高功率雷射束展寬裝置及方法

2023-10-07 03:39:24

專利名稱：高功率雷射束展寬裝置及方法
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髙能量密度的雷射聚焦點，將該 具有髙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，以實現髙度柔性的雷射加工。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)內對髙功率雷射束進行展寬，並且展寬寬度連續可控的高功 率雷射束展寬裝置及方法。
本發明的技術方案是本發明首先提供一種高功率雷射束展寬裝置，它包括連續雷射器、扇形反射聚焦鏡、多稜鏡及驅動多稜鏡旋轉的髙速電機； 所述多稜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 在多稜鏡上的反射點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。
本發明中所述多稜鏡可以是柱面體稜鏡，當然也可以是錐面體稜鏡。 本發明中所述多稜鏡為的面數N=8 60,且其每個反射面均為全反射面。
本發明中所述多稜鏡由紫銅製成，且其反射面上優選鍍有一層金膜，以 進一步提高光反射率並防止表面氧化。
本發明所述的髙功率雷射束展寬裝置還包括製冷循環系統，所述多稜鏡 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，從而將多稜鏡上的熱量帶走，以防止 多稜鏡過熱損壞。
本發明另一方面提供一種採用上述高功率雷射束展寬裝置對髙功率激 光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 多稜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。
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
4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， 從而實現對雷射束的可變展寬，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為本發明高功率雷射束展寬裝置結構示意圖； 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為本發明中多稜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、多稜鏡；4、髙速電機； 5、製冷循環系統；6、掃描光束；7、工件；8、弧形掃描聚焦光帶。
具體實施例方式
實施例首先如圖1所示，本實施例提供的高功率雷射束展寬裝置主要 由連續雷射器l、扇形反射聚焦鏡2、多稜鏡3、髙速電機4和製冷循環系統 5組成。所述多稜鏡3的一側與高速電機4的轉軸相連，其轉速具體由PLC 控制，最高轉速可達2000轉/分。所述多稜鏡3中開有冷卻通道，該冷卻通 道與所述製冷循環系統5相連。所述多稜鏡3與扇形反射聚焦鏡2相對放置， 並且使得所述連續雷射器1發出的雷射束在多稜鏡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1輸出的連續雷射束，直射到多稜鏡3上， 再經該多稜鏡3反射到像場中的D點；當該多稜鏡3在髙速電機4驅動下， 以恆定的角速度勻速旋轉時，反射光線將以二倍角速度勻速旋轉，以實現反 射光線自左向右(或自右向左)的掃描，即像場中光點D到光點D'方向的 掃描，從而形成具有一定掃描角度(x的扇形區域內的連續掃描光束6。且本 實施例中多稜鏡3具體採用柱面體稜鏡，其材料為紫銅，可以承受高功率激 光照射，且為進一步提高光反射率並防止表面氧化，多稜鏡3的反射面上鍍 有一層金膜。並且在雷射束持續照射多稜鏡3過程中，通過製冷循環系統5 將冷卻水輸送並通過多稜鏡3內的冷卻通道，從而將多稜鏡3上的熱量帶走， 以防止多稜鏡3過熱損壞。
結合圖1所示，本發明使用上述髙功率雷射束展寬裝置進行展寬的方法 如下首先使連續雷射器1輸出的連續雷射束經過多稜鏡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6，該掃描光束6經過扇形反 射聚焦鏡2聚焦後，在待處理工件7表面形成具有一定弧長的連續弧形掃描 聚焦光帶8，配合待處理工件7沿垂直於掃描方向的相對運動，完成對待處 理工件7表面的熱處理。
弧形掃描聚焦光帶8的弧長與扇形反射聚焦鏡2的焦距f和扇形中心角 e,以及扇形掃描光束6的掃描角度a均有關。掃描光束6的最大掃描角度 也即扇形反射聚焦鏡2的扇形中心角e,而在實際情況中多稜鏡3的掃描角 度a為720° /N (其中N為多稜鏡的面數)，因此在扇形反射聚焦鏡2不改 變的情況下，本發明要改變掃描寬度(即弧形掃描聚焦光帶的長度)必須通 過改變多稜鏡3的面數N來實現。因此本發明的展寬方法中，多稜鏡3的面 數是一個重要參數，它決定掃描頻率和掃描寬度。以代入具體的數據為例 本實施例採用的多稜鏡3面數N為12,扇形反射聚焦鏡2的焦距f=120mm。
6這樣經過反射聚焦後，在工件7表面形成弧長為200mm的弧形掃描聚焦光帶8。經使用表明，本實施例達到了預期的結果。
權利要求
1.一種高功率雷射束展寬裝置，包括連續雷射器(1)、扇形反射聚焦鏡(2)、多稜鏡(3)及驅動多稜鏡(3)旋轉的高速電機(4)；其特徵在於所述多稜鏡(3)與扇形反射聚焦鏡(2)相對放置，並且所述連續雷射器(1)發出的雷射束在多稜鏡(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--Vy2+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所述的髙功率雷射束展寬裝置，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展寬裝置，其特徵在於所述多 稜鏡(3)為柱面體稜鏡或者錐面體稜鏡。
5. 根據權利要求1所述的高功率雷射束展寬裝置，其特徵在於所述多 稜鏡(3)的面數為N-8 60，且其每個反射面均為全反射面。
6. 根據權利要求1或5所述的高功率雷射束展寬裝置，其特徵在於所 述多稜鏡(3)的材料為紫銅，而其反射面上鍍有一層金膜。
7. 根據權利要求1所述的高功率雷射束展寬裝置，其特徵在於還包括 製冷循環系統(5),所述多稜鏡(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。
8. —種採用權利要求1所述髙功率雷射束展寬裝置對髙功率雷射束進 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高速 旋轉的多稜鏡(3)反射後形成具有一定掃描角度oi的扇形區域內的連續掃 描光束(6)，該掃描光束(6)經過扇形反射聚焦鏡(2)反射聚焦後，在被 處理工件(7)表面形成連續的弧形掃描聚焦光帶(8),對工件(7)進行激 光表面熱處理。
全文摘要
本發明公開了一種高功率雷射束展寬裝置及方法，所述裝置包括連續雷射器、扇形反射聚焦鏡、多稜鏡及驅動多稜鏡旋轉的高速電機；所述多稜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多稜鏡上的反射點C與所述扇形反射聚焦鏡的迴轉中心O同心。所述方法為使雷射器輸出的連續雷射束經過高速旋轉的多稜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。相比現有技術，本發明能夠實現寬範圍內(20～500mm)高功率雷射束的可控展寬，且加工效率和雷射能量利用效率更高。
文檔編號G02B27/09GK101666912SQ20091018615
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