CN110587118A - 一种双激光合束装置及双激光复合加工的光束系统 - Google Patents

一种双激光合束装置及双激光复合加工的光束系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双激光合束装置，包括依次放置的激光源、反射组件，激光源包括平行设置的第一激光器和第二激光器，反射组件包括依次放置的反射元件c、反射元件a与反射元件b，第一激光器发出的光通过反射元件c透射到反射元件a，第二激光器发出的光通过反射元件c透射到反射元件b，反射元件a与反射元件b的光束通过反射元件c反射后进行合束；本发明还公开了两种双激光复合加工的光束系统；本发明一种双激光合束装置的结构简单、稳定性好、成本低，解决了现有技术中存在的单束激光扫描加工工件时，功率受到限制、热效应高、功能单一的问题。

Description

一种双激光合束装置及双激光复合加工的光束系统
技术领域
本发明属于激光器光束质量技术领域，具体涉及一种双激光合束装置，本发明还涉及采用双激光合束装置的双激光复合加工的光束系统。
背景技术
随着激光的快速发展，其应用越来越多，对各行各业的影响也越来越重要。激光加工属于无接触地减材加工，可对金属和非金属进行切除、熔化材料或改变材料表面性能；具有加工速度快，精度高，噪声低等特点。3D打印技术属于增材技术，能够实现复杂的或高精度的工件加工，提高了材料的利用率，缩短了项目研发周期。常见的激光3D打印技术有SLA、SLM、SLS、LOM等。
但现有的激光3D打印技术多采用单束激光源。激光按工作方式可分为两种，连续激光和脉冲激光，脉冲激光中存在皮秒、飞秒等超短脉冲激光。无论是激光加工还是3D打印技术，采用连续激光具有持续性工作、加工工件性能稳定的特点，但高功率的激光受到限制，且成本高；采用脉冲激光具有色性好，发散度低，功率高的特点，但在加工的过程中激光的冷却速度快，容易造成工件缺陷等问题。另外，单束激光的功率决定能量密度，直接影响成型零件的孔隙率，影响成品的机械性能，且在强度、波长、偏振等特性上具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种双激光合束装置，解决了现有技术中单束激光扫描加工时，功率受到限制、热效应高、功能单一的问题。
本发明的另一目的是提供一种采用双激光合束装置的双激光复合加工的光束系统。
本发明所采用的一种技术方案是一种双激光合束装置，包括依次放置的激光源、反射组件，激光源包括平行设置的第一激光器和第二激光器，反射组件包括依次放置的反射元件c、反射元件a与反射元件b，第一激光器发出的光通过反射元件c透射到反射元件a，第二激光器发出的光通过反射元件c透射到反射元件b，反射元件a与反射元件b的光束通过反射元件c反射后进行合束。
本发明的特点还在于：
第一激光器和第二激光器均为连续激光器，第一激光器和第二激光器均为脉冲激光器，第一激光器和第二激光器均为超短脉冲激光器，第一激光器和第二激光器分别为连续激光器和脉冲激光器，第一激光器和第二激光器分别为脉冲激光器和超短脉冲激光器，第一激光器和第二激光器分别为连续激光器和超短脉冲激光器。
反射元件c包括非球面反射镜。
反射元件c的凸面设置有全透膜，反射元件c的凹面设置有全反射膜，反射元件c用于透射和反射光束。
反射元件a与反射元件b包括平面反射镜，反射元件a与反射元件b为相互独立式结构。
本发明所采用的第二种技术方案是采用上述双激光合束装置的双激光复合加工的光束系统，包括依次设置的准直扩束镜、振镜和场镜，准直扩束镜和振镜均位于反射元件c全反射的合束光轴上，场镜位于振镜的反射光轴上。
本发明所采用的第三种技术方案是采用上述双激光合束装置的双激光复合加工的光束系统，包括依次设置的准直扩束镜、动态聚焦镜、振镜，准直扩束镜、动态聚焦镜、振镜均位于反射元件c全反射的合束光轴上。
本发明的有益效果是：
(1)、本发明一种双激光合束装置的结构简单、稳定性好、成本低；采用的双激光合束输出的激光功率为单束激光功率的数倍，确保了激光器在工作稳定的前提下满足加工功率的要求，不仅提高了激光功率，还降低了热效应；本发明一种双激光合束装置所采用的激光种类多，可以是连续激光，也可以是脉冲激光，也可以是皮秒、飞秒等超短脉冲激光，实现了双激光的合束，将波长相同或者相近的激光用在同一光路进行工作；本发明一种双激光合束装置采用的双激光可以进行相互组合，可以均为连续激光，实现了高功率的激光连续输出，且两种激光不发生干涉；或者均为脉冲激光，实现了有规律的周期性高功率激光输出；或者为连续激光和脉冲激光的组合，可以实现有局部高功率且连续的激光输出。
(2)、本发明一种双激光复合加工的光束系统，具体为F-θ透镜光路系统，将合束装置反射的合束激光通过准直扩束镜增加其光束质量，再通过振镜实现合束激光偏转方向的可控性，最后通过场镜实现合束激光束的聚焦，使合束激光的焦点落在工作平面上。
(3)、本发明另一种双激光复合加工的光束系统，具体为动态聚焦光路系统，通过动态聚焦镜和振镜实现了对合束激光偏转方向的控制，且能改变合束激光焦点在光轴上的位置，即将合束激光的焦点落在工作平面上，扫描面积大。
附图说明
图1是本发明一种双激光合束装置的整体结构示意图；
图2是本发明一种双激光复合加工的光束系统的整体结构示意图；
图3是本发明另一种双激光复合加工的光束系统的整体结构示意图。
图中，1.激光源，101.第一激光器，102.第二激光器，2.反射组件，201.全透膜，202.反射膜，203.反射元件a，204.反射元件b，205.反射元件c，3.准直扩束镜，4.振镜，401.反射镜a，402.反射镜b，5.场镜，6.工作平台，7.动态聚焦镜，701.扩束镜片，702.聚焦镜片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种双激光合束装置，其结构如图1所示，包括依次放置的激光源1、反射组件2，激光源1包括平行设置的第一激光器101和第二激光器102，反射组件2包括依次放置的反射元件c205、反射元件a203与反射元件b204，第一激光器101发出的光通过反射元件c205透射到反射元件a203，第二激光器102发出的光通过反射元件c205透射到反射元件b204，通过调整反射元件a203与反射元件b204的位置，使其上的两束光通过反射元件c205反射后进行合束。
优选地，第一激光器101和第二激光器102均为连续激光器，第一激光器101和第二激光器102均为脉冲激光器，第一激光器101和第二激光器102均为超短脉冲激光器，第一激光器101和第二激光器102分别为连续激光器和脉冲激光器，第一激光器101和第二激光器102分别为脉冲激光器和超短脉冲激光器，第一激光器101和第二激光器102分别为连续激光器和超短脉冲激光器。
优选地，反射元件c205包括非球面反射镜；反射元件c205的凸面设置有全透膜201，反射元件c205的凹面设置有全反射膜202，反射元件c205用于透射和反射光束。
优选地，反射元件a203与反射元件b204包括平面反射镜，反射元件a203与反射元件b204为相互独立式结构。
本发明一种双激光合束装置的工作原理：
第一激光器101和第二激光器102均是激光源，用于发射激光；反射组件2主要用于将两个激光源发出的激光合成一束激光；反射元件c205凸面上的全透膜201用于全透射两个激光源发出的激光光束，反射元件a203与反射元件b204是将反射元件c205透射的两束激光均反射到反射元件c205上并合束；反射元件c205凹面上的全反射膜202用于将反射元件a203与反射元件b204合束后的激光光束进行全反射。
如图2所示，本发明采用上述双激光合束装置的一种双激光复合加工的光束系统，具体为F-θ透镜光路系统，包括依次设置的双激光合束装置、准直扩束镜3、振镜4和场镜5，准直扩束镜3和振镜4均位于反射元件c205全反射的合束光轴上，场镜5位于振镜4的反射光轴上；振镜4包括反射镜a401和反射镜b402，反射镜a401和反射镜b402均是可以旋转的镜片，且旋转的中心轴线垂直。
本发明一种双激光复合加工的光束系统的光路原理如下：
双激光合束装置将两束激光进行合束，准直扩束镜3主要用于扩展反射元件c205全反射的合束激光的直径，减小其发散角，增加合束激光的光束质量，即将合束激光扩束为平行光束；平行光束通过准直扩束镜3后再进入振镜4，振镜4用于实现光束在一个平面内的任意偏转，此平面可为XY平面、YZ平面、XZ平面中的任一平面；后续描述以XY平面为例，振镜4包括X轴方向旋转的反射镜a401和Y轴方向旋转的反射镜b402；经过准直扩束镜3后的光束首先到达X轴方向旋转的反射镜a401，光束经X轴方向旋转的反射镜a401反射后进入Y轴方向旋转的反射镜b402，光束再经过Y轴方向旋转的反射镜b402到达场镜5内，实现合束激光的两个方向的偏转；场镜5是F-θ镜，主要用于实现合束激光的聚焦，使合束激光的焦点落到工作台面6上，从而实现合束激光在工作台面6的可控扫描工作。
如图3所示，本发明采用上述双激光合束装置的另一种双激光复合加工的光束系统，具体为动态聚焦光路系统，包括依次设置的双激光合束装置、准直扩束镜3、动态聚焦镜7、振镜4，准直扩束镜3、动态聚焦镜7、振镜4均位于反射元件c205全反射的合束光轴上；动态聚焦镜7和振镜4实现了对合束激光偏转方向的控制，且能改变合束激光焦点在光轴上的位置，即将合束激光的焦点落在工作平面6上。动态聚焦镜7包括可移动的扩束镜片701和聚焦镜片702。
本发明另一种双激光复合加工的光束系统的光路原理如下：
双激光合束装置将两束激光进行合束，准直扩束镜3主要用于扩展反射元件c205全反射的合束激光的直径，减小其发散角，增加合束激光的光束质量，即将合束激光扩束为平行光束；平行光束通过准直扩束镜3后再进入可移动的扩束镜片701，使扩束镜片701与聚焦镜片702之间的距离发生变化，从而改变合束激光焦点在光轴上的位置；振镜4用于实现光束在一个平面内的任意偏转，此平面可为XY平面、YZ平面、XZ平面中的任一平面；后续描述以XY平面为例，振镜4包括X轴方向旋转的反射镜a401和Y轴方向旋转的反射镜b402，通过聚焦镜片702的合束激光先到达X轴方向旋转的反射镜a401，光束经X轴方向旋转的反射镜a401反射后进入Y轴方向旋转的反射镜b402，光束再经过Y轴方向旋转的反射镜b402反射到工作平面6上，并将合束激光的焦点落到工作台面6上，从而实现合束激光在工作台面6的可控扫描工作。

Claims (7)

1.一种双激光合束装置，其特征在于，包括依次放置的激光源(1)、反射组件(2)，所述激光源(1)包括平行设置的第一激光器(101)和第二激光器(102)，所述反射组件(2)包括依次放置的反射元件c(205)、反射元件a(203)与反射元件b(204)，所述第一激光器(101)发出的光通过反射元件c(205)透射到反射元件a(203)，所述第二激光器(102)发出的光通过反射元件c(205)透射到反射元件b(204)，所述反射元件a(203)与反射元件b(204)的光束通过反射元件c(205)反射后进行合束。
2.如权利要求1所述的一种双激光合束装置，其特征在于，所述第一激光器(101)和第二激光器(102)均为连续激光器，所述第一激光器(101)和第二激光器(102)均为脉冲激光器，所述第一激光器(101)和第二激光器(102)均为超短脉冲激光器，所述第一激光器(101)和第二激光器(102)分别为连续激光器和脉冲激光器，所述第一激光器(101)和第二激光器(102)分别为脉冲激光器和超短脉冲激光器，所述第一激光器(101)和第二激光器(102)分别为连续激光器和超短脉冲激光器。
3.如权利要求1所述的一种双激光合束装置，其特征在于，所述反射元件c(205)包括非球面反射镜。
4.如权利要求3所述的一种双激光合束装置，其特征在于，所述反射元件c(205)的凸面设置有全透膜(201)，所述反射元件c(205)的凹面设置有全反射膜(202)，所述反射元件c(205)用于透射和反射光束。
5.如权利要求1所述的一种双激光合束装置，其特征在于，所述反射元件a(203)与反射元件b(204)包括平面反射镜，所述反射元件a(203)与反射元件b(204)为相互独立式结构。
6.双激光复合加工的光束系统，其特征在于，所述光束系统采用如权利要求1～5任意一项所述的一种双激光合束装置，包括依次设置的准直扩束镜(3)、振镜(4)和场镜(5)，所述准直扩束镜(3)和振镜(4)均位于反射元件c(205)全反射的合束光轴上，所述场镜(5)位于振镜(4)的反射光轴上。
7.双激光复合加工的光束系统，其特征在于，所述光束系统采用如权利要求1～5任意一项所述的一种双激光合束装置，包括依次设置的准直扩束镜(3)、动态聚焦镜(7)、振镜(4)，所述准直扩束镜(3)、动态聚焦镜(7)、振镜(4)均位于反射元件c(205)全反射的合束光轴上。
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