CN105116553A - 一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统，可获得上百毫米范围内任意长度的均匀能量分布的线光斑光路结构，由离轴抛物镜、旋转振镜、斜平面反射镜、斜球面反射镜组成，适用于大范围功率的光纤输出类激光器，CO₂激光器等大范围激光器，能够获得聚焦光束传输方向一致、聚焦光斑位置基本共面的能量分布基本均匀的线光斑，聚焦镜焦深较长，适用于二维平面或三维曲面的高速大面积激光淬火、激光熔覆以及激光清洗。

Description

一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统

技术领域：

本发明涉及一种针对大范围功率、大范围激光器的基于单振镜匀速扫描的光路系统，尤其涉及一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统。

背景技术：

在激光加工行业中，激光淬火利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层；激光熔覆通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层；激光清洗是对材料表面实行高效、快捷的清除锈蚀、污染物，起到净化表面的作用。

上述三种激光工艺，特别是激光淬火与激光熔覆，往往需要对材料表面进行均匀加热，以满足加工需求，常用的有离焦法、积分聚焦法与振动法。

离焦法是通过采用聚焦光斑离焦段对材料进行较均匀加热，但这比较依赖于激光器输出光束模式，且对于各种面积激光淬火或熔覆甚至清洗等，速度都相对较慢。

积分聚焦法有反射式与透射式两种，反射式镜片典型的以KUGLER积分镜为代表，透射式常采用透镜阵列等非常规镜片对光束整形，要进行大面积的激光加工，积分光斑越长，意味着能量越分散，同样不适用于高速大面积的激光淬火/熔覆。

振动法一般是基于双片振镜扫描，对聚焦光束方向进行转折，在振镜旋转满足一定关系条件下，获得能量分布高且较均匀的线条光斑，同时给定一定的线光斑与材料的相对速度，可实现较大面积的激光加工。缺点是，聚焦光束在振镜旋转过程中并不以同一角度入射到材料表面，同时聚焦点并不在同一平面上，一定程度上限制了线条光斑上限长度。另外，往往需要两片振镜旋转偏角配合，来获得线条光斑，光路运作上相对复杂。

为了克服以上现有问题，降低光学上的因素对激光加工处理的影响，同时考虑到振镜扫描可获得一定范围内任意长度的均匀能量分布线条形光斑，可满足目前高速激光淬火、激光熔覆与激光清洗，也能实现较大面积的上述激光加工，本人设计了一种基于单振镜扫描均匀线光斑光路结构，在振镜匀速旋转时聚焦光束传输方向一致且聚焦光斑基本在同一平面上，可获得更大上限长度、宽度一致的均匀能量分布线光斑，同时由于聚焦镜焦距较长，使得聚焦光束焦深较大，适用于更大范围的平面及三维激光淬火、激光熔覆以及激光清洗。

发明内容：

为了克服现有激光淬火、激光熔覆及激光清洗光路在运作速度上较慢或由于光路自身问题致使无法进行更大面积、更高效的激光加工，同时结合振镜扫描系统可获得一定范围内任意长度线条光斑这一优势，本发明提供了一种可获得一定范围内任意长度均匀线条光斑的同时，实现了更长上限的线条光斑，满足光学上聚焦光束传输方向一致、聚焦光斑位置基本相同，且线条光斑在长向能量分布均匀，宽度一致的技术方案：

一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统，可获得上百毫米范围内任意长度的均匀能量分布的线光斑光路结构，由离轴抛物镜、旋转振镜、斜平面反射镜、斜球面反射镜组成，离轴抛物镜、旋转振镜、斜平面反射镜、斜球面反射镜中心位于一直线上，离轴抛物镜的平面紧邻激光器的出光口，旋转振镜位于离轴抛物镜一侧，斜平面反射镜位于聚焦焦点处，斜球面反射镜位于旋转振镜与斜平面反射镜之间。

作为优选，准分子激光出口发射的激光束经过离轴抛物镜准直、旋转振镜反射，聚焦于斜球面反射镜焦距之前，使其到达斜球面反射镜焦距位置时发散为线光斑。

作为优选，旋转振镜正反匀速旋转，旋转角取决于需求的线光斑长度，转速变化决定能量分布均匀性。

作为优选，斜平面反射镜光束反射角4°—5°，偏转角为8°—10°，斜球面反射镜光束偏转角与斜平面反射镜一致。

作为优选，斜平面反射镜包括类平面基底以及安装在基底上的多个平面反射镜，各平面反射镜相对于类平面基底分别劝一定的倾斜方向和角度，类平面基底的底面为平面，用于安装平面反射镜的安装面具有多个倾斜凸块组成的陈列，各倾斜凸块的倾斜面的倾斜方向和角度分别与各平面反射镜的倾斜方向和角度相适配。

作为优选，形成线光斑主要包括以下步骤：

A、出射发散光经过所述离轴抛物镜准直，获得准直光束；

B、准直光束经过所述旋转振镜，通过匀速旋转振镜2，可得到匀速旋转的反射准直光，进而形成扇形扫描准直光束；

C、扫描准直光束再经过所述斜平面反射镜，改变准直光束传输方向，形成折叠光路，同时保留光束扫描角；

D、最后经过具有一定倾斜角的大曲率半径球面反射镜聚焦，获得聚焦光束传输方向一致、聚焦光斑位置基本相同的线光斑。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明获得聚焦光束传输方向一致、聚焦位置基本相同的上百毫米范围内任意长度的线光斑，其能量分布均匀性取决于旋转振镜的转速变化，转速不变，能量分布即均匀，由于聚焦镜焦距较大，聚焦焦深较长，可适用于二维平面、三维曲面激光淬火、激光熔覆以及激光清洗，不仅满足上述激光加工高速运作，也能实现大面积的处理。

(2)本发明结构简单，易于实现，制造成本低，其采用激光器直接输出，功率损耗小，配合离轴抛物镜、旋转振镜、斜平面反射镜、斜球面反射镜成形的线光斑质量均匀，且由于斜球面反射镜高度不小于经斜平面反射镜反射后的光斑的高度，使得光束能够得到最大程度的聚焦，从而提高了光斑的亮度，减小了光斑的宽度。

附图说明：

图1为本发明的光路原理图；

图2是图1原图的立体投影图；

图3为图2的正视图；

图4为图2的侧视图；

图5为图2的俯视图；

图6是图1去光路镜片结构图。

具体实施方式：

为使本发明的发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

如图1～6所示，一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统，可获得上百毫米范围内任意长度的均匀能量分布的线光斑光路结构，由离轴抛物镜1、旋转振镜2、斜平面反射镜3、斜球面反射镜4组成，离轴抛物镜1、旋转振镜2、斜平面反射镜3、斜球面反射镜4中心位于一直线上，离轴抛物镜1的平面紧邻激光器的出光口，旋转振镜2位于离轴抛物镜1一侧，斜平面反射镜3位于聚焦焦点处，斜球面反射镜4位于旋转振镜2与斜平面反射镜3之间，所有镜片均为反射式镜片，光路结构以非镀膜反射镜为参考基准，在旋转振镜2匀速旋转时，可获得能量分布均匀、聚焦光束传输方向一致、聚焦位置基本共面的上百毫米范围内任意长度的线条光斑。

本实施例中，离轴抛物准直镜根据激光器选定，旋转振镜2可正反匀速旋转，旋转角取决于需求的线光斑长度，转速变化决定能量分布均匀性；斜平面反射镜3包括类平面基底以及安装在基底上的多个平面反射镜，各平面反射镜相对于类平面基底分别劝一定的倾斜方向和角度，类平面基底的底面为平面，用于安装平面反射镜的安装面具有多个倾斜凸块组成的陈列，各倾斜凸块的倾斜面的倾斜方向和角度分别与各平面反射镜的倾斜方向和角度相适配。斜平面反射镜3目的在于对光束进行折叠，保证旋转振镜2与斜球面反射镜4光程。

具体的，为降低光路占用体积，同时便于机械结构设计，离轴抛物镜1光束偏转角常选用90°。光纤输出光束在离轴抛物镜1准直下，形成准直光束，准直光束经过旋转振镜2产生反射，图1中，旋转振镜2下方有一细柱，为旋转振镜2的旋转轴，通过旋转振镜2旋转轴，形成扇形的准直光束体，入射光束、准直光束、反射扫描光束中心处于同一平面。准直光束体经过斜平面反射镜3，综合考虑光束质量与机械结构设计，斜平面反射镜3光束反射角4°—5°，偏转角为8°—10°，经过斜平面反射镜3反射后，不改变扫描范围角，仅改变平行光束传输方向，光束最后经过与斜球面反射镜4聚焦，斜斜球面反射镜4光束偏转角与斜平面反射镜3一致，聚焦光束传输方向一致，扫描聚焦点基本在同一平面上，形成线条光斑，线光斑长短取决于旋转振镜2旋转角、旋转振镜2与斜球面反射镜4光程。在旋转振镜2转速一致而扫描角度任意时，聚焦线光斑能量分布均匀，长度任意。

另外在图6中，离轴抛物镜1、旋转振镜2间距依据机械设计离轴抛物镜1根据激光器输出光取舍，旋转振镜2扫描角范围以及旋转振镜2、斜平面反射镜3间距决定了斜平面反射镜长度，斜球面反射镜4长度取决于旋转振镜2扫描角范围和旋转振镜2、斜球面反射镜4光程，同时旋转振镜2、斜球面反射镜4光程大致决定了斜球面反射镜4曲率半径，从而决定聚焦焦点位置。

在本实施例中形成线光斑主要包括以下步骤：

A、出射发散光经过所述离轴抛物镜1准直，获得准直光束；

B、准直光束经过所述旋转振镜2，通过匀速旋转振镜2，可得到匀速旋转的反射准直光，进而形成扇形扫描准直光束；

C、扫描准直光束再经过所述斜平面反射镜3，改变准直光束传输方向，形成折叠光路，同时保留光束扫描角；

D、最后经过具有一定倾斜角的大曲率半径球面反射镜4聚焦，获得聚焦光束传输方向一致、聚焦光斑位置基本相同的线光斑。

本发明的有益效果在于：本发明获得聚焦光束传输方向一致、聚焦位置基本相同的上百毫米范围内任意长度的线光斑，其能量分布均匀性取决于旋转振镜的转速变化，转速不变，能量分布即均匀，由于聚焦镜焦距较大，聚焦焦深较长，可适用于二维平面、三维曲面激光淬火、激光熔覆以及激光清洗，不仅满足上述激光加工高速运作，也能实现大面积的处理，同时本发明结构简单，易于实现，制造成本低，其采用激光器直接输出，功率损耗小，配合离轴抛物镜、旋转振镜、斜平面反射镜、斜球面反射镜成形的线光斑质量均匀，且由于斜球面反射镜高度不小于经斜平面反射镜反射后的光斑的高度，使得光束能够得到最大程度的聚焦，从而提高了光斑的亮度，减小了光斑的宽度。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统，可获得上百毫米范围内任意长度的均匀能量分布的线光斑光路结构，其特征在于：由离轴抛物镜、旋转振镜、斜平面反射镜、斜球面反射镜组成，所述离轴抛物镜、所述旋转振镜、所述斜平面反射镜、所述斜球面反射镜中心位于一直线上，所述离轴抛物镜的平面紧邻激光器的出光口，所述旋转振镜位于所述离轴抛物镜一侧，所述斜平面反射镜位于聚焦焦点处，所述斜球面反射镜位于所述旋转振镜与所述斜平面反射镜之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统，其特征在于：准分子激光出口发射的激光束经过所述离轴抛物镜准直、所述旋转振镜反射，聚焦于所述斜球面反射镜焦距之前，使其到达斜球面反射镜焦距位置时发散为线光斑。

3.根据权利要求1所述的一种基于单振镜高速匀速扫描的均匀线光斑光路系统，其特征在于：所述旋转振镜正反匀速旋转，旋转角取决于需求的线光斑长度，转速变化决定能量分布均匀性。

4.根据权利要求1所述的一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统，其特征在于：所述斜平面反射镜光束反射角4°—5°，偏转角为8°—10°，所述斜球面反射镜光束偏转角与所述斜平面反射镜一致。

5.根据权利要求1所述的一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统，其特征在于：所述斜平面反射镜包括类平面基底以及安装在基底上的多个平面反射镜，各平面反射镜相对于类平面基底分别劝一定的倾斜方向和角度，所述类平面基底的底面为平面，用于安装平面反射镜的安装面具有多个倾斜凸块组成的陈列，各倾斜凸块的倾斜面的倾斜方向和角度分别与各平面反射镜的倾斜方向和角度相适配。

6.根据权利要求1所述的一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统，其特征在于：形成线光斑主要包括以下步骤：

A、出射发散光经过所述离轴抛物镜准直，获得准直光束；

B、准直光束经过所述旋转振镜，通过匀速旋转振镜，可得到匀速旋转的反射准直光，进而形成扇形扫描准直光束；

C、扫描准直光束再经过所述斜平面反射镜，改变准直光束传输方向，形成折叠光路，同时保留光束扫描角；

D、最后经过具有一定倾斜角的大曲率半径所述球面反射镜聚焦，获得聚焦光束传输方向一致、聚焦光斑位置基本相同的线光斑。