高功率雷射束的展寬裝置及方法

2023-10-07 03:40:19

專利名稱：高功率雷射束的展寬裝置及方法
技術領域：
本發明涉及雷射加工及光電子應用領域，特別涉及一種高功率雷射束的 展寬裝置及方法。
背景技術：
將原始大功率雷射光束聚焦後可以形成高能量密度的雷射聚焦點，將該 具有高能量密度的聚焦點作用於金屬材料表面，可以對金屬材料表面進行處 理，如金屬表面的熔敷、熱處理等，使其金屬表面形成一種特殊的表面層， 以增強金屬材料表面的耐磨性、抗腐蝕性、抗疲勞性、耐熱性及抗蠕變性等 特徵。採用雷射進行材料表面熱處理的優點主要包括處理速度快、被處理 件的熱變形區小、可實現選擇性地局部處理、加工柔性好，適用面廣、可處 理不規則形狀部件及難以到達的區域。採用雷射進行熱處理的部件如活塞 環槽、計量器滑塊、氣缸套、齒輪、汽輪機葉片、照相機快門、油泵氣缸、 內燃機閥和軸承等。
利用雷射進行材料表面熱處理時，往往要求雷射束的寬度與被處理工件 匹配，這樣可以避免熱處理時出現熱處理帶之間的搭接，實現熱處理厚度的 均勻性。通過經特殊設計的導光裝置，可以方便地實現對雷射束傳輸方向的 控制，以實現高度柔性的雷射加工。利用雷射束的這一特性，可以實現雷射 束的寬帶掃描。例如專利"一種雷射寬帶掃描轉鏡"(專利號ZL02245662.7) 描述了一種利用雷射轉鏡將雷射束展寬成一定寬度的帶狀光束的裝置。與普 通雷射束處理相比，寬帶掃描可使溫度分布更均勻，因此熱處理引起的變形 更小，下一道對前一道熱影響的百分比也減小。該裝置已被應用於雷射寬帶 熱處理和熔敷，證明是一種有效的方法。但這種裝置的雷射束掃描寬度受到 其複雜光路設計的限制，只能在有限的範圍內實現雷射束的展寬，例如目前 可調節的雷射掃描寬度僅為20 — 40mm。

發明內容
本發明目的是針對現有技術的不足和缺陷，提供一種能夠在更寬的範圍 (20 500mm)內對高功率雷射束進行展寬，並且展寬寬度連續可控的髙功 率雷射束的展寬裝置及方法。
本發明的技術方案是本發明首先提供一種髙功率雷射束的展寬裝置，
3它包括連續雷射器、扇形反射聚焦鏡、偏轉式振鏡、髙速電機和計算機；其 特徵在於所述偏轉式振鏡的一側與高速電機的轉軸相連，而髙速電機則與計 算機相連；偏轉式振鏡與扇形反射聚焦鏡相對放置，並且所述連續雷射器發 出的雷射束在偏轉式振鏡上的反射點C與所述扇形反射聚焦鏡的迴轉中心 O同心。
本發明中對所述扇形反射聚焦鏡的形狀進一步限定如下 該扇形反射聚焦鏡的反射面弧線AB上的任意點在平面直角坐標系中滿
足下述公式
-y + 5f/2 = x2/2f ，而扇形反射聚焦鏡反射面上的任意點在空間直角坐 標系中滿足下述公式
-Vy2+z2+5f/2 = X2/2f,其中f為扇形反射聚焦鏡的焦距。 本發明中所述f的取值為50 500 mm。
本發明中所述偏轉式振鏡由紫銅製成，且其反射面上優選鍍有一層金 膜，以進一步提髙光反射率並防止表面氧化。
本發明所述的高功率雷射束的展寬裝置還包括製冷循環系統，所述偏轉 式振鏡中開有冷卻通道，所述冷卻通道與所述製冷循環系統相連。通過製冷 循環系統將冷卻水輸送並通過所述冷卻通道，從而將偏轉式振鏡上的熱量帶 走，以防止偏轉式振鏡過熱損壞。
本發明另一方面提供一種採用上述高功率雷射束的展寬裝置對高功率 雷射束進行展寬的方法如下使連續雷射器輸出的連續雷射束經過高速旋轉 的偏轉式振鏡反射後形成具有一定掃描角度a的扇形區域內的連續掃描光 束，該掃描光束經過扇形反射聚焦鏡反射聚焦後，在被處理工件表面形成連 續的弧形掃描聚焦光帶，對工件進行雷射表面熱處理。
上述展寬方法通過計算機控制偏轉式振鏡的偏轉角P大小，進而改變扇 形區域內連續掃描光束的掃面角度《大小，就能夠實現對於雷射掃描寬度的 連續可控。
本發明中，通過在計算機內預設參數便能夠達到對於偏轉式振鏡偏轉角 P的控制，當然具體的參數設置及相關控制技術均為本領域技術人員所熟知 的技術。本發明的優點是
本發明與現有技術相比，主要具有以下優點
(1) 可以在寬範圍內(20 500mm)實現對高功率雷射束進行展寬， 且光束展寬的寬度可任意設定。
(2) 採用的扇形反射聚焦鏡，將扇形區域內的連續掃描光束聚焦成一 弧形掃描聚焦光帶，可使雷射表面熱處理的效果更加均勻。
(3) 通過調整掃描角度a就可以獲得不同弧長的弧形掃描聚焦光帶， 從而實現對髙功率雷射束的連續可變展寬，因此可使裝置結構簡單、工作穩 定。
總之，本發明可以實現寬範圍內(20 500mm)髙功率雷射束的可控展 寬，並且所提供的裝置與現有裝置相比，結構更加簡單、工作更加穩定、加 工效率高和雷射能量利用效率高，尤其是克服了現有技術需要通過更換光學 器件來改變光束展寬寬度的不足。


下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述-
圖1為本發明髙功率雷射束的展寬裝置結構示意圖2為本發明中扇形反射聚焦鏡主視圖3為本發明中扇形反射聚焦鏡的中心剖面(即E — E剖面)結構示意圖 (處於空間直角坐標系中)；
圖4為本發明中偏轉式振鏡實現光束掃描的原理示意圖。
其中1、連續雷射器；2、扇形反射聚焦鏡；3、偏轉式振鏡；4、髙速 電機；5、計算機；6、製冷循環系統；7、掃描光束；8、工件；9、弧形掃 描聚焦光帶。
具體實施例方式
實施例首先如圖l所示，本實施例提供的髙功率雷射束的展寬裝置主 要由連續雷射器l、扇形反射聚焦鏡2、偏轉式振鏡3、髙速電機4、計算機 5和製冷循環系統6組成。所述偏轉式振鏡3的一側與髙速電機4的轉軸相 連，而髙速電機4與計算機5相連，通過在計算機5內預設參數便能夠達到 對於偏轉式振鏡3偏轉角P的控制。所述偏轉式振鏡3中開有冷卻通道，該 冷卻通道與所述製冷循環系統6相連。所述偏轉式振鏡3與扇形反射聚焦鏡
52相對放置，並且使得連續雷射器1發出的雷射束在偏轉式振鏡3上的反射 點C與所述扇形反射聚焦鏡2的迴轉中心O同心。
本實施例所述高功率雷射束的展寬裝置的核心為所述扇形反射聚焦鏡 2，進一步結合圖2、圖3所示，該扇形反射聚焦鏡2主視圖輪廓呈扇形，而 前述迴轉中心O也即扇形所在圓的圓心(具體如圖2所示)。並且該扇形反 射聚焦鏡2的扇形中心角為e，反射面為拋物面，該拋物面反映到扇形反射 聚焦鏡2的中心剖面(也即E — E剖面)上便是一條弧線AB。具體如圖3 所示，假設以x軸作為迴轉軸，那麼與扇形反射聚焦鏡2的反射面成45°角 入射的平行光束經反射後聚集在焦點F,該焦點F位於y軸上，且距迴轉軸 (x軸)長度為2f， f為焦距，而反射面的中心點O，距離迴轉軸(x軸)的 距離也為2f，那麼所述扇形反射聚焦鏡2的反射面弧線AB採用非標準拋物
線方程表示如下-y + 5f/2 = x2/2f 。而所述扇形反射聚焦鏡2反射面上的
每一點在空間直角坐標系中均滿足方程-vV2+z2+5f/2-x2/2f。
如圖4所示，將連續雷射器l輸出的連續雷射束，直射到偏轉式振鏡3 上，再經該偏轉式振鏡3反射到像場中的D點；當該偏轉式振鏡3在高速電 機4驅動下，以一定的偏轉角P往復勻角速度偏轉時，反射光線將以二倍角 速度勻速往復旋轉，以實現反射光線的往復掃描，即像場中光點D到光點D' 間的往復掃描，從而形成具有一定掃描角度a的扇形區域內的連續掃描光束 7。本實施例中偏轉式振鏡3材料為紫銅，可以承受髙功率雷射照射，且為 進一步提高光反射率並防止表面氧化，偏轉式振鏡3的反射面上可以鍍有一 層金膜。並且在雷射束持續照射偏轉式振鏡3的過程中，通過製冷循環系統 5將冷卻水輸送並通過偏轉式振鏡3內的冷卻通道，從而將偏轉式振鏡3上 的熱量帶走，以防止偏轉式振鏡3過熱損壞。
結合圖1所示，本發明使用上述高功率雷射束的展寬裝置迸行展寬的方 法如下首先使連續雷射器1輸出的連續雷射束經過偏轉式振鏡3反射後形 成具有一定掃描角度a的扇形區域內的連續掃描光束7，該掃描光束7經過 扇形反射聚焦鏡2聚焦後，在待處理工件8表面形成具有一定弧長的連續弧 形掃描聚焦光帶9，配合待處理工件8沿垂直於掃描方向的相對運動，完成 對待處理工件8表面的熱處理。所述弧形掃描聚焦光帶9的弧長與扇形反射聚焦鏡2的焦距f和扇形中 心角為e，以及扇形掃描光束7的掃描角度a均有關。當所述扇形反射聚焦 鏡2參數不變時，所述弧形掃描聚焦光帶9的弧長只與掃描光束7的掃描角 度a有關，而本發明中通過對偏轉式振鏡3的偏轉角P加以控制，就可以獲 得掃描角度a連續可變的扇形掃描光束7，使得弧形掃描聚焦光帶9的弧長 不斷改變，從而實現對於髙功率雷射束的連續可控展寬。
權利要求
1.一種高功率雷射束的展寬裝置，包括連續雷射器(1)、扇形反射聚焦鏡(2)、偏轉式振鏡(3)、高速電機(4)和計算機(5)；其特徵在於所述偏轉式振鏡(3)的一側與高速電機(4)的轉軸相連，而高速電機(4)則與計算機(5)相連；偏轉式振鏡(3)與扇形反射聚焦鏡(2)相對放置，並且所述連續雷射器(1)發出的雷射束在偏轉式振鏡(3)上的反射點C與所述扇形反射聚焦鏡(2)的迴轉中心O同心。
2. 根據權利要求1所述的髙功率雷射束的展寬裝置，其特徵在於所述 扇形反射聚焦鏡(2)的反射面弧線AB上的任意點在平面直角坐標系中滿 足下述公式-y + 5f/2 = x2/2f ，而扇形反射聚焦鏡(2)反射面上的任意點在空間直 角坐標系中滿足下述公式-^y2+z2+5f/2 = x2/2f,其中f為扇形反射聚焦鏡(2)的焦距。
3. 根據權利要求2所述的高功率雷射束的展寬裝置，其特徵在於所述 f=50~500 mm。
4. 根據權利要求1所述的髙功率雷射束的展寬裝置，其特徵在於所述 偏轉式振鏡(3)的材料為紫銅，而其反射面上鍍有一層金膜。
5. 根據權利要求1所述的高功率雷射束的展寬裝置，其特徵在於還包 括製冷循環系統(5)，所述偏轉式振鏡(3)中開有冷卻通道，所述冷卻通 道與所述製冷循環系統(5)相連。
6. —種採用權利要求1所述髙功率雷射束的展寬裝置對高功率雷射束 進行展寬的方法，其特徵在於使連續雷射器(1)輸出的連續雷射束經過髙 速旋轉的偏轉式振鏡(3)反射後形成具有一定掃描角度(x的扇形區域內的 連續掃描光束(7),該掃描光束(7)經過扇形反射聚焦鏡(2)反射聚焦後， 在被處理工件(8)表面形成連續的弧形掃描聚焦光帶(9)，對工件(8)進 行雷射表面熱處理。
7. 根據權利要求6所述的採用權利要求1所述髙功率雷射束的展寬裝 置對高功率雷射束進行展寬的方法，其特徵在於通過計算機(5)控制偏轉 式振鏡(3)的偏轉角P大小，進而改變扇形區域內連續掃描光束的掃面角 度ct大小，以實現對雷射掃描寬度的連續可控。
全文摘要
本發明公開了一種高功率雷射束的展寬裝置及方法，所述裝置包括連續雷射器、扇形反射聚焦鏡、偏轉式振鏡、高速電機和計算機；所述偏轉式振鏡的一側與高速電機的轉軸相連，而高速電機則與計算機相連；偏轉式振鏡與扇形反射聚焦鏡相對放置，並且連續雷射器發出的雷射束在偏轉式振鏡上的反射點C與扇形反射聚焦鏡的迴轉中心O同心。所述方法為使連續雷射器輸出的連續雷射束經過高速旋轉的偏轉式振鏡反射後形成具有一定掃描角度α的扇形區域內的連續掃描光束，該掃描光束經扇形反射聚焦鏡反射聚焦後，在被處理工件表面形成連續的弧形掃描聚焦光帶。相比現有技術，本發明能在更寬的範圍(20～500mm)內對高功率雷射束展寬，且展寬寬度連續可控。
文檔編號G02B27/09GK101666911SQ20091018615
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者孫長東, 杜建偉, 曦 羅, 陳培鋒 申請人:蘇州市博海雷射科技有限公司