激光打孔系统中多棱镜扫描非球面聚焦系统的研究

摘要

当今打孔行业对孔的形状和尺寸要求越来越高，而打出规则的小尺寸圆孔又比较困难，传统的微孔加工工艺越来越难以满足厂家加工的特殊要求。激光打孔机可由计算机进行操作控制，通过光机电一体化实现自动化打孔，目前国内外已经有很多种打孔机。但是激光束一般是光强非均匀分布的高斯光束，能量不均匀会引起加工工件局部受热不均从而影响激光与物质的相互作用，这个特性限制了激光的广泛应用。因此需要对光束进行整形来拓展激光打孔技术的应用领域，提高光束质量进一步提高激光的应用水平。
　　为了提高激光打孔生产质量，本文提出了一种多棱镜旋转扫描非球面透镜聚焦在线打孔方案。分析了激光加工的原理和激光打孔过程，根据激光与物质相瓦作用机理设计激光打孔的系统方案;研究光束的传输特性和非球面面型参数的求解方法，设计适合打孔系统用的光束整形的透镜。根据整体方案对光学系统的光路进行模拟设计，针对模拟结果进行分析比较球面镜和非球面镜的聚焦光斑，并分析激光各参数对打孔质量的影响。
　　研究结果表明:激光打孔加工工艺中，激光器、聚焦透镜的选择都对孔的质量有直接的影响。轴外像差和扫描速度失真会引起聚焦光斑的线性畸变，非球面镜可以通过改变镜面参数避免激光在透镜介质中产生脉冲展宽、波前畸变的情况。通过实验验证和理论分析，所选取单片非球面聚焦透镜对光束有较好的聚焦整形作用，在扫描系统中线性误差可控制在0.5％内，有效降低了扫描系统内的线性畸变，提高了聚焦光斑的质量，打孔大小形状满足生产要求。孔的尺寸随着脉冲能量的增加而增加;孔的深度随着脉冲数量的增加而增加;随着脉宽的增大，激光能量密度减小，孔的深度和直径减小;在离焦量为负值的情况下得到的孔径较大，当离焦量为正值的情况下得到的孔径较小。该研究能提高生产质量和效率，作为一种先进的技术，多棱镜扫描非球面聚焦激光打孔系统为工业生产提供了技术保障。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 激光打孔的优点

1．2 激光打孔技术得发展及现状

1．2．1 激光打孔技术国内外发展现状

1．2．2 激光打孔应用现状

1．3 激光冲击技术的发展

1．4 激光光束整形的发展和分类

1．5 本论文研究的内容

第二章 激光加工和光束整形原理分析

2．1 激光加工的原理及打孔的物理过程

2．1．1 激光加工原理分析

2．1．2 激光打孔工艺的过程

2．2 光束整形原理及求解方法

2．2．1 B．R．Frieden的求解方法

2．2．2 J．L．Kruezer的求解方法

2．3 光束的传输特性

2．3．1 Kirchhoff衍射积分

2．3．2 矩阵光学及ABCD定律

2．3．3 柯林(Collins)公式

2．4 本章小结

第三章 激光打孔系统设计

3．1 激光打孔的整体方案

3．2 激光打孔的光路设计

3．2．1 光学分光

3．2．2 透镜前扫描

3．2．3 透镜的设计

3．2．4 光斑大小的计算

3．3 光学系统的物理建模与仿真

3．3．1 建立光学系统的物理模型

3．3．2 光学系统的仿真模拟

3．4 激光打孔实验设备

3．4．1 激光打孔加工用激光器

3．4．2 激光打孔的机械系统

3．4．3 激光打孔的冷却系统

3．5 本章小结

第四章 激光打孔结果及分析

4．1 球面镜和非球面镜聚焦光斑的形状对比

4．2 球面镜和非球面镜聚焦光斑的光强对比

4．3 激光器的部分参数对打孔质量的影响

4．3．1 激光器种类和脉冲能量密度对打孔质量的影响

4．3．2 激光器脉冲数量对打孔质量的影响

4．3．3 激光打孔中离焦量对打孔质量的影响

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文和专利