CN101666912A - 高功率激光束展宽装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率激光束展宽装置及方法，所述装置包括连续激光器、扇形反射聚焦镜、多棱镜及驱动多棱镜旋转的高速电机；所述多棱镜与扇形反射聚焦镜相对放置，并且所述连续激光器发出的激光束在多棱镜上的反射点C与所述扇形反射聚焦镜的回转中心O同心。所述方法为使激光器输出的连续激光束经过高速旋转的多棱镜反射后形成具有一定扫描角度α的扇形区域内的连续扫描光束，该扫描光束经过扇形反射聚焦镜反射聚焦后，在被处理工件表面形成连续的弧形扫描聚焦光带，对工件进行激光表面热处理。相比现有技术，本发明能够实现宽范围内(20～500mm)高功率激光束的可控展宽，且加工效率和激光能量利用效率更高。

Description

高功率激光束展宽装置及方法

技术领域

本发明涉及激光加工及光电子应用领域，特别涉及一种高功率激光束展宽装置及方法。

背景技术

将原始大功率激光光束聚焦后可以形成高能量密度的激光聚焦点，将该具有高能量密度的聚焦点作用于金属材料表面，可以对金属材料表面进行处理，如：金属表面的熔敷、热处理等，使其金属表面形成一种特殊的表面层，以增强金属材料表面的耐磨性、抗腐蚀性、抗疲劳性、耐热性及抗蠕变性等特征。采用激光进行材料表面热处理的优点主要包括：处理速度快、被处理件的热变形区小、可实现选择性地局部处理、加工柔性好，适用面广、可处理不规则形状部件及难以到达的区域。采用激光进行热处理的部件如：活塞环槽、计量器滑块、气缸套、齿轮、汽轮机叶片、照相机快门、油泵气缸、内燃机阀和轴承等。

利用激光进行材料表面热处理时，往往要求激光束的宽度与被处理工件匹配，这样可以避免热处理时出现热处理带之间的搭接，实现热处理厚度的均匀性。通过经特殊设计的导光装置，可以方便地实现对激光束传输方向的控制，以实现高度柔性的激光加工。利用激光束的这一特性，可以实现激光束的宽带扫描。例如专利“一种激光宽带扫描转镜”(专利号ZL02245662.7)描述了一种利用激光转镜将激光束展宽成一定宽度的带状光束的装置。与普通激光束处理相比，宽带扫描可使温度分布更均匀，因此热处理引起的变形更小，下一道对前一道热影响的百分比也减小。该装置已被应用于激光宽带热处理和熔敷，证明是一种有效的方法。但这种装置的激光束扫描宽度受到其复杂光路设计的限制，只能在有限的范围内实现激光束的展宽，例如目前可调节的激光扫描宽度仅为20-40mm。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足和缺陷，提供一种能够在更宽的范围(20～500mm)内对高功率激光束进行展宽，并且展宽宽度连续可控的高功率激光束展宽装置及方法。

本发明的技术方案是：本发明首先提供一种高功率激光束展宽装置，它包括连续激光器、扇形反射聚焦镜、多棱镜及驱动多棱镜旋转的高速电机；所述多棱镜与扇形反射聚焦镜相对放置，并且所述连续激光器发出的激光束在多棱镜上的反射点C与所述扇形反射聚焦镜的回转中心O同心。

本发明中对所述扇形反射聚焦镜的形状进一步限定如下：

该扇形反射聚焦镜的反射面弧线AB上的任意点在平面直角坐标系中满足下述公式：

-y+5f/2＝x²/2f，而扇形反射聚焦镜反射面上的任意点在空间直角坐标系中满足下述公式：

$-\sqrt{y^2+z^2}+5f/2=x^2/2f,$ 其中f为扇形反射聚焦镜的焦距。

本发明中所述f的取值为50～500mm。

本发明中所述多棱镜可以是柱面体棱镜，当然也可以是锥面体棱镜。

本发明中所述多棱镜为的面数N＝8～60，且其每个反射面均为全反射面。

本发明中所述多棱镜由紫铜制成，且其反射面上优选镀有一层金膜，以进一步提高光反射率并防止表面氧化。

本发明所述的高功率激光束展宽装置还包括制冷循环系统，所述多棱镜中开有冷却通道，所述冷却通道与所述制冷循环系统相连。通过制冷循环系统将冷却水输送并通过所述冷却通道，从而将多棱镜上的热量带走，以防止多棱镜过热损坏。

本发明另一方面提供一种采用上述高功率激光束展宽装置对高功率激光束进行展宽的方法如下：使连续激光器输出的连续激光束经过高速旋转的多棱镜反射后形成具有一定扫描角度α的扇形区域内的连续扫描光束，该扫描光束经过扇形反射聚焦镜反射聚焦后，在被处理工件表面形成连续的弧形扫描聚焦光带，对工件进行激光表面热处理。

本发明的优点是：

本发明与现有技术相比，主要具有以下优点：

(1)可以在宽范围内(20～500mm)实现对高功率激光束进行展宽，且光束展宽的宽度可任意设定。

(2)采用的扇形反射聚焦镜，将扇形区域内的连续扫描光束聚焦成一弧形扫描聚焦光带，可使激光表面热处理的效果更加均匀。

(3)通过调整扫描角度α就可以获得不同弧长的弧形扫描聚焦光带，从而实现对激光束的可变展宽，因此可使装置结构简单、工作稳定。

总之，本发明可以实现宽范围内(20～500mm)高功率激光束的可控展宽，并且所提供的装置与现有装置相比，结构更加简单、工作更加稳定、加工效率高和激光能量利用效率高，尤其是克服了现有技术需要通过更换光学器件来改变光束展宽宽度的不足。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明高功率激光束展宽装置结构示意图；

图2为本发明中扇形反射聚焦镜主视图；

图3为本发明中扇形反射聚焦镜的中心剖面(即E-E剖面)结构示意图(处于空间直角坐标系中)；

图4为本发明中多棱镜实现光束扫描的原理示意图。

其中：1、连续激光器；2、扇形反射聚焦镜；3、多棱镜；4、高速电机；5、制冷循环系统；6、扫描光束；7、工件；8、弧形扫描聚焦光带。

具体实施方式

实施例：首先如图1所示，本实施例提供的高功率激光束展宽装置主要由连续激光器1、扇形反射聚焦镜2、多棱镜3、高速电机4和制冷循环系统5组成。所述多棱镜3的一侧与高速电机4的转轴相连，其转速具体由PLC控制，最高转速可达2000转/分。所述多棱镜3中开有冷却通道，该冷却通道与所述制冷循环系统5相连。所述多棱镜3与扇形反射聚焦镜2相对放置，并且使得所述连续激光器1发出的激光束在多棱镜3上的反射点C与所述扇形反射聚焦镜2的回转中心O同心。

本实施例所述高功率激光束展宽装置的核心为所述扇形反射聚焦镜2，进一步结合图2、图3所示，该扇形反射聚焦镜2主视图轮廓呈扇形，而前述回转中心O也即扇形所在圆的圆心(具体如图2所示)。并且该扇形反射聚焦镜2的扇形中心角为θ，反射面为抛物面，该抛物面反映到扇形反射聚焦镜2的中心剖面(也即E-E剖面)上便是一条弧线AB。具体如图3所示，假设以x轴作为回转轴，那么与扇形反射聚焦镜2的反射面成45°角入射的平行光束经反射后聚集在焦点F，该焦点F位于y轴上，且距回转轴(x轴)长度为2f，f为焦距，而反射面的中心点O’距离回转轴(x轴)的距离也为2f，那么所述扇形反射聚焦镜2的反射面弧线AB采用非标准抛物线方程表示如下：-y+5f/2＝x²/2f。而所述扇形反射聚焦镜2反射面上的每一点在空间直角坐标系中均满足方程： $-\sqrt{y^2+z^2}+5f/2=x^2/2f.$

如图4所示，将连续激光器1输出的连续激光束，直射到多棱镜3上，再经该多棱镜3反射到像场中的D点；当该多棱镜3在高速电机4驱动下，以恒定的角速度匀速旋转时，反射光线将以二倍角速度匀速旋转，以实现反射光线自左向右(或自右向左)的扫描，即像场中光点D到光点D’方向的扫描，从而形成具有一定扫描角度α的扇形区域内的连续扫描光束6。且本实施例中多棱镜3具体采用柱面体棱镜，其材料为紫铜，可以承受高功率激光照射，且为进一步提高光反射率并防止表面氧化，多棱镜3的反射面上镀有一层金膜。并且在激光束持续照射多棱镜3过程中，通过制冷循环系统5将冷却水输送并通过多棱镜3内的冷却通道，从而将多棱镜3上的热量带走，以防止多棱镜3过热损坏。

结合图1所示，本发明使用上述高功率激光束展宽装置进行展宽的方法如下：首先使连续激光器1输出的连续激光束经过多棱镜3反射后形成具有一定扫描角度α的扇形区域内的连续扫描光束6，该扫描光束6经过扇形反射聚焦镜2聚焦后，在待处理工件7表面形成具有一定弧长的连续弧形扫描聚焦光带8，配合待处理工件7沿垂直于扫描方向的相对运动，完成对待处理工件7表面的热处理。

弧形扫描聚焦光带8的弧长与扇形反射聚焦镜2的焦距f和扇形中心角θ，以及扇形扫描光束6的扫描角度α均有关。扫描光束6的最大扫描角度也即扇形反射聚焦镜2的扇形中心角θ，而在实际情况中多棱镜3的扫描角度α为720°/N(其中N为多棱镜的面数)，因此在扇形反射聚焦镜2不改变的情况下，本发明要改变扫描宽度(即弧形扫描聚焦光带的长度)必须通过改变多棱镜3的面数N来实现。因此本发明的展宽方法中，多棱镜3的面数是一个重要参数，它决定扫描频率和扫描宽度。以代入具体的数据为例：本实施例采用的多棱镜3面数N为12，扇形反射聚焦镜2的焦距f＝120mm。这样经过反射聚焦后，在工件7表面形成弧长为200mm的弧形扫描聚焦光带8。经使用表明，本实施例达到了预期的结果。

Claims (8)

1.一种高功率激光束展宽装置，包括连续激光器(1)、扇形反射聚焦镜(2)、多棱镜(3)及驱动多棱镜(3)旋转的高速电机(4)；其特征在于所述多棱镜(3)与扇形反射聚焦镜(2)相对放置，并且所述连续激光器(1)发出的激光束在多棱镜(3)上的反射点C与所述扇形反射聚焦镜(2)的回转中心O同心。

2.根据权利要求1所述的高功率激光束展宽装置，其特征在于所述扇形反射聚焦镜(2)的反射面弧线AB上的任意点在平面直角坐标系中满足下述公式：

-y+5f/2＝x²/2f，而扇形反射聚焦镜(2)反射面上的任意点在空间直角坐标系中满足下述公式：

其中f为扇形反射聚焦镜(2)的焦距。

3.根据权利要求2所述的高功率激光束展宽装置，其特征在于所述f＝50～500mm。

4.根据权利要求1所述的高功率激光束展宽装置，其特征在于所述多棱镜(3)为柱面体棱镜或者锥面体棱镜。

5.根据权利要求1所述的高功率激光束展宽装置，其特征在于所述多棱镜(3)的面数为N＝8～60，且其每个反射面均为全反射面。

6.根据权利要求1或5所述的高功率激光束展宽装置，其特征在于所述多棱镜(3)的材料为紫铜，而其反射面上镀有一层金膜。

7.根据权利要求1所述的高功率激光束展宽装置，其特征在于还包括制冷循环系统(5)，所述多棱镜(3)中开有冷却通道，所述冷却通道与所述制冷循环系统(5)相连。

8.一种采用权利要求1所述高功率激光束展宽装置对高功率激光束进行展宽的方法，其特征在于使连续激光器(1)输出的连续激光束经过高速旋转的多棱镜(3)反射后形成具有一定扫描角度α的扇形区域内的连续扫描光束(6)，该扫描光束(6)经过扇形反射聚焦镜(2)反射聚焦后，在被处理工件(7)表面形成连续的弧形扫描聚焦光带(8)，对工件(7)进行激光表面热处理。

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