光束激光经过傅里叶透镜的入射至激光放大模块。

优选地，所述激光放大模块包括第一偏振分束镜、激光放大单元和泵浦源，其中，光学调制模块输出的多光束激光经过第一偏振分束镜入射至激光放大单元；激光放大单元输出的多光束激光入射至扫描振镜；同时，所述泵浦源输出的激光入射至激光放大单元。

优选地，激光放大单元包括光参量放大器、λ/4波片和第二偏振分束镜，其中，所述第一偏振分束镜输出的多光束入射至光参量放大器；所述光参量放大器输出的多光束入射至λ/4波片，λ/4波片输出的激光入射至第二偏振分束镜；第二偏振分束镜输出的激光依次经过λ/4波片和光参量放大器反射至第一偏振分束镜；所述泵浦源输出的激光入射至第二偏振分束镜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工系统，从激光器出射的激光入射至光学调制模块，通过衍射光学元件所加载全息图的变化，可自由调控激光光束的光场分布，由此实现目标光场分布的多光束输出；之后入射至激光放大模块，激光放大模块对整形后的光束进行功率放大，用以减少光学调制过程中激光的损耗和增强分束后的激光能量；放大后的激光入射至扫描振镜中，扫描振镜控制光束，且与运动台协同工作完成扫描加工；本发明能够针对不同的加工材料，可定制最佳光场分布的激光输入，能够很好的提高材料加工过程中的精度、质量和效率，并且可以直接聚焦一次性加工出高精度的阵列微孔，提高效率的同时，也可避免定位误差；扫描振镜可实现多光束的直接控制，能够实现多光束的同时阵列扫描，并且配合运动台进行协同运动可实现无限视窗扫描加工，拓展了激光加工的加工范围以及加工效率，实现无限幅面的阵列加工。本发明提出的基于光场调控的多光束激光放大扫描加工系统及方法，可灵活调控光束并进行功率放大，能够实现高精度、高质量、高效率、无限幅面的激光加工，具有广泛的应用前景；同时，使激光加工效率呈数量级的增长，能够更好的满足激光加工需求，在激光加工领域中具有广泛的应用意义。

本发明提供的一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工方法，将激光依次进行扩束、全息图调制、功率放大，得到高功率的多光束激光，该多光束激光能够弥补由于光束整形器件损伤阈值低、光束能量利用率低、分束能量低导致多光束激光能量低，而难以加工铜、铝等高阈值材料的影响，提升分束后激光的功率，配合扫描振镜与运动台进行协同扫描加工可实现大面积、高效率、高功率、高精度的加工效果，使激光加工效率呈数量级的增长，能够更好的满足激光加工需求，在激光加工领域中具有广泛的应用意义。

附图说明

图1是本发明实施例的系统概要图；

图2是本发明实施例1的系统结构图；

图3是本发明实施例2的系统结构图；

图4是本发明实施例3的系统结构图；

图5是本发明实施例的计算全息算法产生的全息图；

图6是计算机设定的待加工工件的图形；

其中，1、激光器，2、光学调制模块，3、激光放大模块，4、扫描振镜，5、运动台，6、计算机，8、空间光调制器，10、激光整形分束器，11、增益介质，12、泵浦源，13、λ/2波片，14、扩束镜，15、第一反射镜，16、傅里叶透镜，17、第一偏振分束镜，18、λ/4波片，19、第二射镜，20、光参量放大器，21、第二偏振分束镜，22、运动控制卡。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

请见图1，本发明提供的一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工系统，其系统基本模块包括激光器1、光学调制模块2、激光放大模块3、扫描振镜4、运动台5和计算机6，其中，激光器1用于发射激光，入射至光束调制模块2；所述光束调制模块2用于对接收到的激光进行调制，产生预设光场分布的多光束激光；多光束激光入射至激光放大模块3；所述激光放大模块3用于对接收到的多光束激光进行功率放大，由此获得高功率多光束激光输出；高功率多光束激光入射至扫描振镜4；所述扫描振镜4用于控制接收到的多光束激光，并与运动台5协同工作对待加工工件进行扫描阵列加工；计算机6分别与激光器1、光束调制模块2、激光放大模块3以及扫描振镜4连接，用于控制激光参数、激光光场分布、激光放大倍数、以及无限视窗协同扫描加工。

所述激光器1的脉宽可根据需求进行更换；可采用连续激光器、准连续激光器、纳秒激光器、皮秒激光器及飞秒激光器作为种子源，并且激光器的能量、频率可调。

所述光学调制模块2包括衍射光学元件，所述衍射光学元件为空间光调制器8、数字微镜器件或激光整形分束器10。

所述的激光放大模块3主要由激光增益介质11和泵浦源12组成，其中，激光增益介质主要为激光晶体(如Nd:YAG、Nd:YVO4、掺钛蓝宝石等固体晶体)、非线性晶体(LBO晶体或KDP晶体等)以及光纤增益介质(如Yb3+增益光纤、Nd3+增益光纤等)。

泵浦源12主要为半导体泵浦激光或闪光灯泵浦。

激光放大模块3的泵浦方式可以根据光束质量及能量需求采用端面泵浦或侧面泵浦，采用端面泵浦输出多光束高质量激光，采用侧面泵浦输出多光束高能量激光。

所述光学调制模块2包括λ/2波片13、扩束镜14、衍射光学元件和傅里叶透镜16，其中，激光器1输出的激光经过λ/2波片13入射至扩束镜14；所述扩束镜14输出的光束入射至衍射光学元件，所述衍射光学元件输出的多光束激光经过傅里叶透镜16的入射至激光放大模块3。

所述衍射光学元件为空间光调制器8、数字微镜器件或激光整形分束器10，其中，空间光调制器8和数字微镜器件上均加载有全息图；当所述衍射光学元件为空间光调制器8或数字微镜器件时，所述扩束镜14输出的光束经过第一反射镜15入射至空间光调制器8或数字微镜器件。

所述激光放大模块3包括第一偏振分束镜17、激光放大单元和泵浦源12，其中，光学调制模块2输出的多光束激光经过第一偏振分束镜17入射至激光放大单元；激光放大单元输出的多光束激光入射至扫描振镜4；同时，所述泵浦源12输出的激光入射至激光放大单元。

激光放大单元包括增益介质11、λ/4波片18和第二反射镜19，其中，所述第一偏振分束镜17输出的多光束入射至增益介质11；增益介质11输出的多光束入射至λ/4波片18；λ/4波片18输出的激光入射至第二反射镜19；第二反射镜19输出的激光依次经过λ/4波片18和增益介质11反射至第一偏振分束镜17；所述泵浦源12输出的激光入射至所述增益介质11。

激光放大单元包括光参量放大器20、λ/4波片18和第二偏振分束镜21，其中，所述第一偏振分束镜17输出的多光束入射至光参量放大器20；所述光参量放大器20输出的多光束入射至λ/4波片18，λ/4波片18输出的激光入射至第二偏振分束镜21；第二偏振分束镜21输出的激光依次经过λ/4波片18和光参量放大器20反射至第一偏振分束镜17；所述泵浦源12输出的激光入射至第二偏振分束镜21。

所述计算机6还连接有运动控制卡22，通过运动控制卡22与激光器1、扫描振镜4及运动台5连接。

本发明的加工过程：

通过计算机6控制对多光束激光的加工路径进行设置，之后传输至运动控制卡22；通过运动控制卡22控制扫描振镜4及运动台5的协作运动，实现对待加工零件的阵列扫描加工，如阵列布置的微孔、微槽、图案等。

实施例1

如图2所示，本发明提供的一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工方法，包括以下步骤：

步骤1，利用计算全息算法生成指定目标光场分布的全息图，如图5所示，并将全息图加载到空间光调制器8或数字微镜器件上；本实施例的计算全息算法、空间光调制器8或数字微镜器件由计算机6控制；

步骤1所示的计算全息算法为迭代傅里叶变换算法，如GS算法、GSW算法、ORA算法以及MRAF算法。

步骤1中加载了全息图的空间光调制器8可以调控光束的振幅、相位、偏振态；加载了全息图的数字微镜器件可以调控光束的振幅、相位。

步骤2，将激光器1发射出的激光经过λ/2波片13入射至扩束镜14中进行扩束，扩束后光束直径不大于空间光调制器8或数字微镜器件的工作面板大小；然后将扩束后的光束通过第一反射镜15以适当角度入射至空间光调制器8或数字微镜器件上，入射的激光光束经过全息图调制后能够产生预设的光场分布，通过改变加载在空间光调制器8或数字微镜器件上的全息图，可以产生其他任意的目标光场分布；

步骤3，将调制后的多光束入射至增益介质11中，第一偏振分束镜17与第二反射镜19充当谐振腔，泵浦源12用于产生粒子数反转或与激光器1出射激光实现相位匹配，λ/4波片18用于改变激光的偏振状态，多光束在偏振分束镜17与第二反射镜19中不断折返，由此产生高质量、高功率的多光束激光；

步骤4，将放大后的多光束激光输入至扫描振镜4中，计算机6控制扫描振镜4的扫描路径以及扫描振镜4与运动台5的协同控制，进而实现无限视窗扫描加工，扫描振镜4并与运动台5协同工作对待加工工件进行扫描阵列加工。

本实施例中，使用的飞秒激光器为杰普特公司生产的YDFLP-200-M7-L1-R激光器，其脉冲宽度为8-500ns，重频为1-4000kHz，中心波长为1064nm，最大单脉冲能力为1.5mJ,光场分布为高斯分布；使用的空间光调制器为瑞立柯公司的HDSLM-80R型号；使用的数字微镜器件为德州仪器公司的DLP4500NIR型号；使用的激光整形分束器为Holo/or公司的2x2激光分束器；使用的增益介质为中国电子科技集团公司第十一研究所提供的Nd:YAG晶体；使用的泵浦源为东方强光公司提供的GN300型号；使用的运动台为AEROTECH公司的三轴运动精密运动台，振镜为AEROTECH公司的AGV-HP型号；

以纳秒激光空间整形加工获得20x20分布的阵列微孔为例：

1、打开激光器，等待10分钟纳秒激光器出光稳定，将各光路元件按图2顺序置入光学平台。设定激光器的纳秒激光脉冲重复频率为100KHz，激光功率为30％，激光聚焦前束腰直径为7mm，每次加工1000个脉冲；

2、在空间光调制器上加载对应2x2平顶分布的阵列微孔相位全息图，如图5所示，入射光经过调制后分束成2x2的阵列平顶光束；

3、打开泵浦源，设定输入电流为18A，调制后的光束入射至增益介质进行放大，放大后的光束能量高于材料加工阈值；

4、经过放大后阵列光束入射至扫描振镜中，聚焦到固定在运动台上的待加工工件上，操作计算机设定加工图形，如图6所示，生成加工程序；

5、将加工程序输入至运动控制卡中，运动控制卡分别发送命令给扫描振镜和运动台，扫描振镜与运动台进行协同运动完成20x20分布的阵列微孔的加工。

实施例2

如图3所示，本发明提供的一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工方法，包括以下步骤：

步骤1，利用计算全息算法生成指定目标光场分布的全息图，如图5所示，利用全息图加工出对应的激光整形分束器10，不同的全息图可加工出不同目标光场分布的激光整形分束器10，本实施例的计算全息算法由计算机6生成；

步骤2，将激光器1发射出的激光经过λ/2波片13入射至扩束镜14中进行扩束，扩束后光束直径不大于激光整形分束器10大小，然后将扩束后的光束以适当角度入射至激光整形分束器10，入射的激光光束经过激光整形分束器10调制后能够产生预设的光场分布；

步骤3，将调制后的多光束入射至增益介质11中，第一偏振分束镜17与第二反射镜19充当谐振腔，泵浦源11用于产生粒子数反转，λ/4波片18用于改变激光的偏振状态，多光束在第一偏振分束镜17与第二反射镜19中不断折返，由此产生高质量、高功率的多光束激光。

步骤4，将放大后的多光束激光输入至扫描振镜4中，计算机6控制扫描振镜4的扫描路径以及扫描振镜4与运动台5的协同控制，进而实现无限视窗扫描加工，扫描振镜4并与运动台5协同工作对待加工工件进行扫描阵列加工。

实施例3

如图4所示，本发明提供的本发明提供的一种基于光场调控的多光束激光放大扫描加工方法，包括以下步骤：

步骤1，利用计算全息算法生成指定目标光场分布的全息图，如图5所示，并将全息图加载到空间光调制器8或数字微镜器件上；本实施例的计算全息算法、空间光调制器8或数字微镜器件由计算机6控制；

步骤2，将激光器1发射出的激光经过λ/2波片13入射至扩束镜14中进行扩束，扩束后光束直径不大于空间光调制器8或数字微镜器件的工作面板大小，然后将扩束后的光束以适当角度入射至空间光调制器8或数字微镜器件上，入射的激光光束经过全息图调制后能够产生预设的光场分布，通过改变加载在空间光调制器8或数字微镜器件上的全息图，可以实现其他的目标光场分布；

步骤3，将调制后的多光束入射至光学参量放大器20中，第一偏振分束镜17与第二偏振分束器21充当谐振腔，泵浦源12出射激光与激光器1出射激光在光学参量放大器20中产生相位匹配进行功率放大，λ/4波片18用于改变激光的偏振状态，多光束在第一偏振分束镜15与第二偏振分束器19中不断折返，由此产生高质量、高功率的多光束激光。

步骤4，将放大后的多光束激光输入至扫描振镜4中，计算机6控制扫描振镜4的扫描路径以及扫描振镜4与运动台5的协同控制，进而实现无限视窗扫描加工，扫描振镜4并与运动台5协同工作对待加工工件进行扫描阵列加工。

尽管本说明书中较多地使用了激光器1，光学调制模块2，激光放大模块3，扫描振镜4，运动台5，计算机6，空间光调制器8，激光整形分束器10，增益介质11，泵浦源12，λ/2波片13，扩束镜14，第一反射镜15，傅里叶透镜16，第一偏振分束镜17，λ/4波片18，第二反射镜19，光参量放大器20，第二偏振分束镜21，运动控制卡22，但并不排除使用其他术语地可能性，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述本发明地本质，把他们解释成任何一种附加地限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含于在本发明的保护范围之内。