CN107335924A - 一种基于斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,包括消像差准直镜组、斩波反射镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一振镜、第二振镜、第一f‑θ镜、第二f‑θ镜;其中,消像差准直镜组可替换为消像差非球面镜。本发明提供的斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,通过斩波反射镜间歇性镜面调谐功能,基于一维振镜扫描功能,具有加工效率高,适用范围广等优点,适用于脉冲光纤激光器激光毛化,尤其适用于高功率脉冲光纤激光器在平面平动与转动系统中有序激光毛化。
Description
技术领域:
本发明涉及脉冲光纤激光器激光毛化技术领域,特别涉及一种基于斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统。
背景技术:
激光毛化技术是一项新近发展起来主要用于冷轧钢辊毛化的集激光技术、自动控制技术、精密机械、材料科学于一体的高新技术。
激光毛化技术是采用高能量(104~106W/cm2)、高重复频率的脉冲激光束在聚焦后的负离焦照射到轧辊表面实施预热和强化,在聚焦后的聚焦点入射到轧辊表面形成微小熔池,同时由侧吹装置对微小熔池施于设定压力和流量的辅助气体,使熔池中的熔融物按指定要求尽量堆积到融池边缘形成圆弧形凸台。
对轧辊使用激光毛化技术能够提高轧辊使用寿命、减少辊耗,降低退火粘连缺陷,对板、带能够提高产品冲压性能、改善表面涂漆附着力,增加光亮度,减少黑带现象产生等。
现有成熟的激光毛化技术主要有二类:一类是采用CO2激光器的毛化装置;另一类是采用YAG激光器的毛化设备。不过CO2激光器、YAG激光器本身电光转换率较光纤激光器低,且金属材料对CO2激光器波长的激光束吸收率较低,因此光纤激光器优势明显。
目前常见的激光毛化系统光路,有单头式、多头式、扫描式等几种方案。其中单头式激光毛化,即便是通过高频斩波反射镜实现了高频脉冲,或者直接采用高频脉冲激光器,由于毛化材料转动或平动速度不会很高,且速度大稳定性差,加工能力十分有限;多头式主要包含分光式和多激光器加工,常有的分光式有分束镜、多面棱镜等,分束镜容易引起分光不均衡,能量分散化,不利于高效率激光毛化,多面棱镜方案适用于连续激光器,且能量利用率不高,脉冲式激光器上有极大局限性,多台激光器方案虽然有助于提高激光毛化效率,但单激光毛化效率并未提高,也很难达到最大化;扫描式主要有多面棱镜扫描与振镜扫描,多面棱镜扫描局限性前面提到过,振镜扫描通常采用单振镜与二维振镜扫描,单振镜扫描在毛化物件移动的条件下,扫描轨迹呈现Z字形,在振镜往返扫描交替较长一段周期比例上,容易出现重叠或部分重叠的毛化点,且无法做到有序毛化,属于无序毛化范畴,二维振镜扫描虽然能够实现无序毛化与有序毛化,但第一振镜离f-θ镜较远,除了导致f-θ镜镜片尺寸更大以外,由于1um量级激光器通常采用的镜片材料熔融石英折射率小,极不利于f-θ镜特别是短焦f-θ镜消像差,因此还易导致毛化点一致性变差。
基于上述各点,本发明提供的斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,通过斩波反射镜间歇性镜面调谐功能,基于一维振镜扫描功能,具有加工效率高,适用范围广等优点,适用于脉冲光纤激光器激光毛化,尤其适用于高功率脉冲光纤激光器在平面平动与转动系统中有序激光毛化。
发明内容:
本发明的一个目的是解决至少上述问题,并提供至少后面将说明的优点。
为了解决上述问题,本发明提供了一种技术方案:一种基于斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,包括:脉冲光纤激光束,其创新点在于:还包括消像差准直镜组、斩波反射镜、斩波反射镜转轴、第一反射镜、第二反射镜、第一振镜、第一振镜转轴、第一f-θ镜、第三反射镜、第二振镜、第二振镜转轴和第二f-θ镜;所述脉冲光纤激光束的正下方设有一个消像差准直镜组;所述消像差准直镜组的下方左侧设有一个斩波反射镜;所述消像差准直镜组的下方右侧设有一个第一反射镜;所述斩波反射镜上设有一个斩波反射镜转轴;所述斩波反射镜的下方左侧设有一个第二振镜;所述斩波反射镜的下方右侧设有一个第三反射镜;所述第一反射镜的下方左侧设有一个第二反射镜;所述第一反射镜的下方右侧设有一个第一振镜;所述第一振镜上设有一个第一振镜转轴;所述第三反射镜和第二振镜的下方设有一个第二f-θ镜;所述第二反射镜和第一振镜的下方设有一个第一f-θ镜;所述第二振镜上设有一个第二振镜转轴。
作为优选,所述消像差准直镜组可替换为消像差非球面镜。
作为优选,所述消像差准直镜组、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一振镜、第二振镜、第一f-θ镜和第二f-θ镜均为圆柱状的熔融石英材料;所述斩波反射镜为等角多扇形柱状的轻质铝合金材料;所述斩波反射镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜均为45°反射角,反射镜面均为平面;所述斩波反射镜为1∶1占空比的N倍频反射镜,垂直于镜面方向上有多个对称面;所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜为相同反射镜;所述第一振镜和第二振镜为相同振镜,八边形柱状,仅有一个垂直于镜面的对称面,所述第一振镜转轴、第二振镜转轴分别在第一振镜、第二振镜的对称面上,且分别垂直于第一振镜、第二振镜的法线;所述第一f-θ镜、第二f-θ镜为相同参数f-θ镜;所述消像差准直镜组中心轴、斩波反射镜的斩波反射镜转轴(3)、第一反射镜法线、第二反射镜法线、第三反射镜法线、第一振镜法线、第二振镜法线、第一f-θ镜中心轴、第二f-θ镜中心轴共面;所述第一f-θ镜、第二f-θ镜聚焦焦平面共面,毛化部件平动或转动方向与第一f-θ镜、第二f-θ镜聚焦扫描线垂直。
作为优选,所述第一振镜、第二振镜同步摆动并同步改变转向;所述斩波反射镜为间歇性转动,反光区域与漏光区域间歇性交替,在第一振镜、第二振镜单向摆动时,斩波反射镜处于停滞状态,表现为完全反光或完全漏光,只有在第一振镜、第二振镜改变转向的短时间内,斩波反射镜发生反光区域与漏光区域瞬时交替;所述第一振镜、第二振镜为往返摆动,实现单向扫描毛化。
本发明的有益效果:
(1)本发明提供的斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,通过斩波反射镜间歇性镜面调谐功能,基于一维振镜扫描功能,具有加工效率高,适用范围广等优点,适用于脉冲光纤激光器激光毛化,尤其适用于高功率脉冲光纤激光器在平面平动与转动系统中有序激光毛化。
(2)本发明提供的斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,所有镜片表面入射光斑尺寸都比较大,在10mm~30mm范围内,有利于承受更高平均功率的脉冲激光,系统稳定性好。
(3)本发明提供的斩波反射镜,在第一振镜、第二振镜单向摆动时,斩波反射镜处于停滞状态,表现为完全反光或完全漏光,只有在第一振镜、第二振镜改变转向的短时间内,斩波反射镜发生反光区域与漏光区域瞬时交替,实现了振镜往返摆动,但出光扫描为单向扫描,避开了单振镜Z型扫描缺陷,容易实现有序激光毛化,在振镜摆动角速度不同时,也可实现无序激光毛化。
(4)本发明提供的斩波反射镜为N倍频斩波反射镜(2≤N≤100),从完全反光状态到完全漏光状态所需时间为1/N个周期,也就是说在斩波反射镜转动频率相同条件下,斩波反射镜N值越大,斩波反射镜从完全反光状态到完全漏光状态转换越快,对实现单向激光毛化就越有利。
(5)本发明提供的f-θ镜,适用于单振镜扫描,f-θ镜离振镜距离更近,镜片尺寸更小,消像差效果更好,有利于提高激光毛化稳定性,且光纤激光毛化需求光斑尺寸一般在0.1mm左右,本发明提供的短焦f-θ镜同样可获得较好的消像差效果。
(6)本发明提供的斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,采用振镜扫描,有助于提高激光毛化效率,同时大幅降低毛化部件的平动或转动速度,提高系统稳定性,提高毛化点的一致性。
(7)本发明提供的斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,可通过调节脉冲激光器占空比来改善毛化点椭圆度,可通过匹配脉冲频率、振镜扫描频率、毛化部件的转动或平动速度来调节毛化点间距。
附图说明:
为了易于说明,本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明激光毛化光学系统镜片示意图。
图2为本发明激光毛化光学系统斩波反射镜实施例全反光状态。
图3为本发明激光毛化光学系统斩波反射镜实施例全露光状态。
具体实施方式:
如图1、图2和图3所示,本具体实施方式采用以下技术方案:一种基于斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,包括:脉冲光纤激光束13,还包括消像差准直镜组1、斩波反射镜2、斩波反射镜转轴3、第一反射镜4、第二反射镜5、第一振镜6、第一振镜转轴7、第一f-θ镜8、第三反射镜9、第二振镜10、第二振镜转轴11和第二f-θ镜12;所述脉冲光纤激光束13的正下方设有一个消像差准直镜组1;所述消像差准直镜组1的下方左侧设有一个斩波反射镜2;所述消像差准直镜组1的下方右侧设有一个第一反射镜4;所述斩波反射镜2上设有一个斩波反射镜转轴3;所述斩波反射镜2的下方左侧设有一个第二振镜10;所述斩波反射镜2的下方右侧设有一个第三反射镜9;所述第一反射镜4的下方左侧设有一个第二反射镜5;所述第一反射镜4的下方右侧设有一个第一振镜6;所述第一振镜6上设有一个第一振镜转轴7;所述第三反射镜9和第二振镜10的下方设有一个第二f-θ镜12;所述第二反射镜5和第一振镜6的下方设有一个第一f-θ镜8;所述第二振镜10上设有一个第二振镜转轴11。
其中,所述消像差准直镜组1可替换为消像差非球面镜;所述消像差准直镜组1、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜9、第一振镜6、第二振镜10、第一f-θ镜8和第二f-θ镜12均为圆柱状的熔融石英材料;所述斩波反射镜2为等角多扇形柱状的轻质铝合金材料;所述斩波反射镜2、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜9均为45°反射角,反射镜面均为平面;所述斩波反射镜2为1∶1占空比的N倍频反射镜,垂直于镜面方向上有多个对称面;所述第一反射镜4、第二反射镜5和第三反射镜9为相同反射镜;所述第一振镜6和第二振镜10为相同振镜,八边形柱状,仅有一个垂直于镜面的对称面,所述第一振镜转轴7、第二振镜转轴11分别在第一振镜6、第二振镜10的对称面上,且分别垂直于第一振镜6、第二振镜10的法线;所述第一f-θ镜8、第二f-θ镜12为相同参数f-θ镜;所述消像差准直镜组1中心轴、斩波反射镜2的斩波反射镜转轴(3)、第一反射镜4法线、第二反射镜5法线、第三反射镜9法线、第一振镜6法线、第二振镜10法线、第一f-θ镜8中心轴、第二f-θ镜12中心轴共面;所述第一f-θ镜8、第二f-θ镜12聚焦焦平面共面,毛化部件平动或转动方向与第一f-θ镜8、第二f-θ镜12聚焦扫描线垂直;所述第一振镜6、第二振镜10同步摆动并同步改变转向;所述斩波反射镜2为间歇性转动,反光区域与漏光区域间歇性交替,在第一振镜6、第二振镜10单向摆动时,斩波反射镜2处于停滞状态,表现为完全反光或完全漏光,只有在第一振镜6、第二振镜10改变转向的短时间内,斩波反射镜2发生反光区域与漏光区域瞬时交替;所述第一振镜6、第二振镜10为往返摆动,实现单向扫描毛化。
本发明的使用状态为:以图1为坐标参考基准,图2所示中,第一振镜6在设定的最小光束偏转角位置上,脉冲光纤激光束13经过消像差准直镜组1准直获得准直光束,斩波反射镜2完全反光,反射光束依次经过第一反射镜4、第二反射镜5反射后,光束入射到第一振镜6上使得反射光束在第一f-θ镜8聚焦下聚焦光束斜向光路左下方打到毛化部件上,一个脉冲一个毛化点,此时斩波反射镜2保持不动,同时第一振镜6逆时针摆动,第一f-θ镜8聚焦下的聚焦光束从左到右扫描,在毛化部件垂直于扫描线平动或转动下,毛化部件上扫描出一排单向毛化点。当第一振镜6逆时针摆动到设定最大光束偏转角且即将顺时针摆动时,斩波反射镜2在转轴3的高速转动下立即从完全反光状态变换到完全漏光状态。
在第一振镜6从设定最大光束偏转角顺时针摆动到设定最小光束偏转角期间,斩波反射镜2保持不动,激光束相对于斩波反射镜2保持不动处于完全漏光状态,露射光束在第三反射镜9反射下,反射光束入射到第二振镜10,此时第二振镜10处于设定的最小光束偏转角位置上,如图3所示。经过第二振镜10反射的准直光束在第二f-θ镜12聚焦下,斜向光路右下方打到毛化部件上,一个脉冲一个毛化点,同时第二振镜10顺时针摆动,第二f-θ镜12聚焦下的聚焦光束从右到左扫描,在毛化部件垂直于扫描线平动或转动下,毛化部件上扫描出一排单向毛化点。当第二振镜10顺时针摆动到设定最大光束偏转角且即将逆时针摆动时,此时第一振镜6也从设定最大光束偏转角顺时针摆动到设定最小光束偏转角位置上且即将逆时针摆动,斩波反射镜2在转轴3的高速转动下立即从完全漏光状态变换到完全反光状态,光路行为重复到前一步骤,如此循环实现第一振镜6、第二振镜10为往返摆动,但激光毛化为单向扫描。
在上述过程中,要求第一振镜6与第二振镜10有同步的摆动转换动作,根据第一振镜6与第二振镜10顺时针扫描与逆时针扫描的不同,有不同的实施方案,上述描述仅为其中一种实施方案。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内,本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种基于斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,包括:脉冲光纤激光束(13),其特征在于:还包括消像差准直镜组(1)、斩波反射镜(2)、斩波反射镜转轴(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第一振镜(6)、第一振镜转轴(7)、第一f-θ镜(8)、第三反射镜(9)、第二振镜(10)、第二振镜转轴(11)和第二f-θ镜(12);
所述脉冲光纤激光束(13)的正下方设有一个消像差准直镜组(1);
所述消像差准直镜组(1)的下方左侧设有一个斩波反射镜(2);
所述消像差准直镜组(1)的下方右侧设有一个第一反射镜(4);
所述斩波反射镜(2)上设有一个斩波反射镜转轴(3);
所述斩波反射镜(2)的下方左侧设有一个第二振镜(10);
所述斩波反射镜(2)的下方右侧设有一个第三反射镜(9);
所述第一反射镜(4)的下方左侧设有一个第二反射镜(5);
所述第一反射镜(4)的下方右侧设有一个第一振镜(6);
所述第一振镜(6)上设有一个第一振镜转轴(7);
所述第三反射镜(9)和第二振镜(10)的下方设有一个第二f-θ镜(12);
所述第二反射镜(5)和第一振镜(6)的下方设有一个第一f-θ镜(8);
所述第二振镜(10)上设有一个第二振镜转轴(11)。
2.根据权利要求1所述的一种基于斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,其特征在于:所述消像差准直镜组(1)可替换为消像差非球面镜。
3.根据权利要求1所述的一种基于斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,其特征在于:所述消像差准直镜组(1)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(9)、第一振镜(6)、第二振镜(10)、第一f-θ镜(8)和第二f-θ镜(12)均为圆柱状的熔融石英材料;
所述斩波反射镜(2)为等角多扇形柱状的轻质铝合金材料;
所述斩波反射镜(2)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(9)均为45°反射角,反射镜面均为平面;
所述斩波反射镜(2)为1:1占空比的N倍频反射镜,垂直于镜面方向上有多个对称面;
所述第一反射镜(4)、第二反射镜(5)和第三反射镜(9)为相同反射镜;
所述第一振镜(6)和第二振镜(10)为相同振镜,八边形柱状,仅有一个垂直于镜面的对称面,所述第一振镜转轴(7)、第二振镜转轴(11)分别在第一振镜(6)、第二振镜(10)的对称面上,且分别垂直于第一振镜(6)、第二振镜(10)的法线;
所述第一f-θ镜(8)、第二f-θ镜(12)为相同参数f-θ镜;
所述消像差准直镜组(1)中心轴、斩波反射镜(2)的斩波反射镜转轴(3)、第一反射镜(4)法线、第二反射镜(5)法线、第三反射镜(9)法线、第一振镜(6)法线、第二振镜(10)法线、第一f-θ镜(8)中心轴、第二f-θ镜(12)中心轴共面;
所述第一f-θ镜(8)、第二f-θ镜(12)聚焦焦平面共面,毛化部件平动或转动方向与第一f-θ镜(8)、第二f-θ镜(12)聚焦扫描线垂直。
4.根据权利要求1所述的一种基于斩波反射镜与振镜激光毛化光学系统,其特征在于:所述第一振镜(6)、第二振镜(10)同步摆动并同步改变转向;
所述斩波反射镜(2)为间歇性转动,反光区域与漏光区域间歇性交替,在第一振镜(6)、第二振镜(10)单向摆动时,斩波反射镜(2)处于停滞状态,表现为完全反光或完全漏光,只有在第一振镜(6)、第二振镜(10)改变转向的短时间内,斩波反射镜(2)发生反光区域与漏光区域瞬时交替;
所述第一振镜(6)、第二振镜(10)为往返摆动,实现单向扫描毛化。
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WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20171110 |
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