CN105044916A - 具备自动温度补偿的高功率激光器扩束镜系统 - Google Patents

Abstract

一种具备自动温度补偿的高功率激光器扩束镜系统，可依据扩束腔温度实时调节各透镜间距，有效保证激光器使用过程中的光束稳定性（扩束后的光斑直径及其平行度）。它包括温度传感器，直线轴承，扩束透镜，电磁铁及弹簧，控制系统等核心部件，可实时检测腔体温度并对环境或激光器发热导致的腔体变形进行补偿，进而稳定扩束透镜之间的距离，本发明能显著提高扩束系统的扩束精度以及光束稳定性，且控制精度以及自动化程度极高。

Description

具备自动温度补偿的高功率激光器扩束镜系统

技术领域

本发明涉及光学领域以及激光器领域，尤其是一种利用电磁原理实现扩束系统自动温度补偿的装置，具体地说是一种具备自动温度补偿的高功率激光器扩束镜系统。

背景技术

随着激光加工技术种类的日益增加以及加工材料的多样化，高功率激光器的使用需求也越来越多，例如高功率脉冲激光器在激光冲击强化、激光冲击成形等领域的应用以及高功率CO2激光器在激光焊接、激光熔覆及激光淬火等领域的应用等。这类高功率激光器除了高功率以外还需具有多样化的光束直径，以满足不同工件或材料的加工需求，这使得扩束系统在高功率激光器或其附属设备上的应用必不可少。

常见的扩束系统一般使用三透镜式扩束系统，例如专利号CN101750744B专利所述的由深圳市大族激光科技股份有限公司高云峰等人研制开发的激光扩束经系统，使用三块弯月型透镜实现激光光斑的放大以及最后的准直平行光输出。又如专利号为CN101788716A的专利同样利用三透镜实现了对于激光光斑的可变倍放大，同时实现以准直平行光射出。

高功率激光器在使用过程中电压高达数百至上千伏特，由于在电压输送、功率放大，空气电离等过程中不可避免的会产生热量从而造成激光器产生温升，同时激光器使用时的环境温度也存在较大变化，高功率激光器的实际温升一般在10-15℃，发热部件周围温度甚至高达40℃，因此必须考虑光学系统在温度改变时的稳定性，特别是扩束系统。针对这一问题，专利号为CN101738730A的专利提出一种可以实现单透镜间距环境温度手动补偿的激光扩束镜系统，但仍存在以下问题：1.温度补偿过程无法自动完成，操作繁琐，精度较低；2.仅实现单一间距的调整，若扩展至多间距调整需大幅变动扩束镜结构；3.结构复杂，加工成本较高。

因此本发明提出一种用电磁原理实现扩束系统自动温度补偿的装置，可实时检测腔体温度并对环境或激光器发热导致的腔体变形进行补偿，进而稳定扩束透镜之间的距离。本发明装置可显著提高扩束系统的扩束精度以及光束稳定性，控制精度以及自动化程度极高。通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现利用电磁原理实现扩束系统自动温度补偿的相关报道，本发明为首次提出该装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有的激光扩束装置不能实现自动温度补偿的问题，设计一种利用电磁原理实现扩束系统自动温度补偿的装置，它可以克服现有技术的缺点，可实时检测腔体温度并对环境或激光器发热导致的腔体变形进行补偿，进而稳定扩束透镜之间的距离。本发明可显著提高扩束系统的扩束精度以及光束稳定性，控制精度以及自动化程度极高，且温度补偿范围较广（±45℃）。

本发明的技术方案是：

一种具备自动温度补偿的高功率激光器扩束镜系统，它包括透镜Ⅰ5、透镜Ⅱ12、透镜Ⅲ17和扩束腔体13，透镜Ⅰ5与透镜Ⅱ12用于扩束，透镜Ⅲ17用于输出准直平行光束，其特征是所述的扩束腔体13的大端通过螺柱Ⅱ24与第一直线轴承外圈20及过渡支架23相连，透镜Ⅲ17通过压环Ⅲ16和轴套Ⅲ18安装在第一直线轴承内圈19的凹孔内，第一直线轴承内圈19通过滚珠Ⅱ15与第一直线轴承外圈20连接，形成第一直线轴承；扩束腔体13将电磁铁Ⅱ14压紧于过渡支架23的凹孔内，弹簧Ⅱ22的一端定位在过渡支架23的凹孔内，弹簧Ⅱ22的另一端定位在第一直线轴承内圈Ⅱ19的凹孔内；扩束腔体13的小端通过螺柱Ⅰ7与第二直线轴承外圈1相连，在扩束腔体13的小端上的凹孔中还安装有电磁铁Ⅰ8，透镜Ⅰ5安装在第二直线轴承内圈2中，第二直线轴承内圈2和第二直线轴承外圈1之间安装有滚珠Ⅰ6，弹簧Ⅰ9的一端与第二直线轴承内圈2的凹孔相抵，另一端与安装电磁铁Ⅰ8的凹孔相抵；透镜Ⅱ12安装在扩束腔体13的小端中；在第二直线轴承内圈1、第一直线轴承内圈19、扩束腔体13以及过渡支架23中均安装有温度传感器21，各温度传感器21分别采用导线与A/D转换器25端连接，电磁铁Ⅰ8、电磁铁Ⅱ14以及A/D转换器25与控制器26电气连接；控制器26与计算机27相连。

第二直线轴承内圈2和第一直接轴承内圈19采用铁或铁基材料，以便于与对应的电磁铁I8及电磁铁Ⅱ14之间产生吸力，而其余零部件均采用无磁材料制造。

所述的压环16与直线轴承内圈Ⅱ19之间采用过盈配合连接。

所述的透镜Ⅱ12采用压环Ⅱ10与轴套Ⅱ11压紧在扩束腔体13的小端中。

本发明的有益效果是：

1.可实时检测腔体温度并对环境或激光器发热导致的腔体变形进行补偿，进而稳定扩束透镜之间的距离；

2.利用电磁原理实现扩束系统自动温度补偿，完全自动化控制，适应自动化生产需求；

3.本发明的温度补偿范围较广±45℃，可对激光器温升以及环境温度改变等综合产生的温度变化实现补偿。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2是本发明的自动温度补偿效果示意图。

图中：1.第二直线轴承外圈，2.第二直线轴承内圈，3.压环Ⅰ，4.轴套Ⅰ，5.透镜Ⅰ，6.滚珠Ⅰ，7.螺柱Ⅰ，8.电磁铁Ⅰ，9.弹簧Ⅰ，10.压环Ⅱ，11.轴套Ⅱ，12.透镜Ⅱ，13.扩束腔体，14.电磁铁Ⅱ，15.滚珠Ⅱ，16.压环Ⅲ，17.透镜Ⅲ，18.轴套Ⅲ，19.第一直线轴承内圈，20.第一直线轴承外圈，21.温度传感器，22.弹簧Ⅱ，23.过渡支架，24.螺柱Ⅱ，25.A/D转换器，26.控制器，27.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-2所示。

本实施例的激光器采用德国spitlight2000脉冲激光器，激光能量0~2J，脉宽8ns，频率1~10Hz。

一种具备自动温度调节的高功率激光器扩束镜系统，如图1所示，透镜Ⅲ17通过压环Ⅲ16和轴套Ⅲ18压紧在第一直线轴承内圈19的凹孔内，压环16与第一直线轴承内圈19之间采用过渡配合连接，同时第一直线轴承内圈19通过滚珠Ⅱ15与第一直线轴承外圈Ⅱ20连接，形成直线轴承；第一直线轴承外圈20与过渡支架23与扩束腔体13大端之间采用螺柱Ⅱ24连接，同时扩束腔体13将电磁铁Ⅱ14压紧于过渡支架23的凹孔内，过渡支架23的另一侧凹孔内安装弹簧Ⅱ22，且弹簧Ⅱ22另一端水平安装在第一直线轴承内圈19的凹孔内；在扩束腔体13右端面，采用压环Ⅱ10与轴套Ⅱ11将透镜Ⅱ12压紧在扩束腔体13小端的凹孔内；扩束腔体13右端（小端）采用螺柱Ⅰ7与第二直线轴承外圈1相连接，且扩束腔体13小端上的凹孔内安装有电磁铁Ⅰ8，电磁铁Ⅰ8与扩束腔体13凹孔之间采用螺纹固定；第二直线轴承外圈1、第二直线轴承内圈2、压环Ⅰ3、轴套Ⅰ4、透镜Ⅰ5、滚珠Ⅰ6、弹簧Ⅰ9等部件的安装与连接方法与部件15-20相同；在第一、第二直线轴承内圈1、19，扩束腔体13以及过渡支架23多个位置安装温度传感器21（见图1中的A、B、C、D、E处），且分别采用导线与A/D转换器25的A-E端连接，同时将电磁铁8Ⅰ（包括Ⅰ、Ⅱ）、电磁铁Ⅱ14（包括Ⅲ、Ⅳ）以及A/D转换器25与控制器26采用导线连接；在需要更新控制器程序时，使用通讯线将控制器26与计算机27相连接。其中，透镜Ⅰ5与透镜Ⅱ12用于实现扩束，透镜Ⅲ17用于输出准直平行光束。第一、第二直线轴承内圈1、19采用纯铁，而其余零部件均采用铝基材料。

本发明的扩束过程为：

A.使用计算机27为控制器26更新控制程序；

B.温度传感器21通过A/D转换器25实时向控制器26反馈温度数据；

C.控制器26根据温度数据以及材料属性计算间距补偿值，并换算为电磁铁电流值；

D.控制器26通过电流控制电磁铁8、14产生吸力，使直线轴承内圈1、19克服弹簧9、22的弹力向电磁铁8、14方向水平移动，移动距离为控制器26计算的间距补偿值，最终实现扩束系统的自动温度补偿。

扩束效果如图2所示。激光器以1.8J5Hz高功率运行48小时后，激光器温升8-12摄氏度，室温上升约6摄氏度。原始光斑（6mm）经过无温度补偿功能的×1.5扩束装置后光斑直径约为11.7mm，实际放大倍数为×1.95；而原始光斑经过自动温度补偿的×1.5扩束装置后光斑直径约为9.2mm，实际放大倍数为×1.53，说明本发明的扩束镜系统对光束质量的控制精度极高。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种具备自动温度补偿的高功率激光器扩束镜系统，它包括透镜Ⅰ（5）、透镜Ⅱ（12）、透镜Ⅲ（17）和扩束腔体（13），透镜Ⅰ（5）与透镜Ⅱ（12）用于扩束，透镜Ⅲ（17）用于输出准直平行光束，其特征是所述的扩束腔体（13）的大端通过螺柱Ⅱ（24）与第一直线轴承外圈（20）及过渡支架（23）相连，透镜Ⅲ（17）通过压环Ⅲ（16）和轴套Ⅲ（18）安装在第一直线轴承内圈（19）的凹孔内，第一直线轴承内圈（19）通过滚珠Ⅱ（15）与第一直线轴承外圈（20）连接，形成第一直线轴承；扩束腔体（13）将电磁铁Ⅱ（14）压紧于过渡支架（23）的凹孔内，弹簧Ⅱ（22）的一端定位在过渡支架（23）的凹孔内，弹簧Ⅱ（22）的另一端定位在第一直线轴承内圈Ⅱ（19）的凹孔内；扩束腔体（13）的小端通过螺柱Ⅰ（7）与第二直线轴承外圈（1）相连，在扩束腔体（13）的小端上的凹孔中还安装有电磁铁Ⅰ（8），透镜Ⅰ（5）安装在第二直线轴承内圈（2）中，第二直线轴承内圈（2）和第二直线轴承外圈（1）之间安装有滚珠Ⅰ（6），弹簧Ⅰ（9）的一端与第二直线轴承内圈（2）的凹孔相抵，另一端与安装电磁铁Ⅰ（8）的凹孔相抵；透镜Ⅱ（12）安装在扩束腔体（13）的小端中；在第二直线轴承内圈（1）、第一直线轴承内圈（19）、扩束腔体（13）以及过渡支架（23）中均安装有温度传感器（21），各温度传感器（21）分别采用导线与A/D转换器（25）端连接，电磁铁Ⅰ（8）、电磁铁Ⅱ（14）以及A/D转换器（25）与控制器（26）电气连接；控制器（26）与计算机（27）相连。

2.如权利要求1所述的具备自动温度补偿的高功率激光器扩束镜系统，其特征在于第二直线轴承内圈（2）和第一直接轴承内圈（19）采用铁或铁基材料，以便于与对应的电磁铁I（8）及电磁铁Ⅱ（14）之间产生吸力，而其余零部件均采用无磁材料制造。

3.如权利要求1所述的具备自动温度补偿的高功率激光器扩束镜系统，其特征是所述的压环（16）与直线轴承内圈Ⅱ（19）之间采用过盈配合连接。

4.如权利要求1所述的具备自动温度补偿的高功率激光器扩束镜系统，其特征是所述的透镜Ⅱ（12）采用压环Ⅱ10与轴套Ⅱ11压紧在扩束腔体13的小端中。