CN103594920B - Co2激光聚束的磁约束装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种CO₂激光聚束的磁约束装置及方法，涉及激光测量技术领域。该装置依次包括：用于安置CO₂激光器（102）的四维运动平台（101）、用于使激光聚束的磁约束装置、用于检测激光聚束性能的光斑尺度传感器（109）；上述磁约束装置主要包括可以高速旋转的互斥磁约束体（108），该互斥磁约束体（108）由多对极性相反的磁体构成，中间形成磁腔（107），CO₂激光器（102）发出的激光束能够穿过该磁腔（107）。当激光穿过磁腔时，因为激光在互斥磁场中发生光线偏转，使得激光束的外围光线往中心偏移，从而实现激光聚束性能提高的目的。

Description

CO2激光聚束的磁约束装置及方法

技术领域

本发明涉及激光检测技术领域，更具体的说，是一种利用互斥磁约束体提高CO₂激光聚束性能，从而提高激光能量、加工精度的一种CO₂激光聚束的磁约束装置及方法。

背景技术

光在磁场作用下，光学特性将发生变化，前人的研究包括塞曼效应、法拉第磁光效应、科顿-穆顿效应和克尔磁光效应等。这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。

MichaelFaraday发现线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ，与磁感应强度B和光穿越介质的长度L的乘积成正比，即ψ＝VBL。偏转方向取决于介质性质和磁场方向，这种现象称为磁致旋光效应。该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。

AiméCotton和HenriMouton发现光在透明液体介质中传播时，若在垂直于光的传播方向上加一外磁场，则介质表现出单轴晶体的性质，光轴沿磁场方向，主折射率之差正比于磁感应强度的平方，此效应称为磁致双折射。

KerrJohn发现了入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象，称为Magneto-OpticKerrEffect(MOKE)。MOKE分极向、纵向和横向三种类型，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形。极向和纵向Kerr磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。

上面这些研究都说明了激光在磁场中产生偏转的现象。但对于互斥磁场作用下激光发生偏转聚束的方法和装置，到目前为止还没有相关研究和报道。

激光切割焊接中，一般采用3000W的CO₂气体激光器作为激光能源，通过聚焦镜片聚焦高能激光，由焦点位置的激光实现对材料的切割与熔融焊接。对于不同厚度的材料，必须调整焦点位置，才能确保加工质量，因此采用恒等长光路补偿系统解决光路长度的变化造成切割质量下降问题，通过数控联动方式调整光路补偿系统中反射镜片的位置，使其在切割范围内的光路长度等长，保证激光光斑尺寸不变和切割质量的稳定。当前国际先进的激光切割精度可以达到0.05mm/m，最高的聚焦光斑直径可达0.01mm，由于激光聚焦调节的难度，对厚板材的聚焦切割存在质量差、切割困难的问题，切割的板材厚度一般限制在3mm左右。激光焊接也存在类似的问题，受激光光斑尺寸的限制，以及光斑聚焦位置的移动限制，焊接的板材厚度一般在2mm左右。

因此，本发明提出了CO₂激光聚束的磁约束方法和装置，通过对已发射激光的发散角进行改变，促使激光进行聚束，使得激光光斑不受聚焦位置的影响，保持光斑尺寸的高聚束特性和一致性，则可实现对更厚板材的切割与焊接，同时能提高激光加工的质量和精度。为我国激光准直与测量相关的技术领域，包括船舶制造、航空航天装配等带来巨大的经济效益和技术支持。

发明内容

本发明目的在于，提供一种CO₂激光聚束的磁约束方法及装置，实现对激光聚束性能提高的目的。

一种CO₂激光聚束的磁约束装置，其特征在于：依次包括：用于安装CO₂激光器的四维运动平台、用于使激光聚束的磁约束装置、用于检测激光聚束性能的能量密度传感器；上述磁约束装置包括精密导轨、安装于精密导轨上的轴承支架、安装于轴承支架内的水平轴承；还包括安装于水平轴承内的约束体旋转支架，约束体旋转支架为空心轴结构，该空心轴结构中还嵌装互斥磁约束体，该互斥磁约束体由多对极性相反的磁体构成，中间形成磁腔，CO₂激光器发出的激光束能够穿过该磁腔；还包括与约束体旋转支架一端相连的旋转驱动机构。

所述的CO₂激光聚束的磁约束装置的方法，其特征在于包括以下过程：当CO₂激光器发出的激光穿过由互斥磁约束体形成的磁腔时，因为激光在互斥磁场中发生光线偏转，使得激光束的外围光线往中心偏移，从而实现激光聚束性能提高的目的；而激光聚束性能的提高可以通过能量密度进行判断，能量密度的大小可以由能量密度传感器进行检测；激光聚束性能的改变通过调整磁腔中磁场强度的大小来改变，磁腔磁场强度的大小和磁腔直径、磁腔长度有关。磁场强度增大，磁腔直径变小，聚束性能提高。相反，磁场强度减小，磁腔直径变大，聚束性能降低。

针对激光加工过程中，激光无法精密加工这一问题，本发明提出了一种CO₂激光聚束的磁约束方法及装置，利用N-N/S-S强互斥磁场，作用在激光束上，对激光束进行聚束压缩，实现外延激光束发散角的偏转。利用强永磁互斥场和可调强度电磁互斥场，改变磁腔内径、磁极对数量、磁腔长度等磁场特性参数，以激光能量密度为指标参数，实现激光聚束特性改变的检测。并提出了各向同性的旋转互斥磁场，避免各向异性磁场对激光聚束性能的影响，建立一套磁约束激光高聚束特性的方法与系统装置。本发明将为我国激光加工、航空航天、船舶制造等领域的研究与发展提供关键理论与支撑技术。

为了确保磁约束体能通过激光，把磁约束体旋转支架设计成空心轴，激光可以从空心轴中穿过。激光束从磁腔中穿过时，应确保激光束能穿过磁腔的首尾孔中心，因此通过四维运动平台调整激光束的位姿，来实现激光束穿过磁腔的中心。调整互斥磁约束体和CO₂激光器之间的位置，找到最合适对激光束进行聚束的距离。互斥磁约束体架在精密导轨上，导轨的直线度要求很高，确保互斥磁约束体在导轨上做轴向移动时，不影响激光聚束性能。激光聚束性能的提高通过能量密度传感器来检测，能量密度传感器也安装在精密导轨中轴线上，确保激光基本打在传感器的中心位置。磁腔的形状和磁场的分布受到磁极对的数量、尺寸影响，未必是各向同性的。因此，对互斥磁约束体进行高速旋转，以形成各向同性的磁腔,提高激光的聚束性能。

所述互斥磁约束体为永磁体形式或电磁铁形式。当所述互斥磁约束体为永磁体形式时，磁腔长度的改变通过永磁体轴向长度的调整来实现；磁腔直径的改变通过互斥磁约束体中各磁极对间距离的调整来实现。当所述互斥磁约束体为电磁铁形式时，磁腔长度的改变通过轴向串联多个电磁铁来实现，串联的电磁铁数量增大，则磁腔长度增大；磁腔直径的改变通过电磁铁线圈电流大小的调整来实现，电流增大，磁腔直径减小，电流减小，磁腔直径增大。

附图说明

图1是本发明的磁约束体聚束装置结构图；

图1中标号名称：101—四维运动平台;102—CO2激光器;103—精密导轨;104—轴承支架;105—水平轴承;106—约束体旋转支架;107—磁腔;108—互斥永磁体;109—能量密度传感器;110—从动带轮;111—传动皮带;112—电机;113—主动带轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的高能CO₂激光聚束的磁约束方法及装置进行说明。

如图1所示，本发明的CO₂激光聚束的磁约束方法及装置包括：

四维运动平台101，激光器安装在该平台上，实现激光器位姿的控制与调节，确保激光束在磁腔中心位置穿过；

CO₂激光器102，发射CO₂高功率激光的装置；

精密导轨103，调整互斥磁约束体和CO₂激光器之间的位置，选择最合适对激光束进行聚束的距离；

轴承支架104，支承轴承，同时连接在精密导轨上，确保轴承能高速旋转；

水平轴承105，空心轴装夹磁约束体安装在轴承上，确保磁约束体的高速旋转，提供各向同性的磁场；

约束体旋转支架（空心轴结构）106，把永磁体和电磁铁形成的磁约束体装夹起来，对电磁铁可实现磁极对距离的调节，能装配在轴承上进行旋转；空心轴中心孔及磁腔的中心孔尽量确保同轴；

磁腔107，由永磁体或者电磁铁形成的圆柱形磁场区域，变化参数包括磁腔直径、磁腔长度两个参数；

互斥磁约束体108，由N-N或S-S构成的互斥磁约束体，对激光形成偏转效应；

能量密度传感器109，安装在精密导轨上，用于检测激光在聚束前后能量密度的变化，从而反映磁约束体对光斑聚束性能的改变；

从动带轮110，与空心轴过盈配合，和传动皮带一起实现磁约束体的旋转，提供各向同性的磁腔；

传动皮带111：连接从动带轮110和主动带轮113，形成带传动链；

电机112：提供磁约束体旋转的动力源。

如图1所示，检测过程中，CO₂激光聚束的磁约束方法及装置实现步骤如下：

步骤1：对电磁铁调整磁约束体距离，对永磁体调整线圈电流大小，形成某一个直径、长度下的磁腔；

步骤2：在四维运动平台作用下，调整激光位姿，在PSD传感器的协助下，利用计算机控制算法，实现激光同时穿过磁腔的首尾孔中心；

步骤3：在精密导轨上，调整互斥磁约束体和CO₂激光器之间的位置，找到最合适对激光束进行聚束的距离；

步骤4：利用能量密度传感器来检测能量密度大小，以此来反映激光聚束性能，在施加磁约束前后，分别测量能量密度大小，比较激光聚束前后的聚束性能；

步骤5：通过传动皮带连接磁约束体上的从动带轮和电机的主动带轮；

步骤6：旋转电机，产生各向同性的磁场，观察各向同性磁场（电机旋转）和各向异性磁场（电机停止）的情况下，激光聚束性能的提高。

步骤7：利用本发明的装置，对任何加工激光施加一个各向同性的磁约束体，提高激光的聚束性能，实现激光精密切割、焊接等加工能力。

Claims (6)

1.一种CO₂激光聚束的磁约束装置，其特征在于：

依次包括：用于安装CO₂激光器（102）的四维运动平台（101）、用于使激光聚束的磁约束装置、用于检测激光聚束性能的能量密度传感器（109）；

上述磁约束装置包括精密导轨（103）、安装于精密导轨（103）上的轴承支架（104）、安装于轴承支架（104）内的水平轴承（105）；还包括安装于水平轴承（105）内的约束体旋转支架（106），约束体旋转支架（106）为空心轴结构，该空心轴结构中还嵌装互斥磁约束体（108），该互斥磁约束体（108）由多对极性相同的磁体构成，中间形成磁腔（107），CO₂激光器（102）发出的激光束能够穿过该磁腔（107）；还包括与约束体旋转支架（106）一端相连的旋转驱动机构。

2.根据权利要求1所述的CO₂激光聚束的磁约束装置，其特征在于：所述互斥磁约束体（108）为永磁体形式或电磁铁形式。

3.根据权利要求1所述的CO₂激光聚束的磁约束装置，其特征在于：上述旋转驱动机构由电机（112）、与电机输出轴相连的主动带轮（113）、安装于约束体旋转支架（106）一端的从动带轮（110）、连接主动带轮（113）和从动带轮（110）的传动皮带（111）组成。

4.根据权利要求1所述的CO₂激光聚束的磁约束装置的工作方法，其特征在于包括以下过程：

当CO₂激光器（102）发出的激光穿过由互斥磁约束体（108）形成的磁腔（107）时，因为激光在互斥磁场中发生光线偏转，使得激光束的外围光线往中心偏移，从而实现激光聚束性能提高的目的；

而激光聚束性能的提高可以通过能量密度进行判断，能量密度的大小可以由能量密度传感器（109）进行检测；

激光聚束性能的改变通过调整磁腔（107）中磁场强度的大小来改变，磁腔（107）磁场强度的大小和磁腔直径、磁腔长度有关。

5.根据权利要求4所述的CO₂激光聚束的磁约束装置的工作方法，其特征在于包括以下过程：

当所述互斥磁约束体（108）为永磁体形式时，磁腔长度的改变通过永磁体轴向长度的调整来实现；磁腔直径的改变通过互斥磁约束体（108）中各磁极对间距离的调整来实现。

6.根据权利要求4所述的CO₂激光聚束的磁约束装置的工作方法，其特征在于包括以下过程：

当所述互斥磁约束体（108）为电磁铁形式时，磁腔长度的改变通过轴向串联多个电磁铁来实现，串联的电磁铁数量增大，则磁腔长度增大；磁腔直径的改变通过电磁铁线圈电流大小的调整来实现，电流增大，磁腔直径减小，电流减小，磁腔直径增大。