CN105149772A - 激光装置、控制系统及稳定激光光路能量和指向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种激光装置、控制系统及稳定激光光路能量和指向的方法。激光装置包括激光器、第一反射镜、第二反射镜、第一探测器、第二探测器和能量调节机构；第一反射镜、第二反射镜和能量调节机构沿激光器的光路方向依次设置；第一探测器和第二探测器分别用于检测第一反射镜上的激光的光斑位置信息和激光的取样能量值以及第二反射镜上的激光的光斑位置信息和激光的取样能量值；第一反射镜和第二反射镜分别安装在两个转动调节机构上。本发明实施例提供的激光装置、控制系统及稳定激光光路能量和指向的方法能有效保证激光光路能量和指向的稳定。

Description

激光装置、控制系统及稳定激光光路能量和指向的方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种激光装置、控制系统及稳定激光光路能量和指向的方法。

背景技术

激光具有单色性好、方向性强、亮度高等优点，随着科技的不断发展进步，激光技术也逐渐应用到各个领域。

目前，在加工行业中常采用激光技术，加工时将激光器发出的激光经光束传输系统后直接入射到待加工的工件上即可进行加工。然而发明人在研究上发现，受激光器本身、温度以及震动等各方面因素的影响，入射到待加工的工件上的激光能量大小以及激光光斑位置常发生变动，影响加工质量，特别是一些十分精密的工件，这种情况尤为明显。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种激光装置、控制系统及稳定激光光路能量和指向的方法，以改善上述问题。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种激光装置，激光装置包括：激光器、第一反射镜、第二反射镜、第一探测器、第二探测器和能量调节机构；

所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述能量调节机构沿所述激光器的光路方向依次设置；

所述第一探测器用于检测入射到所述第一反射镜上的激光的光斑位置信息，所述第二探测器用于检测入射到所述第二反射镜上的激光的光斑位置信息；

所述第一探测器还用于检测入射到所述第一反射镜上的激光的取样能量值，和/或，所述第二探测器还用于检测入射到所述第二反射镜上的激光的取样能量值；

所述第一反射镜和所述第二反射镜分别安装在两个转动调节机构上。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第一探测器包括第一位置探测器，所述第二探测器包括第二位置探测器和第二能量探测器；

所述第一位置探测器用于检测所述入射到所述第一反射镜上的激光的光斑位置信息；

所述第二位置探测器用于检测所述入射到所述第二反射镜上的激光的光斑位置信息，所述第二能量探测器用于检测所述入射到所述第二反射镜上的激光的取样能量值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述能量调节机构为声光调制器或电光调制器。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述能量调节机构包括半波片和偏振分光棱镜，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述半波片和所述偏振分光棱镜沿所述激光器的光路方向依次设置。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，激光装置还包括吸收体，所述吸收体沿所述激光器的光路上的激光中的S偏振分量经所述偏振分光棱镜反射后的方向设置。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述激光器为固体激光器或半导体激光器。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，激光装置还包括激光装置外壳，所述激光器、所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第一探测器、所述第二探测器、所述能量调节机构和所述第三反射镜均设置于所述激光装置外壳内。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，激光装置还包括用于校准所述激光器的光路方向的第一工装和第二工装，所述第一工装位于所述第二探测器和所述能量调节机构之间，所述第二工装位于所述能量调节机构的远离所述第二探测器的一侧。

第二方面，本发明实施例提供了一种激光控制系统，激光控制系统包括上述任一所述激光装置，还包括控制装置，所述控制装置用于根据所述第一探测器和所述第二探测器检测到的所述光斑位置信息和取样能量值，控制安装在所述转动调节机构上的所述第一反射镜的安装角度、安装在转动调节机构上的所述第二反射镜的安装角度以及激光器发出的激光经过所述能量调节机构的调节后输出的激光的能量大小。

第三方面，本发明实施例提供了一种用于上述激光控制系统的稳定激光光路能量和指向的方法，稳定激光光路能量和指向的方法包括：

控制装置获得激光的数据信息，所述数据信息包括入射到所述第一反射镜上的激光的光斑位置信息、入射到所述第二反射镜上的激光的光斑位置信息，入射到所述第一反射镜上的激光的取样能量值，和/或，入射到所述第二反射镜上的激光的取样能量值；

所述控制装置根据预设的算法对获得的所述数据信息进行运算，得到补偿数据；

所述控制装置根据所述补偿数据控制安装在转动调节机构上的所述第一反射镜的安装角度、安装在转动调节机构上的所述第二反射镜的安装角度以及激光器发出的激光经过能量调节机构的调节后输出的激光的能量大小。

本发明实施例提供的激光装置、控制系统及稳定激光光路能量和指向的方法，通过控制装置根据第一探测器和第二探测器检测到的光斑位置信息和取样能量值，控制安装在转动调节机构上的第一反射镜和第二反射镜的安装角度以及激光器发出的激光经过能量调节机构的调节后输出的激光的能量大小，从而同时保证了激光光路能量和指向的稳定性，保障了加工效果良好。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明第一实施例所提供的激光装置的结构示意图；

图2示出了本发明第二实施例所提供的激光装置的结构示意图；

图3示出了本发明第三实施例所提供的稳定激光光路能量和指向的方法的流程图。

主要元件符号说明：

激光器101，第一反射镜102，第二反射镜103，第一探测器104，第二探测器105，半波片201，偏振分光棱镜202，第三反射镜203，吸收体204。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

激光具有单色性好、方向性强、亮度高等优点，随着科技的不断发展进步，激光技术也逐渐应用到各个领域。目前，在加工行业中常采用激光技术，加工时将激光器发出的激光经光束传输系统后直接入射到待加工的工件上即可进行加工。然而受激光器本身、温度以及震动等各方面因素的影响，入射到待加工的工件上的激光能量大小以及激光光斑位置常发生变动，影响加工质量，特别是一些十分精密的工件，这种情况尤为明显。基于此，发明人经过不断的研究，提出了本发明实施例提供的激光装置、控制系统及稳定激光光路能量和指向的方法。

实施例一

参阅图1，本发明实施例提供了一种激光控制系统，激光控制系统包括激光装置和控制装置，激光装置包括激光器101、第一反射镜102、第二反射镜103、第一探测器104、第二探测器105和能量调节机构；第一反射镜102、第二反射镜103和能量调节机构沿激光器101的光路方向依次设置，即激光器101发出的激光依次经第一反射镜102和第二反射镜103反射后入射到能量调节机构，再由能量调节机构调节后射出。第一探测器104用于检测入射到第一反射镜102上的激光的光斑位置信息和激光的取样能量值，第二探测器105用于检测入射到第二反射镜103上的激光的光斑位置信息和激光的取样能量值；第一反射镜102和第二反射镜103分别安装在两个转动调节机构上，该两个转动调节机构分别与控制装置电联结；控制装置用于根据第一探测器104和第二探测器105检测到的光斑位置信息和取样能量值，控制安装在转动调节机构上的第一反射镜102、第二反射镜103的安装角度以及激光器101发出的激光经过能量调节机构调节后输出的激光能量大小。

具体的，第一探测器104和第二探测器105均采用BeamTrack传感器，BeamTrack传感器可既可用于探测激光的光斑位置信息又可以探测激光的能量值，能量调节机构采用安装在旋转电机上的半波片201和偏振分光棱镜202。

第一反射镜102和第二反射镜103可透过一定比例的激光能量，取样能量值即为激光透过第一反射镜102和第二反射镜103后的能量值大小，根据取样能量值的大小以及第一反射镜102和第二反射镜103透过激光能量的比例即可计算出入射到第一反射镜102和第二反射镜103上的激光能量大小。

使用激光装置对待加工的工件进行加工时，激光器101发出的激光入射到第一反射镜102，第一探测器104检测入射到第一反射镜102上的激光的光斑位置信息以及激光的取样能量值并反馈给控制装置，入射到第一反射镜102上的激光经第一反射镜102反射后入射到第二反射镜103，第二探测器105检测入射到第二反射镜103上的激光的光斑位置信息以及激光的取样能量值并反馈给控制装置。入射到第二反射镜103上的激光经第二反射镜103反射后入射到半波片201上，入射到半波片201上的激光经半波片201偏转后入射到偏振分光棱镜202，偏振分光棱镜202容许激光中的P偏振分量(即P光)通过，而S偏振分量(即S光)则会被反射，由于半波片201和偏振分光棱镜202固有的特性，激光经过半波片201时，可以通过旋转半波片201的角度调节出射激光的偏振方向，偏振分光棱镜使P光透过，S光反射，从而使激光透过偏振分光棱镜202的透过率不同，透过偏振分光棱镜202的激光经聚焦镜聚焦后入射到待加工的工件上，从而实现对工件的加工，图中的箭头方向表示激光的光路方向。

控制装置可以采用专用的控制器或计算机等，在使用激光装置对工件加工前，已经预先设定好第一反射镜102和第二反射镜103的安装角度，即已确定好激光的光路，此时入射到第一反射镜102和第二反射镜103上的激光的光斑位置信息也已记录在控制装置内，第一探测器104和第二探测器105实时采集或每隔固定时间采集第一反射镜102镜上的光斑位置信息和第二反射镜103上的光斑位置信息并反馈给控制装置，当激光的光路偏离原设定好的激光的光路时，控制装置根据预先设定的光斑位置信息以及第一探测器104和第二探测器105采集到的光斑位置信息计算出相应的补偿数据(即第一反射镜102和第二反射镜103需转动的角度值，例如预先设定的入射到第一反射镜102上的激光的光斑位置信息为D1，第一探测器104采集到的入射到第一反射镜102上的激光的光斑位置信息为D2，则补偿数据为D1与D2之间的差值对应的转动角度值)并控制用于安装第一反射镜102和第二反射镜103的调节机构转动，从而使激光沿原已确定好的激光的光路经聚焦镜聚焦后入射到待加工的工件上。

同时，第一探测器104和第二探测器105检测入射到第一反射镜102和第二反射镜103上的激光的取样能量值并反馈给控制装置，不同角度入射到半波片201上的激光经半波片201偏转后透过偏转分光棱镜的比例(即透过的激光的能量值所占的比例)不同，在对待加工的工件加工前，控制装置即已记录好不同角度对应透过的激光的能量值所占的比例以及适于加工的激光的能量值范围，当第一探测器104和第二探测器105检测到的取样能量值超出记录的激光的能量值范围(即入射到第一探测器104和第二探测器105上的激光能量超过额定的范围)时，控制装置根据预先设定的激光的能量值计算出偏振分光棱镜202输出的激光的能量符合加工要求所需转动半波片201的角度值，并控制用于安装半波片201的旋转机构转动，从而使入射到待加工的工件上的激光的能量大小符合加工要求。

本实施例中，用于安装第一反射镜102和第二反射镜103的转动调节机构可以采用电动调节座或旋转电机等，其实现方式可以有多种，以电动调节座为最佳。同样的半波片201也可以安装在电动调节座或旋转电机等可以转动的机构上，本实施例中，半波片201以安装在旋转电机上为最佳。

本实施中，第一探测器104和第二探测器105均可用于检测激光的能量值，当然，并不一定要求第一探测器104和第二探测器105均可检测激光的能量值，只要满足其中至少一个可以检测激光的能量值即可。另外，作为另一种可行的实施方式，第一探测器104和第二探测器105可以分别采用两个不同的探测器组合，即第一探测器104采用第一位置探测器(例如BH四象限探测器或RAYAN四象限探测器等)和第一能量探测器组合的方式，第二探测器105采用第二位置探测器(例如BH四象限探测器或RAYAN四象限探测器等)和第二能量探测器组合的方式。同时，能量调节机构也不仅限于半波片201和偏振分光棱镜202组合的方式，例如还可以采用声光调制器或电光调制器等多种方案替代。

在使用激光装置对待加工的工件进行加工前，需要确定激光的光路，为便于确定激光的光路，本实施例提供的激光装置还设置有第一工装和第二工装，第一工装和第二工装上分别设有一小孔，能量调节机构位于第一工装和第二工装之间，确定激光光路时，调节第一反射镜102和第二反射镜103的安装角度使激光器101发出的激光经第一反射镜102和第二反射镜103反射后刚好经过两个工装上的小孔，此时，形成的光路即为确定好的激光的光路。

本实施例中，也可以采用在第一工装和第二工装上设置十字交叉孔来确定激光的光路，或者采用两个四现象位置传感器来代替第一工装和第二工装。

另外，本实施例中，激光器101采用的是固体激光器101，当然，激光器101的实现方式可以为多种，例如还可以采用气体激光器101或半导体激光器101等。

本发明实施例提供的激光控制系统及激光装置，通过第一探测器104和第二探测器105检测入射到第一反射镜102和第二反射镜103上的激光的光斑位置信息以及激光的取样能量值并反馈给控制装置，控制装置根据接收到的激光的光斑位置信息以及激光的取样能量值计算出相应的补偿数据，根据该补偿数据控制用于安装第一反射镜102和第二反射镜103的调节机构转动以及安装半波片201的旋转机构转动，使得激光能沿原已确定好的激光的光路经聚焦镜聚焦后入射到待加工的工件上，且入射到待加工的工件上的激光的能量大小符合加工要求，因此，有效保证了激光装置的激光光路能量和指向的稳定，保障加工效果良好。

实施例二

参阅图2，本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，本实施例中未涉及之处请参见实施例一中的描述。

在使用激光装置对待加工的工件进行加工的过程中，入射到偏振分光棱镜202上的激光中的S偏振分量会被反射，为避免反射回来的部分激光对工作人员造成伤害，本实施例提供的激光装置还设置有吸收体204，吸收体204沿激光器101的光路上的激光中的S偏振分量经偏振分光棱镜202反射后的方向设置，通过设置吸收体204可吸收反射回来的激光中的S偏振分量，避免在使用激光装置对待加工的工件进行加工的过程中对工作人员进行伤害。本实施例中，吸收体204可以采用石墨烯材料或铜制材料制成，其中以石墨烯材料为较佳。

进一步的，为方便对待加工的工件进行加工，本实施例提供的激光装置还设置有第三反射镜203，第一反射镜102、第二反射镜103、能量调节机构和第三反射镜203沿所述激光器101的光路方向依次设置。通过设置第三反射镜203，可以起到加长光路和转折光路的作用，进一步方便对待加工的工件进行加工。

另外，为避免激光装置在外力作用下损坏，本实施例提供的激光控制系统中的激光装置还可以设置激光装置外壳，激光器101、第一反射镜102、第二反射镜103、第一探测器104、第二探测器105、能量调节机构和第三反射镜203均设置于激光装置外壳内，通过设置激光装置外壳可以对激光器101、第一反射镜102、第二反射镜103、第一探测器104、第二探测器105、能量调节机构和第三反射镜203起到很好的保护作用，避免激光装置在外力作用下损坏的情况发生。在设置激光装置外壳时，需在外壳上设置一个用于激光通过的通孔以便激光器101发出的激光对待加工的工件进行加工。

实施例三

参阅图3，本发明实施例提供了一种用于上述激光控制系统的稳定激光光路能量和指向的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S301：控制装置获得激光的数据信息，数据信息包括入射到第一反射镜上的激光的光斑位置信息、入射到第二反射镜上的激光的光斑位置信息，入射到第一反射镜上的激光的取样能量值，和/或，入射到第二反射镜上的激光的取样能量值。

使用激光装置对待加工的工件进行加工时，激光器发出的激光入射到第一反射镜，第一探测器检测入射到第一反射镜上的激光的光斑位置信息以及激光的取样能量值并反馈给控制装置，入射到第一反射镜上的激光经第一反射镜反射后入射到第二反射镜，第二探测器检测入射到第二反射镜上的激光的光斑位置信息以及激光的取样能量值并反馈给控制装置。

其中，第一探测器和第二探测器可以实时采集或者每隔固定时间采集第一反射镜镜上的光斑位置信息和激光的取样能量值以及第二反射镜上的光斑位置信息和激光的取样能量值并反馈给控制装置。

本实施例中，能量调节机构采用半波片和偏振分光棱镜组合而成，由于半波片和偏振分光棱镜固有的特性，不同的入射角度的激光经半波片偏转后，透过偏振分光棱镜的透过率不同。

步骤S302：控制装置根据预设的算法对获得的数据信息进行运算，得到补偿数据；

控制装置获得第一探测器检测到的激光的光斑位置信息和激光的取样能量值以及第二探测器检测到的激光的光斑位置信息和激光的取样能量值以后，根据第一探测器和第二探测器采集到的光斑位置信息以及激光的取样能量值计算出相应的补偿数据(即为维持预先确定好激光的光路，第一反射镜、第二反射镜所需转动的角度值，以及为维持原确定的入射到待加工工件的激光的能量值，半波片所需转动的角度值)。

其中，控制装置可以采用专用的控制器或计算机等智能终端，在使用激光装置对待加工的工件进行加工前，已经预先确定好激光的光路以及激光经偏振分光棱镜后入射到待加工工件的激光的能量值范围，并已记录在控制装置内。

步骤S303：控制装置根据补偿数据控制安装在转动调节机构上的第一反射镜的安装角度、安装在转动调节机构上的第二反射镜的安装角度以及激光器发出的激光经过能量调节机构的调节后输出的激光的能量大小。

控制装置计算出相应的补偿数据后，并根据补偿数据控制用于安装第一反射镜和第二反射镜的调节机构转动，以及半波片转动，从而使激光沿原已确定好的光路经聚焦镜聚焦后入射到待加工的工件上，且入射到待加工的工件上的激光的能量值大小也在原设定的激光的能量值的范围内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种激光装置，其特征在于，包括：激光器、第一反射镜、第二反射镜、第一探测器、第二探测器和能量调节机构；

所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述能量调节机构沿所述激光器的光路方向依次设置；

所述第一探测器用于检测入射到所述第一反射镜上的激光的光斑位置信息，所述第二探测器用于检测入射到所述第二反射镜上的激光的光斑位置信息；

所述第一探测器还用于检测入射到所述第一反射镜上的激光的取样能量值，和/或，所述第二探测器还用于检测入射到所述第二反射镜上的激光的取样能量值；

所述第一反射镜和所述第二反射镜分别安装在两个转动调节机构上。

2.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述第一探测器包括第一位置探测器，所述第二探测器包括第二位置探测器和第二能量探测器；

所述第一位置探测器用于检测所述入射到所述第一反射镜上的激光的光斑位置信息；

所述第二位置探测器用于检测所述入射到所述第二反射镜上的激光的光斑位置信息，所述第二能量探测器用于检测所述入射到所述第二反射镜上的激光的取样能量值。

3.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述能量调节机构为声光调制器或电光调制器。

4.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述能量调节机构包括半波片和偏振分光棱镜，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述半波片和所述偏振分光棱镜沿所述激光器的光路方向依次设置。

5.根据权利要求4所述的激光装置，其特征在于，还包括吸收体，所述吸收体沿所述激光器的光路上的激光中的S偏振分量经所述偏振分光棱镜反射后的方向设置。

6.根据权利要求5所述的激光装置，其特征在于，所述激光器为固体激光器或半导体激光器。

7.根据权利要求5所述的激光装置，其特征在于，还包括激光装置外壳，所述激光器、所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第一探测器、所述第二探测器、所述能量调节机构和所述第三反射镜均设置于所述激光装置外壳内。

8.根据权利要求5所述的激光装置，其特征在于，还包括用于校准所述激光器的光路方向的第一工装和第二工装，所述第一工装位于所述第二探测器和所述能量调节机构之间，所述第二工装位于所述能量调节机构的远离所述第二探测器的一侧。

9.一种激光控制系统，包括权利要求1-8任一所述激光装置，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置用于根据所述第一探测器和所述第二探测器检测到的所述光斑位置信息和取样能量值，控制安装在所述转动调节机构上的所述第一反射镜的安装角度、安装在转动调节机构上的所述第二反射镜的安装角度以及激光器发出的激光经过所述能量调节机构的调节后输出的激光的能量大小。

10.一种应用于权利要求9所述激光控制系统的稳定激光光路能量和指向的方法，其特征在于，包括：

控制装置获得激光的数据信息，所述数据信息包括入射到所述第一反射镜上的激光的光斑位置信息、入射到所述第二反射镜上的激光的光斑位置信息，入射到所述第一反射镜上的激光的取样能量值，和/或，入射到所述第二反射镜上的激光的取样能量值；

所述控制装置根据预设的算法对获得的所述数据信息进行运算，得到补偿数据；

所述控制装置根据所述补偿数据控制安装在转动调节机构上的所述第一反射镜的安装角度、安装在转动调节机构上的所述第二反射镜的安装角度以及激光器发出的激光经过能量调节机构的调节后输出的激光的能量大小。