CN101256276A - 一种激光光束聚焦整型抛物面镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光光束聚焦整型抛物面镜，包括镜面，所述镜面上的每一点均满足曲面方程（Ⅰ），其中，(x，y，z)为直角坐标系的一个点，f为抛物面镜的焦距，h为镜面中心与y轴间的距离，满足式（Ⅱ），或f＜h＜3f，D为抛物面镜的通光口径。本发明抛物面镜能够将原始激光束聚焦成一定大小且光强分布均匀的窄条型光斑，可广泛应用于激光切割、激光表面热处理、激光淬火等利用高能激光束进行材料加工的领域。本发明还提供制造所述激光光束聚焦整型抛物面镜的方法，该方法利用回转型高精车机床一次成型加工，制造工艺简单，可提高反射镜耐高功率激光束的能力以及散热能力，改善激光束的聚焦质量。

Description

一种激光光束聚焦整型抛物面镜

技术领域

本发明涉及激光加工及光电子应用领域，具体涉及将激光光束进行聚焦整型的光学元件。

背景技术

将原始大功率激光光束聚焦整型成能量分布均匀的窄条型光斑的光学元件，主要应用于激光切割，激光表面热处理，激光淬火及激光喷涂等需要利用高能激光束进行材料表面处理的领域。

目前在激光材料表面热处理中，往往需要对一些具有一定表面形貌的材料进行处理。由于激光束光强分布不均匀，不适合直接应用于表面热处理的要求，需要对激光光束进行聚焦整型后得到形状合适，光强分布均匀的光束，从而使材料的整个表面处理均匀。目前在激光材料表面处理中，对大功率激光束进行会聚的一种方法是采用球面或非球面(如抛物面、双曲面、椭圆面等)反射聚焦。该技术存在的主要问题是：反射聚焦镜将激光束会聚成圆形，这不利于进行激光材料表面处理的均匀。另一种方法是采用方形积分聚焦镜，将原始激光束聚焦成一定大小的光强分布均匀的矩形光斑。该技术存在的问题是：制造复杂，粘结剂受到高功率激光束的照射容易退化变质；由于粘结剂不易散热，小镜片吸收激光热量后容易变形，从而影响聚焦质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光光束聚焦整型抛物面镜，将原始激光束聚焦成一定大小且光强分布均匀的窄条型光斑。

一种激光光束聚焦整型抛物面镜，包括镜面，所述镜面上的每一点均满足曲面方程 $y=\frac{{(f-h)}^2+x^2+z^2+2(f-h)\sqrt{x^2+z^2}}{2f},$ 其中，(x，y，z)为直角坐标系的一个点，f为抛物面镜的焦距，h为镜面中心与y轴间的距离， $\frac{D}{2}<h<f$ 或f＜h＜3f，D为抛物面镜的通光口径。

一种制造上述激光光束聚焦整型抛物面镜的方法，具体为，将基体置于车床车盘上，车刀在数控系统的控制下沿抛物线 $y=\frac{{(z+f-h)}^2}{2f}$ 运动，使得基体加工面上的每一点均满足曲面方程 $y=\frac{{(f-h)}^2+x^2{+z}^2+2(f-h)\sqrt{x^2+z^2}}{2f},$ 其中，(x，y，z)为直角坐标系的一个点，y轴与车床回转轴重合，基体加工面中心与车床回转轴之间的距离h满足 $\frac{D}{2}<h<f$ 或f＜h＜3f，f为抛物面镜的焦距，D为抛物面镜的通光口径。

与现有技术相比，本发明提供的抛物面镜制造方法在加工过程中其基体中心与车床回转轴之间的距离h不再等于抛物面镜的焦距f，而是满足条件 $\frac{D}{2}<h<f$ 或f＜h＜3f，D为抛物面镜的通光口径，采用该技术方案可将原始激光束聚焦成具有一定大小的光强分布均匀的窄条型光斑，从而克服了现有技术聚焦成圆形焦斑，不利于进行激光材料表面均匀处理的缺点。通过该方法制备的抛物面镜可应用于激光切割，激光表面热处理，激光淬火及激光喷涂等利用高能激光束进行材料加工的领域，形成的窄条型光斑可促进淬火时处理厚度的均匀性；对于激光熔敷和喷涂，可提高熔敷和喷涂层的均匀性；对于玻璃切割，可改善激光能量在切割线两侧的均匀性。另外，本发明抛物面镜制造方法是利用回转型高精车机床一次成型加工，制造工艺简单，可提高反射镜耐高功率激光束的能力以及散热能力，改善激光束的聚焦质量。

附图说明

图1为现有技术标准抛物面反射聚焦镜结构示意图；

图2为本发明激光光束聚焦整型抛物面镜的加工示意图；

图3为本发明激光光束聚焦整型抛物面镜的聚焦示意图；

图4为采用本发明聚焦后回转面上的窄条焦斑分布示意图；

图5为采用本发明聚焦后回转面与焦平面间某一平面内的焦斑分布示意图；

图6为采用本发明聚焦后临近焦平面的焦斑分布示意图。

具体实施方式

现有技术中的一个标准抛物面反射聚焦镜如图1所示，入射到抛物面反射镜面上的平行光束3全部聚焦在焦点4处，镜面的抛物面方程为 $y=\frac{x^2+z^2}{2f},$ 其中，f为抛物面镜的焦距。制作标准抛物面反射镜的方法如下：将基体1置于高精密车床的车盘上，控制基体加工面中心2距离车床轴5的距离为f，车刀在数控系统的控制下沿抛物线方程 $y=\frac{z^2}{2f}$ 运动，由此所得出的反射镜即为标准抛物面反射镜。

上述标准抛物面反射镜将所有入射平行光3汇聚在焦点4处。而实际应用时我们往往需要将入射平行光聚焦成一条线而非一个点，本发明正是基于这样的一个目的提出来的。

图2为本发明激光光束聚焦整型抛物面镜的加工示意图，本发明在图1所示标准抛物面反射聚焦镜的基础上，将基体1置于高精密车床的车盘上，基体加工面中心2与车床回转轴5之间距离h，h满足条件 $\frac{D}{2}<h<f$ 或f＜h＜3f，f为抛物面镜的焦距，D为镜面的通光口径。车刀在数控系统的控制下沿抛物线方程 $y=\frac{{(z+f-h)}^2}{2f}$ 运动，得到新的反射曲面方程为： $y=\frac{{(f-h)}^2+x^2+z^2+2(f-h)\sqrt{x^2+z^2}}{2f},$ (x，y，z)为直角坐标系的一个点。经过此反射镜反射聚焦后，将在回转面上形成窄条激光光斑6，如图3所示。窄条6内，激光能量分布均匀。该抛物面镜的焦距f以及反射镜基体中心2距离车床回转轴5之间的距离h具体由待处理材料的尺寸所决定，待处理的材料尺寸越大，反射镜基体中心距离车床回转轴5之间的距离h越小。

下面给出一个具体实施例。本实施例设定抛物面镜的焦距f＝210mm，加工过程中使基体中心2与回转轴5相距h＝150mm。这样经过反射聚焦后，在回转面上形成窄条激光光斑如图4所示，其窄条聚焦光斑长度约为L＝8mm。由图4至图6可以看到，经过该反射镜反射聚焦后，可以通过选取回转面至焦平面间的不同平面，来获取不同形状、不同尺度的光斑，以满足激光加工的不同需要。经使用表明，本实施例达到了预期的效果。

Claims (2)

1、一种激光光束聚焦整型抛物面镜，包括镜面，其特征在于，所述镜面上的每一点均满足曲面方程 $y=\frac{{(f-h)}^2+x^2+z^2+2(f-h)\sqrt{x^2+z^2}}{2f},$ 其中，(x，y，z)为直角坐标系的一个点，f为抛物面镜的焦距，h为镜面中心与y轴间的距离， $\frac{D}{2}<h<f$ 或f＜h＜3f，D为抛物面镜的通光口径。

2、一种制造权利要求1所述激光光束聚焦整型抛物面镜的方法，具体为，将基体置于车床车盘上，车刀在数控系统的控制下沿抛物线 $y=\frac{{(z+f-h)}^2}{2f}$ 运动，使得基体加工面上的每一点均满足曲面方程 $y=\frac{{(f-h)}^2+x^2+z^2+2(f-h)\sqrt{x^2+z^2}}{2f},$ 其中，(x，y，z)为直角坐标系的一个点，y轴与车床回转轴重合，基体加工面中心与车床回转轴之间的距离h满足 $\frac{D}{2}<h<f$ 或f＜h＜3f，f为抛物面镜的焦距，D为抛物面镜的通光口径。

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