CN104280878A - 一种具有高抗损伤能力的激光器关闸系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高抗损伤能力的激光器关闸系统，其包括偏转控制系统、全反镜、位于全反镜光路上的吸收体；其中，所述偏转控制系统利用旋转的方式控制全反镜移入和移出激光光路；所述吸收体为空心柱体结构，其一端为封闭端，另一端为激光入射端，所述封闭端内部底端具有一凸起的圆锥体，所述激光入射端固定有光束发散元件，使入射的激光预先发散；所述光束发散元件的表面、空心柱体的内部侧壁及圆锥体表面构成一冷却体，其内部注入冷却水，用于冷却光束发散元件、空心圆柱体内部侧壁及圆锥体表面。

Description

一种具有高抗损伤能力的激光器关闸系统

技术领域

本发明涉及大功率激光器技术领域，具体涉及一种具有高抗损伤能力，在高功率下可以稳定工作的激光器光闸系统。

背景技术

高功率激光器广泛应用于工业材料加工领域。在实际应用现场，激光加工并不是一个连续进行的过程。这期间会由于观察加工工件质量、更换加工工件等环节造成加工过程的短暂间断。出于安全考虑，该间断过程中应保证加工环境中不存在高功率激光。最安全的方法是先切断激光器电源，然后再开启激光器，恢复至加工状态。但是频繁地开关机，不仅影响加工速度，同时会对激光器造成不可恢复性损害，减少激光器的使用寿命。

激光器光闸是加工用高功率激光器的重要部件，是一种独立的外部装置，用于控制已输出谐振腔外的稳定激光束在加工环境中的关闭与开放。利用光闸系统就可以实现在激光器连续工作条件下，灵活选择加工间断点，间断时间等。

启停时间响应性是激光器光闸系统的一个重要性能，其影响激光在加工环境中开放与关闭的快慢。目前常用的光闸系统有两种类型。一种类型是气缸带动吸收体移入或移出激光照射区域，另一种类型是吸收体位置固定，由步进电机带动齿轮齿条使激光全反镜移动以改变激光束的传播方向。前者结构简单，但由于吸收体质量大导致移动过程不灵敏，开关光速度慢。后者将全反镜作为控制对象，大大改善了反应灵敏度，缩短开关光时间，但是结构复杂，成本提高。此外，光闸系统中的光吸收体对高功率激光的吸收能力以及抗损伤能力是激光器光闸系统的另一个重要性能，其影响光闸系统的稳定性及可靠性。现有的吸收体，如图1所示，为一空心圆柱体，其外表面为水冷通道，采用传导冷却的方式对吸收体内部入射面进行冷却。该空心圆柱体底部存在一个圆锥形凸起。高功率激光入射到该圆锥形凸起的表面，经过该表面进行多次的反射和吸收，最终把入射的激光完全吸收掉，实现光闸的功能。但是，随着吸收体的反复不断地暴露于高功率激光中，这个圆锥形凸起表面易在高温下产生激光烧灼性损伤，甚至被激光击穿，在很大程度上减弱了光闸的使用性能，减少了光闸的使用寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有简易结构、易于维护、启停响应迅速、抗损伤能力强、热转换效率高、可以长期稳定、可靠工作的激光器光闸系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有高抗损伤能力的激光器关闸系统，其包括偏转控制系统、全反镜、位于全反镜光路上的吸收体；其中，所述偏转控制系统利用旋转的方式控制全反镜移入和移出激光光路；所述吸收体为空心柱体结构，其一端为封闭端，另一端为激光入射端，所述封闭端内部底端具有一凸起的圆锥体，所述激光入射端固定有光束发散元件，使入射的激光预先发散；所述光束发散元件的表面、空心柱体的内部侧壁及圆锥体表面构成一冷却体，其内部注入冷却水，用于冷却光束发散元件、空心圆柱体内部侧壁及圆锥体表面。

本发明的有益效果如下：首先，利用偏转控制系统带动激光全反镜旋转运动，消除了气缸运动过程的不稳定性，也避开了步进电机带动齿轮齿条的复杂结构，实现了结构简易灵活、易于维护的目标。其次，对吸收体的设计，在吸收体内部固定一个光束发散元件，可以使入射的高功率激光束预先发散，降低了高功率激光对圆锥凸起部分的损害。再者，以冷却水直接注入吸收体内部的方式进行冷却，相较于通常采用的表面传导冷却方式，该方式可以使吸收体入射表面获得更及时、更充分的冷却效果，有效保证激光器光闸的稳定工作，提高了光闸的抗损伤能力，延长了光闸的使用寿命。

附图说明

图1为现有技术中吸收体结构的剖面示意图；

图2为本发明中激光器光闸系统的系统示意图；

图3为本发明中偏转控制系统的结构示意图；

图4为本发明实施例中吸收体结构的剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

此处结合附图2对系统进行整体描述。如图2所示，本发明的具有高抗损伤能力，能够承受高功率激光的激光器光闸系统，包括偏转控制系统、全反镜、位于全反镜光路上的吸收体。

所述偏转控制系统，其利用旋转的方式控制全反镜移入和移出激光光路。当加工过程需要间断时，全反镜旋转移入激光光路中，全反镜改变激光的传播方向，使其发生偏转，从而截断激光的传输。当需要恢复加工状态时，全反镜旋转移出激光光路，激光重新进入加工区。

所述吸收体，其为空心圆柱体结构，其一端封闭，另一端为激光入射端；且封闭端的直径小于激光入射端的直径；所述吸收体的封闭端的内部低端具有一凸起的圆锥体，激光入射端固定安装有光束发散元件；所述光束发散元件表面、空心圆柱体的内部侧壁及圆锥体表面构成一冷却体，封闭端外表面加工有一个冷却水入口以及一个冷却水出口。冷却水由冷却水入口进入，充满这个冷却体，然后由另一侧冷却水出口流出至水冷系统，形成循环的水冷回路对光束发散元件、空心圆柱体侧边内部侧壁及圆锥形表面同时起到冷却效果。

所述光束发散元件，使入射的高功率激光预先发散，避免高功率激光直接入射到吸收体内的圆锥形凸起部分，降低高功率激光对圆锥形凸起部分的损害，增强吸收体的抗损伤能力。该发散元件可以为凹透镜，或一匀光棒。该光束发散元件固定于空心圆柱体内壁，其尺寸符合空心圆柱体的内径。

当高功率激光入射到所述圆锥形凸起的表面，经过该表面进行多次的反射和吸收，最终把入射的激光完全吸收掉。

图3示出了本发明实施例中偏转控制系统的结构示意图。如图3所示，偏转控制系统包括一个支架及一驱动系统。该支架包含一个转轴及一个长臂。长臂的一端固定在转轴上，转轴带动长臂进行旋转运动，旋转面平行于激光传播方向。激光全反镜固定在长臂的另一端，与支架长臂呈一固定的45度角，二者相对位置不变。激光全反镜随着长臂进行旋转运动，进入和移出激光光路以改变激光传播方向。所述驱动系统，直接控制转轴的旋转运动。

在高功率激光加工工件的过程中，该偏转控制系统中的长臂及全反镜如图3虚线部分所示。此时全反镜平面与激光束平行，呈离开激光光路的状态。当加工过程需要间断时，可通过驱动系统向转轴发出电信号，转轴启动，带动长臂及全反镜移动至如图3实线部分所示的位置，此时全反镜平面与激光束呈45度夹角，呈切入激光光路的状态。激光经过全反镜反射到静止的吸收体内部。

图4示出了本发明提出的吸收体的结构示意图。如图4所示，该吸收体为一体化的、非机械部件套接的空心圆柱体结构，一端封闭，另一端为高功率激光入射端。在空心圆柱体封闭端的内部底端有一凸起的圆锥体，圆锥体底面边缘靠近空心圆柱体侧边内壁。该空心圆柱体的直径成阶跃式变化，高功率激光入射端的圆柱体直径大于封闭一端的圆柱体直径。在大直径的一端固定安装一凹透镜作为光束发散元件，该凹透镜完全嵌合在大直径的一端，其尺寸由空心圆柱体内径尺寸决定。在大直径圆柱体内利用压环固定凹透镜。凹透镜表面、空心圆柱体的内部侧壁及圆锥形表面构成一个冷却体。在小直径圆柱体外表面加工一个冷却水入口及一个冷却水出口，二者与空心圆柱体内部连通，冷却水由冷却水入口进入，充满上述的冷却体，然后由另一侧冷却水出口流出至水冷系统，形成循环的水冷回路，对光束发散元件、空心圆柱体侧边内壁及圆锥形表面同时起到冷却效果。这种冷却方式中，冷却水可以直接冷却吸收体内部高功率激光的入射面，实现即时控温，提高了热转换效率，增强了吸收体的抗损伤能力。本实施例结构简单且易维护，开关光时间可调，采用直接冷却的方式控制吸收体内部温度，吸收体抗损伤能力增强，是一个能在高功率下长期稳定、可靠工作的激光器光闸系统。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有高抗损伤能力的激光器关闸系统，其包括偏转控制系统、全反镜、位于全反镜光路上的吸收体；其中，所述偏转控制系统利用旋转的方式控制全反镜移入和移出激光光路；所述吸收体为空心柱体结构，其一端为封闭端，另一端为激光入射端，所述封闭端内部低端具有一凸起的圆锥体，所述激光入射端固定有光束发散元件，使入射的激光预先发散；所述光束发散元件的表面、空心柱体的内部侧壁及圆锥体表面构成一冷却体，其内部注入冷却水，用于冷却光束发散元件、空心圆柱体内部侧壁及圆锥体表面。

2.如权利要求1所述的激光器关闸系统，其中，所述光束发散元件为凹透镜，或截匀光棒。

3.如权利要求1或2所述的激光器关闸系统，其中，所述吸收体的直径成阶跃式变化，激光入射端的柱体直径大于封闭端的柱体直径。

4.如权利要求3所述的激光器关闸系统，其中，所述光束发散元件固定于所述吸收体空心柱体内壁，其尺寸符合激光入射端的柱体内径。

5.如权利要求1所述的激光器关闸系统，其中，所述吸收体封闭端柱体外表面两侧分别开有冷却水入口和冷却水出口，冷却水从所述冷却水入口注入，充满所述冷却体后，从所述冷却水出口流出，形成循环的水冷回路。

6.如权利要求1所述的激光器关闸系统，其中，所述偏转控制系统包括支架和驱动系统，所述支架包括转轴和长臂；长臂一端固定在转轴上，另一端固定有全反射镜，所述转轴在驱动系统的驱动下带动长臂进行旋转。

7.如权利要求6所述的激光器关闸系统，其中，所述支架与长臂呈固定的45度角。

8.如权利要求6所述的激光器关闸系统，其中，当加工过程需要间断时，所述驱动系统控制转轴将全反镜旋转移入激光光路中，全反镜改变激光的传播方向，使其发生偏转，从而截断激光的传输；当需要恢复加工状态时，所述驱动系统控制转轴将全反镜旋转移出激光光路，激光重新进入加工区。

9.如权利要求8所述的激光器关闸系统，其中，当全反镜移入激光光路中时，所述全反镜平面与所述激光束呈45度夹角。