CN107160033A - 一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统，包括一次扩束组件、二次扩束组件以及反射打孔组件；一次扩束组件的负焦扩束镜倾斜设置，正焦扩束镜设在负焦扩束镜透射光侧下方；二次扩束组件包括聚焦镜、棱镜、两片后扩束镜；聚焦镜同轴设在正焦扩束镜的下方，棱镜的分光棱面水平设置；两片后扩束镜对称设在多面棱镜的上方，且两片后扩束镜的中心轴交点位于多面棱镜分光棱面上；反射打孔组件包括的四片反射镜呈两组对称设置，其中一组的两片反射镜分别与两片后扩束镜的透射光束呈45度倾斜设置；每组一侧的反射镜侧均设有振镜，振镜的扫描光束呈竖直设置，振镜扫描光束的下方设有f‑θ镜。本发明实现了激光器高速密集打孔。

Description

一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统
技术领域
本发明涉及连续激光打孔技术领域，具体为基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统。
背景技术
激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多种激光加工工艺，利用了激光与物质相互作用的基本特性。
当前工业激光加工以光纤激光加工与CO2激光加工为主，由于能量利用率与外观体积等差异，又以光纤输出类激光加工为首要。随着激光功率的提高，高功率激光焊接、熔覆、淬火等加工工艺也逐步得到更广泛的扩展与提升；同时，随着激光器的普及，激光器价格的降低，激光加工材料多样化越加丰富，覆盖了冶金、汽车、航空、船舶、烟草甚至是普通民间生活等诸多领域。
然而在激光加工中，材料本身属性决定了对不同波长激光的吸收特性。以光纤激光器而言，并不适用于一些非金属材料的加工，比如水松纸，通常采用连续CO2激光器进行打孔，因为水松纸对10.6um波长的光吸收率比对1.06um左右的光吸收率更高。在皮革、木材、亚克力、有机玻璃、水果等诸多非金属激光加工中，CO2激光器依旧有其独特的优势。
常规的CO2激光打孔，打孔速度往往在100孔/s量级，连续激光下的振镜打孔，速率也并不理想，对于一些打孔速度要求高的，比如水松纸打孔、水果打孔一般需要10000孔/s甚至100000孔/s量级，这是普通光路无法企及的。当下CO2非金属打孔较为经典的是水松纸打孔，但该方案仅适用于宽幅面数排密集打孔，并不适用于宽幅面密集激光打孔。
当下，振镜扫描以及多面棱镜的应用技术较为成熟，如棱镜的驱动电机采用气浮轴承进行配合安装，则可实现高度转动，给多面棱镜与振镜扫描结合密集打孔提供了坚实的依据。基于上述各点，设计出适用于中低功率CO2连续激光器高速密集打孔的光学系统尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统，包括一次扩束组件、二次扩束组件以及反射打孔组件；
所述一次扩束组件包括负焦扩束镜、正焦扩束镜，负焦扩束镜倾斜设置，并与激光器输出的倾斜光束同轴；正焦扩束镜设在负焦扩束镜透射光侧的下方、并与负焦扩束镜的透射光光轴同轴设置；
所述二次扩束组件包括聚焦镜、棱镜、两片后扩束镜；所述聚焦镜同轴设在正焦扩束镜的透射光侧下方，所述棱镜纵向设置，棱镜上周向分布有分光棱面，棱镜通过电机带动转动；所述聚焦镜的焦点位于棱镜的分光棱面上；所述两片后扩束镜对称设在多面棱镜的上方，且两片后扩束镜的中心轴交点位于多面棱镜分光棱面上；
所述反射打孔组件为对称结构，包括四片反射镜、振镜以及f-θ镜；所述四片反射镜呈两组对称设置，其中一组的两片反射镜分别与两片后扩束镜的透射光束呈45度倾斜设置；
每组一侧的反射镜的反射光侧均设有振镜，振镜中心轴与对应反射镜反射光轴呈45度设置，振镜的下方设有所述的f-θ镜，f-θ镜水平设置、并聚焦振镜的反射扫描光束。
进一步的，所述负焦扩束镜、正焦扩束镜、聚焦镜、棱镜、后扩束镜、反射镜以及f-θ镜均为圆柱状。
进一步的，所述棱镜为正多边形柱状，驱动棱镜旋转的电机轴配合设在气浮轴承上，伸出气浮轴承的电机轴与棱镜固接。
进一步的，所述振镜的扫描频率为150-250Hz，棱镜的转速大于转速60000r/min。
进一步的，所述棱镜为轻质铝合金。
进一步的，所述振镜的电机轴垂直于对应反射镜的反射光轴。
本发明的有益效果是：
(1)、本发明采用多面棱镜与振镜高速扫描光学系统，基于多面棱镜超高速旋转分光特性，基于单振镜高速线性扫描特性，以及基于f-θ镜焦点共面特性，适用于中低功率CO2连续激光器高速密集打孔，尤其适用于对孔型圆度要求不高的密集激光打孔场合。
(2)、本发明采用双片式棱镜后聚焦镜，即双光路，其一是保证打孔速度与打孔幅面倍增，其二是不因分光路过多而导致光程差较大，引起打孔质量差异性较大，确保了打孔孔型与尺寸的基本一致性。
(3)、本发明的单振镜扫描实现线性扫描，扫描角±12.5°左右，单光路可实现宽幅扫描打孔，f-θ镜则确保扫描光斑大小一致性与焦点共面，在振镜以同等角速度摆角时，f-θ镜还确保各孔间距的基本一致性。
(4)、本发明的高速扫描打孔需打孔材料匀速移动，移动方向与振镜扫描线性方向垂直或近似垂直，单向运动，确保打孔材料不会被重复打孔，振镜扫描打孔为Z型打孔方式，可通过微调整振镜扫描角来确保打孔材料表面无重合或部分重合孔。
(5)、本发明确保多面棱镜扫描在f-θ镜聚焦光束段的引起的摆动方向与振镜扫描所引起的摆动方向垂直，避免因振镜往返摆动导致打孔形状一致性差异，即保证了整个幅面打孔尺寸与形状的一致性。另外，可通过沿光轴方向上斜向移动棱镜前聚焦镜来改善打孔圆度。
附图说明
图1为本发明的整体光路结构示意图；
图中序号：倾斜光束1、负焦扩束镜2、正焦扩束镜3、聚焦镜4、棱镜5、后扩束镜6、反射镜7、振镜8、电机轴9、f-θ镜10、打孔材11。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
参见图1，一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统，包括一次扩束组件、二次扩束组件以及反射打孔组件；
所述一次扩束组件包括负焦扩束镜2、正焦扩束镜3，负焦扩束镜2倾斜设置，并与激光器输出的倾斜光束1同轴；正焦扩束镜3设在负焦扩束镜2透射光侧的下方、并与负焦扩束镜2的透射光光轴同轴设置；
所述二次扩束组件包括聚焦镜4、棱镜5、两片后扩束镜6；所述聚焦镜4同轴设在正焦扩束镜3的透射光侧下方，所述棱镜5纵向设置，棱镜5上周向分布有分光棱面，棱镜5通过电机带动转动；所述聚焦镜4的焦点位于棱镜5的分光棱面上；所述两片后扩束镜6对称设在多面棱镜5的上方，且两片后扩束镜6的中心轴交点位于多面棱镜5分光棱面上；
所述反射打孔组件为对称结构，包括四片反射镜7、振镜8以及f-θ镜10；所述四片反射镜7呈两组对称设置，其中一组的两片反射镜7分别与两片后扩束镜6的透射光束呈45度倾斜设置；
每组一侧的反射镜7的反射光侧均设有振镜8，振镜8中心轴与对应反射镜7反射光轴呈45度设置，振镜8的下方设有所述的f-θ镜10，f-θ镜10水平设置、并聚焦振镜8的反射扫描光束。
进一步的，所述负焦扩束镜2、正焦扩束镜3、聚焦镜4、棱镜5、后扩束镜6、反射镜7以及f-θ镜10均为圆柱状。
进一步的，所述棱镜5为正多边形柱状，驱动棱镜5旋转的电机轴配合设在气浮轴承上，伸出气浮轴承的电机轴与棱镜5固接。
进一步的，所述振镜8的扫描频率为150-250Hz，棱镜5的转速大于转速60000r/min，棱镜5上均布有60面以上的分光棱面。
进一步的，所述棱镜5为轻质铝合金。
进一步的，所述振镜8的电机轴9垂直于对应反射镜7的反射光轴。
使用时，连续CO2激光器输出的倾斜光束1正入射到负焦扩束镜2发散，后经过正焦扩束镜3实现光束一次扩束，一次扩束光束由聚焦镜4聚焦到多面棱镜5分光表面，经过超高转速的多面棱镜5分光，形成扇形发散光束，发散光束扫过两片后扩束镜6，实现二次扩束，二次扩束后的光束为具有扫描性质的平行光束；二次扩束光束在四片反射镜7的反射下，入射到振镜8，振镜8通过电机轴9往返均匀角速度摆动，形成扇形扫描光束，扫描光束最后经过f-θ镜10聚焦到打孔材11表面，形成线性扫描，同时打孔材11匀速移动，便实现了打孔材料上的密集打孔。打孔重合或部分重合时，微调振镜8扫描角，可降低甚至消除重合或部分重合孔；同样的，如需改善打孔圆度，沿光轴方向移动聚焦镜4。
本发明采用多面棱镜与振镜高速扫描光学系统，基于多面棱镜超高速旋转分光特性，基于振镜高速线性扫描特性，基于f-θ镜焦点共面特性以及基于打孔材料的运动特性，适用于中低功率CO2连续激光器高速密集打孔，尤其适用于对孔型圆度要求不高的密集激光打孔场合。两次扩束为后续打孔缩小激光光斑提供必要保障，以确保即便是焦距不够短的f-θ镜聚焦下，也能超高速打孔。
激光束经过棱镜前聚焦镜聚焦，以聚焦光束打到多面棱镜上，确保多面棱镜上的光斑较小并不会损坏多面棱镜，控制了多面棱镜的尺寸，轻量化多面棱镜。在确保单镜面反射扫描范围满足双光路下，多面棱镜面数越多，相同转速下的棱镜分光频率越大，单位时间内密集打孔个数越多，足以实现单光路10000孔/s-100000孔/s量级。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统，其特征在于：包括一次扩束组件、二次扩束组件以及反射打孔组件；
所述一次扩束组件包括负焦扩束镜(2)、正焦扩束镜(3)，负焦扩束镜(2)倾斜设置，并与激光器输出的倾斜光束(1)同轴；正焦扩束镜(3)设在负焦扩束镜(2)透射光侧的下方、并与负焦扩束镜(2)的透射光光轴同轴设置；
所述二次扩束组件包括聚焦镜(4)、棱镜(5)、两片后扩束镜(6)；所述聚焦镜(4)同轴设在正焦扩束镜(3)的透射光侧下方，所述棱镜(5)纵向设置，棱镜(5)上周向分布有分光棱面，棱镜(5)通过电机带动转动；所述聚焦镜(4)的焦点位于棱镜(5)的分光棱面上；所述两片后扩束镜(6)对称设在多面棱镜(5)的上方，且两片后扩束镜(6)的中心轴交点位于多面棱镜(5)分光棱面上；
所述反射打孔组件为对称结构，包括四片反射镜(7)、振镜(8)以及f-θ镜(10)；所述四片反射镜(7)呈两组对称设置，其中一组的两片反射镜(7)分别与两片后扩束镜(6)的透射光束呈45度倾斜设置；
每组一侧的反射镜(7)的反射光侧均设有振镜(8)，振镜(8)中心轴与对应反射镜(7)反射光轴呈45度设置，振镜(8)的下方设有所述的f-θ镜(10)，f-θ镜(10)水平设置、并聚焦振镜(8)的反射扫描光束。
2.根据权利要求1所述的一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统，其特征在于：所述负焦扩束镜(2)、正焦扩束镜(3)、聚焦镜(4)、棱镜(5)、后扩束镜(6)、反射镜(7)以及f-θ镜(10)均为圆柱状。
3.根据权利要求1所述的一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统，其特征在于：所述棱镜(5)为正多边形柱状，驱动棱镜(5)旋转的电机轴配合设在气浮轴承上，伸出气浮轴承的电机轴与棱镜(5)固接。
4.根据权利要求1所述的一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统，其特征在于：所述振镜(8)的扫描频率为150-250Hz，棱镜(5)的转速大于转速60000r/min。
5.根据权利要求1或3所述的一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统，其特征在于：所述棱镜(5)为轻质铝合金。
6.根据权利要求1所述的一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统，其特征在于：所述振镜(8)的电机轴(9)垂直于对应反射镜(7)的反射光轴。
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