CN111342323A - 双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光定向能发射技术领域，公开了一种双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置，两个波长不同的激光器、与两个激光器一一对应的两个动态聚焦镜、合束镜、反射光路组件、方向调节组件以及测距仪；两个动态聚焦镜分别设置于对应激光器的发射光路上，合束镜设置于两个动态聚焦镜的出射光路交点上，反射光路组件设置于合束镜的出射光路上，反射光路组件安装于方向调节组件上，测距仪固定于方向调节组件上，并用于测量激光定向能发射装置与目标之间的距离。本发明的动态聚焦激光定向能发射装置尤为适用于表面凹凸不平的目标加工，使得该激光定向能装置具有更好的适应性。

Description

双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置及方法

技术领域

本发明涉及激光定向能发射技术领域，具体涉及一种双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置及方法。

背景技术

激光具有速度快、无惯性、能量高、抗电磁等优点，因此被广泛应用于激光武器、激光除冰、激光除锈等领域。激光的功率越高，能量越大，加工效率也就越高，但是高功率的激光器普遍存在体积大、制造及维护困难、成本高的缺点，而且单一波长的激光器都存在材料选择性吸收特性，影响激光定向能作用于目标的效果。目前公开的用于除锈、除冰、清障、武器等领域的激光远程定向能系统存在采用单一波长激光器、扫描速度慢、激光对部分材料作用有效的局限。因此如何实现高速激光远程定向能发射和高效的激光与材料作用，是亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置及方法，解决现有技术中高功率激光器体积大、成本高，难以实现对多种材料进行高速高效激光扫描作用的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置，两个波长不同的激光器、与两个激光器一一对应的两个动态聚焦镜、合束镜、反射光路组件、方向调节组件以及测距仪；

两个动态聚焦镜分别设置于对应激光器的发射光路上，所述合束镜设置于两个所述动态聚焦镜的出射光路交点上，所述反射光路组件设置于所述合束镜的出射光路上，所述反射光路组件安装于所述方向调节组件上，所述测距仪固定于所述方向调节组件上，并用于测量激光定向能发射装置与目标之间的距离。

本发明还提供一种双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射方法，采用前述的激光定向能发射装置实现，包括以下步骤：

S1控制方向调节组件旋转，使得扫描振镜对准远处加工目标，光学监控器、红外监控器及测距仪也对准远处加工目标；

S2控制测距仪测量远处加工目标到扫描振镜的距离；

S3控制其中一个激光器输出可见光波段激光作为指示用激光，同时控制扫描振镜内的X向扫描振镜及Y向扫描振镜偏转扫描，通过光学监控器观测指示用激光的扫描移动范围，根据所述扫描移动范围在远处加工目标的加工区域的边界上选取多个关键点，保存所有关键点的位置信息；

S4对所有关键点包围的区域进行路径填充，作为加工路径；

S5控制扫描振镜内的X向扫描振镜和Y向扫描振镜按照所述加工路径中保存的位置信息偏转扫描，同时控制两个激光器同时输出高能激光束，根据所述步骤S2中测距仪反馈的距离控制两个动态聚焦镜，以使两个高能激光束均能聚焦到远处加工目标，并对远处加工目标同时进行加工，加工过程中通过红外监控器监控加工区域温度；

S6重复步骤S1-S5，直到远处加工目标中的所有待加工区域全部完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明通过测距仪实时测量目标与激光定向能发射装置的距离，根据距离调整两个动态聚焦镜的位置，使得两个激光器发射的激光束同步实时聚焦在远处目标上，实现两个激光器的动态聚焦。动态聚焦尤为适用于表面凹凸不平的目标加工，使得该激光定向能装置具有更好的适应性。

附图说明

图1是本发明提供的双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置一实施方式的结构示意图；

图2是本发明提供的双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射方法一实施方式的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置可以使用在任何需要激光定向能发射的场景，例如激光除冰，激光加工或激光打击。下面以激光除冰的场景为例介绍双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置的结构和控制方法。

如图1所示，本发明的实施例提供了双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置，以下简称本装置，两个波长不同的激光器、与两个激光器一一对应的两个动态聚焦镜、合束镜3、反射光路组件、方向调节组件以及测距仪6；

两个动态聚焦镜分别设置于对应激光器的发射光路上，所述合束镜3设置于两个所述动态聚焦镜的出射光路交点上，具体地，其中一个动态聚焦镜聚焦的激光穿透合束镜，另一个动态聚焦镜聚焦的激光通过合束镜的反射，改变发射方向，两束激光被合束镜合为一束激光束。所述反射光路组件设置于所述合束镜3的出射光路上，所述反射光路组件安装于所述方向调节组件上，所述测距仪6固定于所述方向调节组件上，并用于测量激光定向能发射装置与目标之间的距离。

两个激光器分别为第一激光器11和第二激光器12，两个动态聚焦镜分别为第一动态聚焦镜21和第二动态聚焦镜22。第一激光器11出射的激光束通过第一动态聚焦镜21后与第二激光器12出射的激光束通过第二动态聚焦镜22后均到达合束镜3，合成为同一激光束后经过反射光路组件发射向远处的目标。方向调节组件用于安装反射光路组件，用于调节反射光路组件的反射光路，从而改变从反射光路组件出射的激光束作用于目标的位置，实现激光远程发射定位。测距仪6用于测量目标与激光定向能发射装置的距离，便于用户根据距离调整两个动态聚焦镜，使得两个激光器发射的激光束聚焦在远处目标上，实现两个激光器的动态聚焦。两个激光器的波长不同，对应的动态聚焦镜可以调整各自的高能激光聚焦到远处目标，不同波长高能激光同步聚焦到目标，由于目标物体(冰雪、锈迹或者障碍物等)对不同波长激光的吸收率和透射率不同，双波长激光同步作用，从而提高加工效率，无需采用高功率的激光器也可以实现高效的激光加工。

优选的，如图1所示，所述反射光路组件包括第一反射镜41、第二反射镜42以及扫描振镜43；所述方向调节组件包括底座51、水平旋转管52以及俯仰旋转管53；

所述第一反射镜41固定于所述底座51内；所述水平旋转管52的一端固定在所述底座51上，且可绕自身轴向旋转，所述第二反射镜42固定于所述水平旋转管52的管道内，所述第二反射镜42可随所述水平旋转管52一同旋转；

所述俯仰旋转管53与所述水平旋转管52垂直连接，且可绕自身轴向旋转，所述扫描振镜43有固定于所述俯仰旋转管53的管道内，所述扫描振镜43可随所述俯仰旋转管53一同旋转；所述激光器射出的激光束依次通过所述第一反射镜41、第二反射镜42和扫描振镜43后作用于目标100。

水平旋转管52沿竖直方向设置，且能绕世界坐标系的Z轴旋转，世界坐标系如图1中所示，水平旋转管52上安装俯仰旋转管53，俯仰旋转管53能绕世界坐标系的X轴旋转。第一反射镜41固定在底座51上，其反射的激光束与水平旋转管52的转轴重合。第二反射镜42固定在水平旋转管52上，其反射的激光束与俯仰旋转管53的转轴重合。合束镜3出射的激光束(图1中虚线)通过第一反射镜41、第二反射镜42、扫描振镜43组成的空间光路发射向远处目标。转动水平旋转管52、俯仰旋转管53，从而调节激光束指向目标100，对目标进行加工。

一些实施例采用安装在水平旋转管52和俯仰旋转管53内部的空间光路传输激光束，通过水平旋转管52和俯仰旋转管53的旋转运动调整发射激光束的水平方位和俯仰角度，从而实现激光除冰加工方位和范围的灵活调整。由于采用空间光路和双旋转管结构，通过水平旋转管52和俯仰旋转管53的运动实现激光束向大范围三维空间的灵活发射，能实现对远程加工目标的大范围扫描。同时，本优选实施例中反射光路组件采用反射镜组形式的空间光路传输激光束，适用于固体激光器、气体激光器、光纤激光器等多种类型激光器。

优选的，如图1所示，所述第二反射镜42固定于所述俯仰旋转管53上与所述水平旋转管52连通的一端，所述扫描振镜43固定于所述俯仰旋转管53远离所述水平旋转管52的一端。其中扫描振镜43包括X向扫描振镜43a和Y向扫描振镜43b。

第二反射镜42固于俯仰旋转管53与水平旋转管52连通的一端，便于第二反射镜42设置于第一反射镜41的反射光路上。

所述激光器为固体激光器、气体激光器或光纤激光器。

目前，有一些激光除冰系统采用光纤传输的激光发射头进行除冰，不适用于无法光纤传输的其他类型激光器。而优选实施例中，末端采用扫描振镜43对激光进行反射，扫描振镜43可反射不同类型的激光，因此适用于不同类型激光器，例如固体激光器、气体激光器、光纤激光器。

优选的，其中一个所述激光器内含有可见光波段指示用激光。

两个激光器波长不同，其中一个激光器内含有可见光波段激光，可见光波段激光可以做指示用激光，用于指示加工路径。两个激光器通过各自的动态聚焦镜，相会于合束器，然后合成为一束同轴光，经过安装在水平旋转管52和俯仰旋转管53上的反射光路射向目标100。

优选的，本装置还包括单元控制器7，所述单元控制器7自带显示屏，通过所述显示屏可以查看各种监控信息，两个所述动态聚焦镜、两个所述激光器、所述方向调节组件、所述测距仪6分别与所述单元控制器7电连接。

具体的，单元控制器7通过信号线与第一激光器11、第二激光器12、第一动态聚焦镜21、第二动态聚焦镜22、水平旋转管52、俯仰旋转管53、测距仪6电连接，并控制第一激光器11和第二激光器12的激光功率和开断、控制水平旋转管52和俯仰旋转管53的旋转运动、接受测距仪6测量的距离数据。在单元控制器7的控制下，通过水平旋转管52和俯仰旋转管53的旋转调节使得出射激光束的方向跟踪瞄准目标，测距仪6实时测量目标与激光定向能发射装置的距离，控制器根据距离自动调整两个动态聚焦镜，使得两个激光器发射的激光束聚焦在远处目标上，实现两个激光器的自动动态聚焦。

优选的，本装置还包括光学监控器8，所述光学监控器8安装于所述方向调节组件上，用于检测所述激光的扫描范围。

在实施例中，所述光学监控器8与所述单元控制器7电连接，并反馈所述激光的扫描范围至所述控制器。

内含有可见光波段指示激光的激光器在发射高功率的加工激光对目标进行加工前，先发射指示激光，并通过光学监控器8检测指示用激光，以便通过指示用激光进行加工过程中加工路径的示教。

优选地，本装置还包括红外监控器9，所述红外监控器9安装于所述方向调节组件上，用于检测所述除冰用激光工作过程中加工区域的温度。激光扫描加工过程中，通过红外监控装置对加工区域进行温度自动监控，当加工区域温度高于设定温度时，红外监控装置将进行提示，例如亮灯提示更改加工位置。

红外监控器9也与所述单元控制器7电连接，并反馈所述温度信息至所述单元控制器7，通过单元控制器7进行加工点的调整，以避免加工过程中激光功率过高或过低，保证加工过程安全。红外监控装置可采用温控器实现。

如图2所示，本发明的实施例提供了双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射方法，采用前述激光定向能发射装置实现，包括以下步骤：

S1控制方向调节组件旋转，使得扫描振镜对准远处加工目标，光学监控器、红外监控器及测距仪也对准远处加工目标；

S2控制测距仪测量远处加工目标到扫描振镜的距离；

S3控制其中一个激光器输出可见光波段指示用激光，同时控制扫描振镜内的X向扫描振镜及Y向扫描振镜偏转扫描，通过光学监控器观测指示用激光的扫描移动范围并确定加工区域，在加工区域的边界上选取多个关键点，保存所有关键点的位置信息；

S4对所有关键点包围的区域进行路径填充，作为加工路径；

S5控制扫描振镜内的X向扫描振镜和Y向扫描振镜按照所述加工路径中保存的位置信息偏转扫描，同时控制两个激光器同时输出高能激光束，根据所述步骤S2中测距仪反馈的距离控制两个动态聚焦镜，以使两个高能激光束均能聚焦到远处加工目标，并对远处加工目标同时进行加工，加工过程中通过红外监控器采集加工区域温度；

S6重复步骤S1-S5，直到远处加工目标中的所有待加工区域全部完成。

具体的，单元控制器7控制水平旋转管52和俯仰旋转管53旋转，使得扫描振镜43对准远处加工目标，光学监控器8、红外监控器9及测距仪6也对准远处加工目标；单元控制器7通过测距仪6测量远处加工目标到扫描振镜43的距离；如图2所示，单元控制器7控制其中一个激光器输出可见光波段指示用激光，同时控制扫描振镜43内的X向扫描振镜43a及Y向扫描振镜43b偏转扫描，通过光学监控器观测指示用激光的扫描移动范围确定加工区域，在加工区域的边界上选取关键点Kj(j＝1…n)，保存所有关键点的位置信息；对所有关键点包围的区域进行路径填充，作为激光扫描加工路径Oj(j＝1…m)；单元控制器7控制扫描振镜内的X向扫描振镜43a及Y向扫描振镜43b按照激光扫描加工路径Oj(j＝1…m)中保存的位置信息偏转扫描，同步控制激光器11和激光器12同时输出高能激光束，根据所述测距仪6之前反馈的远处加工目标到扫描镜镜43的距离控制动态聚焦镜21和动态聚焦镜22，将两种波长激光能量同步投射到目标100进行加工。加工过程中还可通过红外监控器9采集加工区域的温度，确保加工区域温度在正常范围，若温度高于设定值，则意味当前加工点加工完成，将当前点从加工路径移除，移动至下一加工点继续加工。重复上述步骤，直至完成所有待加工区域。

本实施例提供的激光定向能发射方法，在准确定向的发射除冰用激光至加工点的同时，实时测量目标与激光定向能发射装置之间的距离，根据距离实现激光的动态聚焦，从而实现加工过程中的实时聚焦，保证激光到达每一加工点时均保持聚焦，从而在加工过程中始终保持较高的加工效率。

由于装置包含两个激光器的波长不同，其中一个激光器内含有可见光波段激光做指示用激光，用于指示加工路径。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置，其特征在于，两个波长不同的激光器、与两个激光器一一对应的两个动态聚焦镜、合束镜、反射光路组件、方向调节组件以及测距仪；

两个动态聚焦镜分别设置于对应激光器的发射光路上，所述合束镜设置于两个所述动态聚焦镜的出射光路交点上，所述反射光路组件设置于所述合束镜的出射光路上，所述反射光路组件安装于所述方向调节组件上，所述测距仪固定于所述方向调节组件上，并用于测量激光定向能发射装置与目标之间的距离。

2.根据权利要求1所述的双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置，其特征在于，所述反射光路组件包括第一反射镜、第二反射镜以及扫描振镜；所述方向调节组件包括底座、水平旋转管以及俯仰旋转管；

所述第一反射镜固定于所述底座内；所述水平旋转管的一端固定在所述底座上，且可绕自身轴向旋转，所述第二反射镜固定于所述水平旋转管的管道内，所述第二反射镜可随所述水平旋转管一同旋转；

所述俯仰旋转管与所述水平旋转管垂直连接，且可绕自身轴向旋转，所述扫描振镜固定于所述俯仰旋转管的管道内，所述扫描振镜可随所述俯仰旋转管一同旋转；所述合束镜射出的激光束依次通过所述第一反射镜、第二反射镜和扫描振镜后作用于目标。

3.根据权利要求2所述的双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置，其特征在于，所述第二反射镜固定于所述俯仰旋转管上与所述水平旋转管连通的一端，所述扫描振镜固定于所述俯仰旋转管远离所述水平旋转管的一端。

4.根据权利要求3所述的双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置，其特征在于，其中一个所述激光器内含有同轴可见光波段激光用于作为指示用激光。

5.根据权利要求4所述的双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置，其特征在于，还包括光学监控器，所述光学监控器安装于所述方向调节组件上，用于检测指示用激光的扫描范围。

6.根据权利要求4所述的双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置，其特征在于，还包括红外监控器，所述红外监控器安装于所述方向调节组件上，用于检测加工激光工作过程中加工区域的温度。

7.根据权利要求6所述的双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置，其特征在于，还包括单元控制器，两个所述动态聚焦镜、两个所述激光器、所述方向调节组件、所述测距仪分别与所述单元控制器电连接。

8.一种双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射方法，其特征在于，采用如权利要求7所述的激光定向能发射装置实现，包括以下步骤：

S1控制方向调节组件旋转，使得扫描振镜对准远处加工目标，光学监控器、红外监控器及测距仪也对准远处加工目标；

S2控制测距仪测量远处加工目标到扫描振镜的距离；

S3控制其中一个激光器输出可见光波段指示用激光，同时控制扫描振镜内的X向扫描振镜及Y向扫描振镜偏转扫描，通过光学监控器观测指示用激光的扫描移动范围，根据所述扫描移动范围在远处加工目标的加工区域的边界上选取多个关键点，保存所有关键点的位置信息；

S4对所有关键点包围的区域进行路径填充，作为加工路径；

S5控制扫描振镜内的X向扫描振镜和Y向扫描振镜按照所述加工路径中保存的位置信息偏转扫描，同时控制两个激光器同时输出高能激光束，根据所述步骤S2中测距仪反馈的距离控制两个动态聚焦镜，以使两个高能激光束均能聚焦到远处加工目标，并对远处加工目标同时进行加工，加工过程中通过红外监控器采集加工区域温度；

S6重复步骤S1-S5，直到远处加工目标中的所有待加工区域全部完成。

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