CN105259652A - 一种基于电光-机械复合偏转的激光振镜及其偏转方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电光-机械复合偏转的激光振镜及其偏转方法，包括电光偏转器、机械偏转器、2个驱动电路、激光器和同步机，所述激光器、电光偏转器和机械偏转器按照激光的传输路径依次排列，其中1个所述驱动电路与所述电光偏转器连接，另1个所述驱动电路与所述机械偏转器连接，所述激光器和2个所述驱动电路与同步机连接本发明公开了一种基于电光-机械复合偏转的激光振镜及其偏转方法，本发明将机械偏转器偏转角度大和电光偏转器响应速度快的优点相结合，两者协同大大提高了激光振镜的扫描速度，提高激光加工效率。

Description

一种基于电光-机械复合偏转的激光振镜及其偏转方法

技术领域

本发明涉及高功率脉冲激光器加工技术领域，具体而言，涉及一种基于电光-机械复合偏转的激光振镜及其偏转方法。

背景技术

高功率脉冲激光用于打标、切割、钻孔等工业加工时，激光脉冲通过振镜系统在加工工件上进行扫描，从而完成不同设计类型的加工。振镜的扫描速度决定了可采用激光器的重复频率和工件加工的速度。目前已有振镜系统一般采用机械偏转的方式，机械偏转器响应时间长，扫描速度低，限制了工件的激光加工速度，致使加工效率低下。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于电光-机械复合偏转的激光振镜及其偏转方法，本发明将机械偏转器偏转角度大和电光偏转器响应速度快的优点相结合，两者协同大大提高了激光振镜的扫描速度，提高激光加工效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于电光-机械复合偏转的激光振镜，包括：电光偏转器、机械偏转器、2个驱动电路、激光器和同步机，所述激光器、电光偏转器和机械偏转器按照激光的传输路径依次排列，其中1个所述驱动电路与所述电光偏转器连接，另1个所述驱动电路与所述机械偏转器连接，所述激光器和2个所述驱动电路与同步机连接。

进一步，所述电光偏转器为数字编码电光偏转器、棱镜电光偏转器、渐变折射率电光偏转器、四电极电光偏转器、畴反转电光偏转器或声光偏转器。

进一步，所述棱镜电光偏转器包括电光晶体棱镜。

进一步，所述渐变折射率电光偏转器包括具有克尔效应和空间电荷效应的电光晶体。

进一步，所述数字编码偏转器包括电光晶体和偏振分光器。

进一步，所述四电极电光偏转器包括电光晶体和4个电极板。

进一步，所述畴反转电光偏转器包括具有畴结构的电光晶体。

进一步，所述机械偏转器为反射式激光偏转器或位移式激光偏转器。

一种利用上述的基于电光-机械复合偏转的激光振镜进行激光偏转的方法，包括以下步骤：

(1)激光器输出的入射激光入射到电光偏转器上，同步机控制驱动电路对电光偏转器施加电信号，入射激光经过电光偏转器后，得到初偏转激光；

(2)初偏转激光入射到机械偏转器上，同步机控制驱动电路对机械偏转器施加电压，初偏转激光经过机械偏转器后，得到再偏转激光。

进一步，对所述再偏转激光进行偏转量调整时，先通过电光偏转器进行，若电光偏转器不能实现，再通过机械偏转器进行。

本发明的有益效果如下：

1、本发明将机械偏转器与电光偏转器相结合，充分利用了机械偏转器偏转角度大和电光偏转器响应时间短的优点，两者相互弥补缺点，优点协同，机械偏转器实现较大范围的粗扫描，电光偏转器实现小范围的精细扫描，明显提高激光振镜的加工效率；

2、本发明利用同步机控制施加在机械偏转器和电光偏转器上的电信号的时刻，同时控制脉冲激光的输出时刻，控制脉冲激光经过电光偏转器和机械偏转器后偏转量；

3、激光经过两次偏转，偏转量增大，增大了激光的加工范围，减少了激光振镜和工件位置的调整次数，提高加工效率。

附图说明

图1为本发明的激光振镜整体结构示意图；

图2为本发明的数字编码电光偏转器偏转示意图；

图3为本发明的棱镜电光偏转器偏转示意图；

图4为本发明的渐变折射率电光偏转器偏转示意图；

图5为本发明的四电极电光偏转器结构示意图；

图6为本发明的畴反转电光偏转器结构示意图。

图中：1—电光偏转器，11—电光晶体，12—双折射晶体，13—电光晶体棱镜，14—电光晶体，15—电光晶体，16—电光晶体，161—畴结构，162—畴壁，163—自发极化方向，2—机械偏转器，31—驱动电路，32—驱动电路，33—电极板，34—电极板，35—电场方向，36—电极板，37—电极板，38—电场方向，4—激光器，40—入射激光，41—初折射激光，42—再折射激光，5—同步机。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种基于电光-机械复合偏转的激光振镜，包括：电光偏转器1、机械偏转器2、驱动电路31、驱动电路32、激光器4和同步机5，所述激光器4、电光偏转器1和机械偏转器2按照激光的传输路径依次排列，驱动电路31与电光偏转器1连接，驱动电路32与机械偏转器2连接，所述激光器4、驱动电路31和驱动电路32均与同步机5连接。

机械偏转器2可以实现激光大角度的偏转，但是响应时间长；电光偏转器1可以实现激光小角度的偏转，响应时间非常短，可达纳秒量级；本发明将机械偏转器2与电光偏转器1相结合，充分利用了机械偏转器2偏转角度大和电光偏转器1响应时间短的优点，两者相互弥补缺点，优点协同，第一种使用方法是电光偏转和机械偏转依次进行：首先改变机械偏转器2的驱动参数，保持电光偏转器1的驱动参数不变，进行较大范围的粗扫描，然后将机械偏转器2的驱动参数保持不变，改变电光偏转器1的驱动参数，实现小范围的精细扫描；第二种使用方法是机械偏转和电光偏转同时进行：入射激光40经过电光偏转器1和机械偏转器2时，机械偏转器2和电光偏转器1的驱动参数均改变，实现全部扫描范围的扫描。本发明能够实现高速扫描，明显提高激光振镜的加工效率，并提高加工精度。本发明利用同步机5控制施加在机械偏转器2和电光偏转器1上的电信号的时刻，同时控制脉冲激光的输出时刻，控制脉冲激光经过电光偏转器1和机械偏转器2后的偏转量。

电光偏转器1为数字编码电光偏转器、棱镜电光偏转器、渐变折射率电光偏转器、四电极电光偏转器、畴反转电光偏转器或声光偏转器。机械偏转器2为反射式激光偏转器或位移式激光偏转器。

一种利用上述的基于电光-机械复合偏转的激光振镜进行激光偏转的方法，包括以下步骤：

(1)激光器4输出的入射激光40入射到电光偏转器1上，同步机5控制驱动电路31对电光偏转器1施加电信号，入射激光40经过电光偏转器1后，得到初偏转激光41，通过控制施加在电光偏转器1上的电压值，可以实现入射激光40较小角度的快速偏转；

(2)初偏转激光41入射到机械偏转器2上，同步机5控制驱动电路32对机械偏转器2施加电压，初偏转激光41经过机械偏转器2后，得到再偏转激光42，通过控制施加在电光偏转器1上的电压值，可以实现初偏转激光41入射到机械偏转器2的入射角度的调整，从而改变再折射激光42的偏转量。入射激光40经过两次偏转，偏转量增大，增大了激光的加工范围，减少了激光振镜和工件位置的调整次数，提高加工效率。

实施例二：

与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

如图2所示，电光偏转器1为数字编码电光偏转器，包括电光晶体11和双折射晶体12，驱动电路31与电光晶体11连接，入射激光40为o光或e光，由于双折射晶体12具有双折射性质，即o光发生折射，e光直接透过，o光和e光具有不同的传输路径，若入射激光40经过电光晶体11时，驱动电路31对电光晶体11不施加电信号，入射激光40沿其中一种激光路径传输，若入射激光40经过电光晶体11时，驱动电路31对电光晶体11施加电信号，入射激光40则沿另一条激光路径传输。对电光偏转器1施加和不施加电信号时，入射激光40具有不同的传输路径，得到不同位置的初偏转激光41，从而达到光束扫描的目的。本实施例中仅就1级电光偏转器1进行了说明，若需要，还可以将设置2级电光偏转器，2级电光偏转器设置在1级电光偏转器的激光出射方向，与1级电光偏转器平行设置，使2种路径的初偏转激光41分别再入射到2级电光偏转器，将入射激光40的传输路径增加至4种，从而增加激光束扫描的精度。对于具有n级的电光偏转器，激光路径为2n个。实施例三：

与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

如图3所示，电光偏转器1为棱镜电光偏转器，包括电光晶体棱镜13，驱动电路31的电极板与电光晶体棱镜13的上下底面相配合，电光晶体棱镜13为三棱镜，三棱镜的横截面为等腰三角形，入射激光40由三棱镜的一个腰边所在的侧面入射，经过电光晶体棱镜13后，由另一腰边所在侧面出射，得到初折射激光41。在进行激光加工时，需要不断微调激光的偏转量，本实施例中，通过改变驱动电路31施加在电光晶体棱镜13上的电压，即可微调初折射激光41的偏转量和在机械偏转器2上的入射角度，从而达到微调再折射激光42偏转量的目的，由于电光晶体的响应时间极短，因此在激光加工时，通过电光偏转器1对激光进行小角度偏转量的调整所耗费的时间几乎可以忽略不计，大大提高了激光加工的效率。若需要大范围的扫描，可以同时改变电光偏转器1和机械偏转器2的驱动参数，实现全部扫描范围的快速扫描。

实施例四：

与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

如图4所示，电光偏转器1为渐变折射率电光偏转器，包括电光晶体14，具有克尔效应和空间电荷效应，所述电光晶体14为铌钽酸钾晶体。克尔效应是指与电场二次方成正比的电感应双折射现象，空间电荷是存在于半导体内部局部区域的剩余电荷。由于克尔效应的存在，驱动电路31在电光晶体14两平行的底面施加电压时，会在电光晶体14内部产生均匀的电场，并且电光晶体14对脉冲激光的折射率根据施加电压的不同而不同，又由于电光晶体14内存在空间电荷，从而抵消掉部分的外加电场，造成电光晶体14内部电场在各处不是完全相同的，而是逐渐变化的，折射率也是逐渐变化的，当入射激光40经过该电光晶体14时，脉冲激光传输的路径就会逐渐偏转，通过控制施加的电压大小就可以调整入射激光40的偏转量，从而改变初偏转激光41的偏转量和在机械偏转器2上的入射角度，进而实现再折射激光42的快速微调。若需要大范围的扫描，可以同时改变电光偏转器1和机械偏转器2的驱动参数，实现全部扫描范围的快速扫描。

实施例五：

与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

如图5所示，电光偏转器1为四电极电光偏转器，包括电光晶体15，为四棱柱形，上下底面为入射激光40的入射面和出射面，驱动电路31为2个，其中一个驱动电路的电极板33和电极板34分别与电光晶体15的2个相邻的侧面相接触，另一个驱动电路的电极板36和电极板37分别与电光晶体15的另外2个侧面相接触，电极板33连接驱动电路的正极，电极板34连接驱动电路的负极，电极板36连接驱动电路的负极，电极板37连接驱动电路的正极；这样在电极板33和电极板34之间的区域形成一个电场，电场方向35向下，在电极板36和电极板37之间的区域形成一个电场，电场方向38向上，两个电场方向相反，必然会产生不同的折射率，设置为方向相反的电场，是为了降低驱动电路施加在电光晶体15上的电压，同时使电光晶体15中2个部分的折射率相差尽可能的大，以增大脉冲激光的偏转角。另外电极板33和电极板34之间的电场强度也是梯度分布的，越靠近中心线电场强度越小，电极板36和电极板37之间的区域也是梯度分布，越靠近中心线电场强度越小。如此，沿垂直于电场方向，折射率是梯度分布的。入射激光40由电光晶体15的一底面入射，经过电光晶体15内部的多次折射后，由另一底面出射，得到初偏转激光41。对激光偏转量进行微调时，只需改变驱动电路32的电压即可，同时，由于入射激光40在电光晶体15中多次折射，微调可实现的偏转角度较大，减少了调整机械偏转器2的次数，节约加工时间，提高效率。若需要大范围的扫描，可以同时改变电光偏转器1和机械偏转器2的驱动参数，实现全部扫描范围的快速扫描。

实施例六：

与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

如图6所示，电光偏转器1为畴反转电光偏转器，包括具有畴结构的电光晶体16，电光晶体16具有多个三角形畴结构161，相邻的畴结构161自发极化方向163相差180°，所述电光晶体16具有相互平行的上底面和下底面，电光晶体16的自发极化方向163与上底面和下底面垂直，电光晶体16的畴结构161沿电光晶体16的最长边方向依次排列，入射激光40的传输方向也是沿电光晶体16的长边方向，入射激光40传输时依次经过各个畴结构161，由于自发极化电场的存在，对电光晶体16施加电压后，相邻畴结构161的折射率必定不同，脉冲激光在畴壁162处发生折射，产生偏转；相邻的畴结构161的交界面为畴壁162，各个畴壁162的斜率大小相等，方向相反，本实施例畴结构161的形状可以简化计算过程，便于计算脉冲激光在各个畴壁162处的入射角和出射角；畴壁162与电光晶体16的最长边所成的锐角α的角度均为70-80°，该角度设置可将电光晶体16内分成尽可能多的畴结构161，同时由于畴结构161排列规则简单，在获得畴结构161时，获得过程不过于复杂；优选的，畴壁162与电光晶体16的最长边所成的锐角α的角度均为75°，设置为75°时，畴结构161的个数与其获得过程均达到最优。畴结构161的个数越多，初折射激光41的偏转越大，需要机械偏转器2调整的次数就越少，也就越能够节约加工时间，提高加工效率。所述电光晶体16包括5-20个畴结构161，本实施例优选地选择7个畴结构161，当选择7个畴结构161时，初折射激光41的偏转角已较大，再增加畴结构161的个数，偏转角的增大效果不明显，反而需要增加电光晶体16的尺寸和施加的电压数值，增大了激光振镜成本。若需要大范围的扫描，可以同时改变电光偏转器1和机械偏转器2的驱动参数，实现全部扫描范围的快速扫描。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于电光-机械复合偏转的激光振镜，其特征在于，包括：电光偏转器、机械偏转器、2个驱动电路、激光器和同步机，所述激光器、电光偏转器和机械偏转器按照激光的传输路径依次排列，其中1个所述驱动电路与所述电光偏转器连接，另1个所述驱动电路与所述机械偏转器连接，所述激光器和2个所述驱动电路分别与同步机连接。

2.根据权利要求1所述的基于电光-机械复合偏转的激光振镜，其特征在于，所述电光偏转器为数字编码电光偏转器、棱镜电光偏转器、渐变折射率电光偏转器、四电极电光偏转器、畴反转电光偏转器或声光偏转器。

3.根据权利要求2所述的基于电光-机械复合偏转的激光振镜，其特征在于，所述棱镜电光偏转器包括电光晶体棱镜。

4.根据权利要求2所述的基于电光-机械复合偏转的激光振镜，其特征在于，所述渐变折射率电光偏转器包括具有克尔效应和空间电荷效应的电光晶体。

5.根据权利要求2所述的基于电光-机械复合偏转的激光振镜，其特征在于，所述数字编码偏转器包括电光晶体和偏振分光器。

6.根据权利要求2所述的基于电光-机械复合偏转的激光振镜，其特征在于，所述四电极电光偏转器包括电光晶体和4个电极板。

7.根据权利要求2所述的基于电光-机械复合偏转的激光振镜，其特征在于，所述畴反转电光偏转器包括具有畴结构的电光晶体。

8.根据权利要求1-7任一所述的基于电光-机械复合偏转的激光振镜，其特征在于，所述机械偏转器为反射式激光偏转器或位移式激光偏转器。

9.一种利用权利要求1-8任一所述的基于电光-机械复合偏转的激光振镜进行激光偏转的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)激光器输出的入射激光入射到电光偏转器上，同步机控制驱动电路对电光偏转器施加电信号，入射激光经过电光偏转器后，得到初偏转激光；

(2)初偏转激光入射到机械偏转器上，同步机控制驱动电路对机械偏转器施加电压，初偏转激光经过机械偏转器后，得到再偏转激光。

10.根据权利要求9所述的激光偏转的方法，其特征在于，对所述再偏转激光进行偏转量调整时，先通过电光偏转器进行，若电光偏转器不能实现，再通过机械偏转器进行。