CN102489476A - 一种大功率固体激光清洗装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大功率固体激光清洗装置，其包括控制器(1)、激光电源(2)、制冷系统(3)、条形激光器(4)、柱面镜(5)和窗口镜(6)；其中条形激光器(4)输出的长条形激光光斑经过柱面镜(5)聚焦，从而在柱面镜(5)的焦平面上形成聚焦的线形光斑，将被清洗的工件置于柱面镜(5)的焦平面上即可进行清洗工艺；利用输出光斑为长条形的激光器作为清洗的光源，在无扫描系统参与的情况下，通过与被清洗工件间的相对运动来实现面清洗，清洗效率高，激光光源部分和输出聚焦部分体积小重量轻，易于制作成手持清洗头，便于携带。采用大功率连续输出激光，峰值功率较低，不易造成被清洗工件表面的损伤，尤其适用于工业零部件和各种模具清洗。

Description

一种大功率固体激光清洗装置

技术领域

本发明涉及一种大功率固体激光清洗装置，属于先进制造装备技术领域。

背景技术

在工业生产、文物保护以及牙科疾病的治疗中，常需要用到清洗技术。如工业制品在电镀、磷化、喷涂、焊接、包装以及集成线路的装配时，为保证工件质量，必须除去产品表面附着的油脂、灰尘、锈垢或残留的溶剂、粘结剂等污物。在城市道路、电线杆、车站牌以及建筑的外墙贴(写)有大量的“小广告”，对其清洗是环卫部门的难题。为恢复文物和艺术品旧貌，需对文物表面的污垢及锈迹进行清洗。在轮胎制作过程中，多次成型使模具花纹内部残留部分橡胶，再成型会降低轮胎成品率，需要定期对模具进行清洗。

传统的清洗方法包括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法，机械清洗法清洁度较低，易损伤被清洗工件的表面；化学清洗方法容易导致环境污染，且清洁度有限；超声波清洗法对亚微米级污粒的清洗无能为力，清洗槽的尺寸限制了加工零件的范围和复杂程度，工件的干燥困难，造成二次环境污染。

激光具有高能量密度、高单色性及高方向性等优点，使得它在工业和农业等方面得到了广泛的应用，尤其是在制造业中，它被誉为“21世纪的万能加工工具”。激光清洗技术是指采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，高速有效地清除清洁对象表面附着物或表面涂层，从而达到洁净的工艺过程，清洗清洁度和清洗效率高，是一种“绿色”清洗技术。

已报道的激光清洗机主要是利用高速扫描的方式将激光器输出的点光斑调制成线状光斑，通过将输出的扫描聚焦光斑与被清洗工件间的相对运动实现清洗目的，功率通常在几十瓦水平，需要采用声光调制技术来获得高的峰值功率从而达到材料表面污物的破坏阈值，与此同时也带来了对被清洗工件表面本体的损伤，尤其是不利于一些模具的清洗；利用高速扫描技术将激光器输出的点状聚焦光斑变成线状聚焦光斑，增加了系统的成本，且在大功率激光输出情况下易于损坏扫描镜，不利于长期使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大功率固体激光清洗装置，其输出为从几十瓦到千瓦级功率水平的线状聚焦激光束。

如附图1所示，本发明提供的一种大功率固体激光清洗装置包括控制器1、激光电源2、制冷系统3、条形激光器4、柱面镜5和窗口镜6等组成；其中控制器1分别与激光电源2和制冷系统3相连接，用于对激光电源2和制冷系统3的开关信号控制；激光电源2通过外接电源线与条形激光器4相连接，条形激光器4输出的激光经过柱面镜5聚焦，在其焦平面上形成线形光斑，将被清洗的工件置于柱面镜5的焦平面上即可进行清洗工艺；

所述的激光电源2为具有软启动功能和电压自适应匹配的恒流源，通过外接电线对条形激光器4供电，并通过改变激光电源2输出的电功率来控制条形激光器4输出的激光功率；

如附图2和附图3所示，所述的条形激光器4为半导体激光泵浦固体激光器，其输出的激光束为线条形光斑，光斑的长度由激光介质12发光方向的长度来决定，对激光介质12的激励优选分别对激光介质12的前、后、左和右端面进行激励，或任意三个端面进行激励，或任意二个端面进行激励，或任意一个端面进行激励；其由半导体激光阵列A7、光束整形耦合器A8、腔镜9、液冷板A10、铟层A11、激光介质12、二向色镜A13、输出腔镜14、液冷板B15、铟层B16、二向色镜B17、光束整形耦合器B18、半导体激光阵列B19、半导体激光阵列C20、光束整形耦合器C21、光束整形耦合器D22和半导体激光阵列D23组成；半导体激光阵列A7发射的光束经过光束整形耦合器A8聚焦成线形光斑，通过腔镜9后聚焦到激光介质12的后端面进行激励；半导体激光阵列B19发射的光束经过光束整形耦合器B18聚焦成线形光斑，然后通过二向色镜A13反射将聚焦线形光斑耦合到激光介质12的前端面进行激励；半导体激光阵列C20、半导体激光阵列D23发射的光束分别经过光束整形耦合器C21和光束整形耦合器D22聚焦成线形光斑耦合到激光介质12的左侧面和右侧面进行激励；激光介质12产生的增益克服各种损耗后在腔镜9、激光介质12和输出腔镜14间形成稳定光束振荡，产生的激光沿图示箭头方向穿过输出腔镜14输出；条形激光器4内部的半导体激光阵列A7、半导体激光阵列B19、半导体激光阵列C20和半导体激光阵列D23通过外接水管依次连接形成第一个冷却水循环，通过外接水管依次连接柱面镜5、窗口镜6、腔镜9、二向色镜A13和输出腔镜14等光学元件的夹具形成第二个冷却水循环，液冷板10和液冷板15通过外接水管依次连接形成第三个冷却水循环，此三个冷却水循环通过并联再与制冷系统3相连接形成一个总的封闭水循环系统，将上述元件产生的热量导出；

所述的柱面镜5优选石英玻璃或K9玻璃制作的平凸形长柱面镜，位于条形激光器4的输出腔镜14右侧，且其长的方向与条形激光器4输出的长条形光斑长的方向一致，用于将条形激光器4输出的长条形激光光斑汇聚成线形聚焦光斑，双面镀制对输出激光波长的增透膜；

所述的窗口镜6优选石英玻璃或K9玻璃制作的平面镜，位于柱面镜5和柱面镜5焦平面之间，靠近柱面镜5的面镀对输出激光波长增透的光学膜，另一侧不镀膜，用于保护条形激光器4和柱面镜5，以防止灰尘污染柱面镜5和条形激光器4内部的元件；

所述的半导体激光阵列A7、半导体激光阵列B19、半导体激光阵列C20和半导体激光阵列D23输出光中心波长优选808nm、885nm或940nm，优选水平迭阵或垂直迭阵的半导体激光器，阵列的长度与激光介质12的相应端面长度尺寸相对应；

所述的光束整形耦合器A8、光束整形耦合器B18、光束整形耦合器C21和光束整形耦合器D22均由两个长的柱面镜构成，实现对半导体激光阵列A7、半导体激光阵列B19、半导体激光阵列C20和半导体激光阵列D23发射的激励光束先准直再聚焦，柱面镜的表面镀制与激励光波长一致的增透膜；

所述的腔镜9优选石英玻璃或K9玻璃制作的长方形平面镜，其两个表面均镀制激励光波长的增透膜，位于条形激光器4腔内的表面要保证能够对条形激光器4产生的激光波长高反射，且反射率要高于99.8％，其长的方向与激光介质12长的方向一致；

所述的铟层A11和铟层B16是采用镀膜机用缓慢热蒸发的方式将固体铟材料蒸发到激光介质12的上下表面，通过加热方法使液冷板10、铟层A11、激光介质12、液冷板15和铟层B16依次相连接，实现对激光介质12进行散热；

所述的激光介质12优选Nd：YAG晶体、Nd：YVO4晶体或Yb：YAG晶体，优选制作成板条状或薄片状，其垂直于激射光方向的横截面为长方形，以产生长条形光斑，沿激射光方向的两个端面镀制激射光波长和激励光波长的增透膜，左右侧面镀制激励光波长的增透膜和激射光高反射膜，上下表面进行毛化处理，且上下表面分别与铟层A11和铟层B16相连接，用于对激射光进行增益放大；

所述的二向色镜A13优选石英玻璃或K9玻璃制作的长方形平面镜，与激射光成45度角，沿激光介质12长的方向放置，双面镀制对激射光45度方向入射的增透膜，且靠近激光介质12的表面保证对半导体激光阵列19发射的激励光45度入射高反射膜；

所述的输出腔镜14优选石英玻璃或K9玻璃制备的平凹镜，凹面在条形激光器4的腔内，且镀制对激射光的部分透射膜，平面镀制对激射光的增透膜；

所述的二向色镜B17优选石英玻璃或K9玻璃制备的平面镜，双面镀制对半导体激光阵列19发射波长的增透膜，条形激光器4激射光波长的高反射膜。

有益效果：本发明利用输出光斑为长条形的激光器作为清洗的光源，在无扫描系统参与的情况下，通过与被清洗工件间的相对运动来实现面清洗，解决了大功率激光易损坏扫描镜的问题，由于输出激光是大功率连续输出激光，峰值功率较低，不易造成被清洗工件表面的损伤，激光光源部分和输出聚焦部分体积小重量轻，易于制作成手持清洗头，便于携带适于移动式清洗。

附图说明

图1是大功率固体激光清洗装置的示意框图。

图2是大功率固体激光清洗装置纵向光路示意图。

图3是大功率固体激光清洗装置横向光路示意图。

图中：1-控制器，2-激光电源，3-制冷系统，4-条形激光器，5-柱面镜，6-窗口镜，7-半导体激光阵列A，8-光束整形耦合器A，9-腔镜，10液冷板A，11-铟层A，12-激光介质，13-二向色镜A，14-输出腔镜，15-液冷板B，16-铟层B，17-二向色镜B，18-光束整形耦合器B，19-半导体激光阵列B，20-半导体激光阵列C，21-光束整形耦合器C，22-光束整形耦合器D，23-半导体激光阵列D。

具体实施方式

实施例1一种大功率固体激光清洗装置。

如附图1所示，本发明提供的一种大功率固体激光清洗装置包括控制器1、激光电源2、制冷系统3、条形激光器4、柱面镜5和窗口镜6等组成；其中控制器1分别与激光电源2和制冷系统3相连接，用于对激光电源2和制冷系统3的开关信号控制；激光电源2通过外接电源线与条形激光器4相连接，条形激光器4输出的激光经过柱面镜5聚焦，在其焦平面上形成线形光斑，将被清洗的工件置于柱面镜5的焦平面上，利用手持或数控系统实现被清洗工件与大功率固体激光清洗装置间相对运动，从而实现清洗工艺；

所述的激光电源2为具有软启动功能和电压自适应匹配的恒流源，通过外接电线对条形激光器4供电，并通过改变激光电源2输出的电功率来控制条形激光器4输出的激光功率；

如附图2和附图3所示，所述的条形激光器4为半导体激光泵浦固体激光器，其输出的激光束为线条形光斑，光斑的长度由激光介质12发光方向的长度来决定，优选对激光介质12的前、后、左和右四个端面进行激励，或任意三个端面进行激励，或任意二个端面进行激励，或任意一个端面进行激励；其由半导体激光阵列A7、光束整形耦合器A8、腔镜9、液冷板A10、铟层A11、激光介质12、二向色镜A13、输出腔镜14、液冷板B15、铟层B16、二向色镜B17、光束整形耦合器B18、半导体激光阵列B19、半导体激光阵列C20、光束整形耦合器C21、光束整形耦合器D22和半导体激光阵列D23组成；半导体激光阵列A7发射的光束经过光束整形耦合器A8聚焦成线形光斑，通过腔镜9后聚焦到激光介质12的后端面进行激励；半导体激光阵列B19发射的光束经过光束整形耦合器B18聚焦成线形光斑，然后通过二向色镜A13反射将聚焦线形光斑耦合到激光介质12的前端面进行激励；半导体激光阵列C20、半导体激光阵列D23发射的光束分别经过光束整形耦合器C21和光束整形耦合器D22聚焦成线形光斑耦合到激光介质12的左侧面和右侧面进行激励；激光介质12产生的增益克服各种损耗后在腔镜9、激光介质12和输出腔镜14间形成稳定光束振荡，产生的激光沿图示箭头方向穿过输出腔镜14输出；条形激光器4内部的半导体激光阵列A7、半导体激光阵列B19、半导体激光阵列C20和半导体激光阵列D23通过外接水管依次连接形成第一冷却水循环，通过外接水管依次连接柱面镜5、窗口镜6、腔镜9、二向色镜A13和输出腔镜14等光学元件的夹具形成第二冷却水循环，液冷板10和液冷板15通过外接水管依次连接形成第三冷却水循环，此三个冷却水循环通过并联再与制冷系统3相连接形成总的封闭水循环系统，实现对上述元件温度控制，水温度设置为25℃，温度控制精度为±1℃；

所述的柱面镜5优选石英玻璃或K9玻璃制作的平凸形长柱面镜，位于条形激光器4的输出腔镜14右侧，且其长的方向与条形激光器4输出的长条形光斑长的方向一致，用于将条形激光器4输出的长条形激光光斑汇聚成线形聚焦光斑，双面镀制对1064nm波长的增透膜，焦距优选150mm；

所述的窗口镜6优选石英玻璃或K9玻璃制作的平面镜，通光口径优选10mm×80mm，位于柱面镜5和柱面镜5焦平面之间，靠近柱面镜5的面镀对1064nm波长增透的光学膜，另一侧不镀膜，用于保护条形激光器4和柱面镜5，以防止灰尘污染柱面镜5和条形激光器4内部的元件；

所述的半导体激光阵列A7、半导体激光阵列B19、半导体激光阵列C20和半导体激光阵列D23输出的光为激光介质12的激励光，输出波长优选808nm或885nm，优选水平迭阵或垂直迭阵的半导体激光器阵列，阵列的长度与激光介质12的相应端面长度尺寸相对应；

所述的光束整形耦合器A8、光束整形耦合器B18、光束整形耦合器C21和光束整形耦合器D22均由两个长的柱面镜构成，实现对半导体激光阵列A7、半导体激光阵列B19、半导体激光阵列C20和半导体激光阵列D23发射的激励光束先准直再聚焦，柱面镜的表面镀制808nm或885nm波长增透膜，透射率高于99.5％；

所述的腔镜9优选石英玻璃或K9玻璃制作的长方形平面镜，通光口径优选20mm×80mm，其两个表面均镀制808nm或885nm波长的增透膜，透射率高于95％，位于条形激光器4腔内的表面要保证能够对1064nm波长高反射，且反射率要高于99.8％，其长的方向与激光介质12长的方向一致；

所述的铟层A11和铟层B16是采用镀膜机用缓慢热蒸发的方式将固体铟材料蒸发到激光介质4的上下两个表面，其厚度优选0.5mm，通过加热方法使液冷板10、铟层A11、激光介质12、液冷板15和铟层B16依次相连接，将激光介质12产生的热量导出；

所述的激光介质12优选Nd：YAG晶体，优选长方板条状或长方薄片状，掺杂浓度优选0.5at％，尺寸优选1mm×60mm×40mm，其垂直于激射光方向的横截面为长方形1mm×60mm，以产生长条形光斑，沿激射光方向的两个端面镀制1064nm和808nm或885nm波长的增透膜，左右侧面镀制808nm或885nm波长的增透膜和1064nm波长高反射膜，上下表面进行毛化处理，且上下表面分别与铟层A11和铟层B16相连接，用于对激射光进行增益放大；

所述的二向色镜A13优选石英玻璃或K9玻璃制作的长方形平面镜，与激射光成45度角，沿激光介质12长的方向放置，通光口径优选20mm×80mm，双面镀制对1064nm波长45度方向入射的增透膜，且靠近激光介质12的表面镀制对808nm或885nm波长45度高反射膜；

所述的输出腔镜14优选石英玻璃或K9玻璃制备的平凹镜，凹面在条形激光器4的腔内，且镀制对1064nm波长部分透射膜，通光口径优选20mm×80mm，优选透射率为20％，曲率半径优选R200mm，平面镀制对1064nm波长增透膜；

所述的二向色镜B17优选石英玻璃或K9玻璃制备的平面镜，通光口径优选20mm×80mm，双面镀制对808nm或885nm波长高反射膜。

本发明专利提供一种大功率固体激光清洗装置在工作时要求操作人员佩戴激光防护眼镜，严禁将出光口对准人体。

实施例2激光介质12为Nd：YVO4晶体，其它同实施例1。

实施例3激光介质12为Yb：YAG晶体，Yb离子掺杂浓度为0.3at％，沿激射光方向的两个端面镀制1030nm和940nm波长增透膜，左右侧面镀制940nm波长增透膜和1030nm波长高反射膜；所述的窗口镜6靠近柱面镜5的面镀对1030nm波长增透膜；半导体激光阵列A7、半导体激光阵列B19、半导体激光阵列C20和半导体激光阵列D23输出的波长为940nm；所述的光束整形耦合器A8、光束整形耦合器B18、光束整形耦合器C21和光束整形耦合器D22中元件柱面镜的表面镀制940nm波长增透膜，透射率高于99.5％；所述的腔镜9两个表面均镀制940nm波长的增透膜，透射率高于95％，位于条形激光器4腔内的表面要保证能够对1030nm波长高反射，且反射率要高于99.8％，其长的方向与激光介质12长的方向一致；所述的二向色镜A13双面镀制对1030nm波长45度方向入射的增透膜，且靠近激光介质12的表面保证对940nm波长45度高反射膜；所述的输出腔镜14的凹面镀制对1030nm波长部分透射膜，通光口径优选20mm×80mm，优选透射率为20％，曲率半径优选R200mm，平面镀制对1030nm波长增透膜；所述的二向色镜B17双面镀制对940nm波长增透膜，透射率高于99％，靠近二向色镜A13的面镀制1030nm高反射膜，反射率高于99％。其它同实施例1。

Claims (10)

1.一种大功率固体激光清洗装置，其特征在于包括控制器(1)、激光电源(2)、制冷系统(3)、条形激光器(4)、柱面镜(5)和窗口镜(6)；其中控制器(1)分别与激光电源(2)和制冷系统(3)相连接，用于对激光电源(2)和制冷系统(3)的开关信号控制；激光电源(2)通过外接电源线与条形激光器(4)相连接，条形激光器(4)输出的长条形激光光斑经过柱面镜(5)聚焦，在其焦平面上形成线形光斑，将被清洗的工件置于柱面镜(5)的焦平面上即可进行清洗工艺；

所述的激光电源(2)为具有软启动功能和电压自适应匹配的恒流源，通过外接电线对条形激光器(4)供电，并通过改变激光电源(2)输出的电功率来控制条形激光器(4)输出的激光功率；

所述的条形激光器(4)为半导体激光泵浦固体激光器，其输出的激光束为线条形光斑，光斑的长度由激光介质(12)发光方向的长度来决定，其由半导体激光阵列A(7)、光束整形耦合器A(8)、腔镜(9)、液冷板A(10)、铟层A(11)、激光介质(12)、二向色镜A(13)、输出腔镜(14)、液冷板B(15)、铟层B(16)、二向色镜B(17)、光束整形耦合器B(18)、半导体激光阵列B(19)、半导体激光阵列C(20)、光束整形耦合器C(21)、光束整形耦合器D(22)和半导体激光阵列D(23)组成；半导体激光阵列A(7)发射的光束经过光束整形耦合器A(8)聚焦成线形光斑，通过腔镜(9)后聚焦到激光介质(12)的后端面对其进行激励；半导体激光阵列B(19)发射的光束经过光束整形耦合器B(18)聚焦成线形光斑，然后通过二向色镜A(13)反射将聚焦线形光斑耦合到激光介质(12)的前端面进行激励；半导体激光阵列C(20)、半导体激光阵列D(23)发射的光束分别经过光束整形耦合器C(21)和光束整形耦合器D(22)聚焦成线形光斑耦合到激光介质(12)的左侧面和右侧面对其进行激励；所述的光束整形耦合器A(8)、光束整形耦合器B(18)、光束整形耦合器C(21)和光束整形耦合器D(22)均由两个长的柱面镜构成，实现对半导体激光阵列A(7)、半导体激光阵列B(19)、半导体激光阵列C(20)和半导体激光阵列D(23)发射的激励光束先准直再聚焦，柱面镜的表面镀制与激励光波长一致的增透膜；

所述的腔镜(9)为长方形平面镜，其两个表面均镀制激励光波长的增透膜，位于条形激光器(4)腔内的一侧表面要保证能够对条形激光器(4)产生的激光波长高反射，其长的方向与激光介质(12)长的方向一致；

所述的二向色镜A(13)为长方形平面镜，与激射光成45°角，沿激光介质(12)长的方向放置，双面镀制对激射光45°方向入射的增透膜，且靠近激光介质(12)的表面保证对半导体激光阵列(19)发射的激励光45°入射高反射膜；

所述的输出腔镜(14)为平凹镜，凹面在条形激光器(4)的腔内，且镀制对激射光的部分透射膜，平面镀制对激射光的增透膜；

所述的二向色镜B(17)为长方形平面镜，双面镀制对半导体激光阵列(19)发射波长的增透膜，条形激光器(4)激射光波长的高反射膜。

2.如权利要求1所述的一种大功率固体激光清洗装置，其特征在于，所述的柱面镜(5)为平凸形长柱面镜，且其长的方向与条形激光器(4)输出的长条形光斑长的方向一致，双面镀制对输出激光波长的增透膜。

3.如权利要求1所述的一种大功率固体激光清洗装置，其特征在于，所述的窗口镜(6)靠近柱面镜(5)的表面镀对输出激光波长增透的光学膜，另一表面不镀膜。

4.如权利要求1所述的一种大功率固体激光清洗装置，其特征在于，所述的激光介质(12)为Nd：YAG晶体、Nd：YVO4晶体或Yb：YAG晶体。

5.如权利要求1所述的一种大功率固体激光清洗装置，其特征在于，所述的激光介质(12)的形状为板条状或薄片状，垂直于激射光方向的横截面为长方形，以产生长条形光斑，沿激射光方向的两个端面镀制激射光波长和激励光波长的增透膜，左右侧面镀制激励光波长的增透膜和激射光高反射膜，上下表面进行毛化处理。

6.如权利要求1所述的一种大功率固体激光清洗装置，其特征在于，所述的激光介质(12)的两个毛化表面分别蒸发一层固体金属铟。

7.如权利要求1所述的一种大功率固体激光清洗装置，其特征在于，所述的液冷板(10)、铟层A(11)、激光介质(12)、液冷板(15)和铟层B(16)依次连接是通过加热的方法实现的。

8.如权利要求1所述的一种大功率固体激光清洗装置，其特征在于，所述的对激光介质(12)的激励是对激光介质(12)的前、后、左和右四个端面进行激励，或任意三个端面进行激励，或任意二个端面进行激励，或任意一个端面进行激励。

9.如权利要求1所述的一种大功率固体激光清洗装置，其特征在于，所述的半导体激光阵列A(7)、半导体激光阵列B(19)、半导体激光阵列C(20)和半导体激光阵列D(23)为水平迭阵或垂直迭阵的半导体激光器，阵列的长度与激光介质(12)的相应端面长度尺寸相对应。

10.如权利要求1所述的一种大功率固体激光清洗装置，其特征在于，所述的条形激光器(4)内部的半导体激光阵列A(7)、半导体激光阵列B(19)、半导体激光阵列C(20)和半导体激光阵列D(23)通过外接水管依次连接形成第一个冷却水循环，柱面镜(5)的夹具、窗口镜(6)的夹具、腔镜(9)的夹具、二向色镜(13)的夹具、输出腔镜(14)的夹具通过外接水管依次连接形成第二个冷却水循环，液冷板(10)和液冷板(15)通过外接水管依次连接形成第三个冷却水循环，此三个冷却水循环通过并联再与制冷系统(3)相连接形成一个总的封闭水循环系统。

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