CN111752001B - 基于声光偏转技术的动态可调环形光束的变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声光偏转技术的动态可调环形光束的变换装置。本发明的装置在实现环形光斑光束的同时，可以实现中心与环形光斑间距的任意可调，同时也可以实现多环复合光斑变换，不仅解决传统激光高速焊接过程中产生气泡和飞溅问题，同时规避了三包层特种光纤成本高，制作工艺复杂的难题。激光能量耦合是损耗及烧坏光纤的风险，能够满足不同激光加工需要的光斑定制。

Description

基于声光偏转技术的动态可调环形光束的变换装置
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体地涉及一种基于声光偏转技术的动态可调环形光束的变换装置。
背景技术
激光焊接是将激光束照射到材料表面，通过激光与材料的相互作用是材料熔融并连接，形成优良焊接接头的工艺过程。传统的单峰高斯分布激光焊接在高功率焊接时存在产生气孔的问题，这会导致材料的焊接强度降低，而且在电池高速焊接时很容易产生飞溅，飞溅的金属颗粒很容易产生内部泄露电流，导致电池短路。
为解决焊接过程中的飞溅问题，美国相干公司推出了一种新的复合光斑的光束整形方案，可实现中心和外环光斑强度的调整，并得到了广泛的使用。但是该方案不能动态的实施调整光强分配的大小，且中心光斑和外环光斑间距为固定设计也无法根据应用需要动态调整，给某些应用带来了诸多不变。另一方面该方案需要采用一种特制的三包层光纤才能实现，该光纤制作工艺复杂，对光束耦合器的稳定性要求极高，否则存在光纤烧坏的风险。使得此方法无法大规模的应用到工业应用中。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于声光偏转技术的动态可调环形光束的变换装置，在实现环形光斑光束的同时，可以实现中心与环形光斑间距的任意可调，同时也可以实现多环复合光斑变换，不仅解决传统激光高速焊接过程中产生气泡和飞溅问题，同时规避了三包层特种光纤成本高，制作工艺复杂的难题，激光能量耦合是损耗及烧坏光纤的风向，能够满足不同激光加工需要的光斑定制。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于声光偏转技术的动态可调环形光束的变换装置，其特征在于：包括筒形套管；所述筒形套管内部设置有空心连接杆，空心电机，声光偏转器，声光驱动电源，桶形散热器和轴承对；
所述轴承对装置在筒形套管的左右两端，用于固定筒形套管，并为整套装置提供支撑；所述筒形套管，为整套装置的支撑部件；所述空心电机、桶形散热器均安装在筒形套管上，且与筒形套管同心布置；所述空心连接杆、空心电机、声光驱动电源、桶形散热器从左至右依次连接：
所述桶形散热器为桶形的空心圆柱结构；所述声光偏转器安装在桶形散热器内，并通过空心连接杆连接到空心电机上；所述声光驱动电源安装在桶形散热器外部，声光驱动电源与空心电机的输出端相连，声光驱动电源的输出端连接在声光偏转器上，与声光偏转器和空心电机同步转动，为声光偏转器及声光驱动电源提供必要的散热；
所述空心电机是整套装置实现圆周运动的动力部件，带动声光偏转器绕着入射的准直激光的光轴旋转，产生对入射的准直激光进行变换以实现不同应用要求的环形光斑，同时为声光驱动电源提供电能；所述空心电机的转子固定在空心连接杆上，并通过空心连接杆带动桶形散热器和声光偏转器同步转动，空心电机的定子固定在筒形套管中；
还包括外电极连接器、内电极连接器和声光偏转器控制线；所述内电极连接器用于接空心电机输出端使声光驱动电源正常工作；所述外电极连接器用于接外部电源使空心电机正常工作；所述声光偏转器控制线用于连接声光偏转器和声光驱动电源；
所述声光偏转器利用布拉格衍射效应可将入射激光偏转指定角度，以产生0级输出激光和1级衍射激光，且0级输出激光与1级衍射激光的能量可以通过衍射效率的大小实时调控；
所述声光驱动电源用于为声光偏转器提供所需要的超声场频率和超声场功率，进而调节输出激光光束形态和激光功率。
作为优选方案，所述声光偏转器位于桶形散热器中心，并保持声光晶体通光中心与桶形散热器及筒形套管同轴；所述桶形散热器中轴与空心电机的中轴重合，以保证光路的畅通。
进一步地，所述声光偏转器产生的1级衍射激光和0级输出激光的最大允许夹角θ为
Figure GDA0003679642890000031
其中，d为出射孔直径，h为声光晶体到出射孔的距离；所述0级输出激光光路与桶形散热器中轴重合。
上述声光偏转器安装在桶形散热器内，并通过空心连接杆连接到空心电机上。声光驱动电源一同安装在桶形散热器上，与空心电机的输出端相连，声光驱动电源的输出端连接在声光偏转器上，与声光偏转器和空心电机同步转动。
上述空心电机是整套装置实现圆周运动的动力部件，带动声光偏转器绕着入射的准直激光的光轴旋转，产生对入射的准直激光进行变换，实现不同应用要求的环形光斑；同时为声光驱动电源提供电能。空心电机的转子固定在空心连接杆上，并通过空心连接杆带动桶形散热器和声光偏转器同步转动，空心电机的定子固定在筒形套管中。
上述桶形散热器，为桶形的空心圆柱结构，声光偏转器安装在内部，声光驱动电源安装在其外部，为声光偏转器及声光驱动电源提供必要的散热；声光偏转器，利用布拉格衍射效应可将入射激光偏转指定角度，产生1级衍射激光和0级输出激光，且0级与1级衍射激光的能量可以通过衍射效率的大小实时调控；声光驱动电源，用于为声光偏转器提供所需要的超声场频率和超声场功率，进而调节输出激光光束形态和激光功率；内电极连接器，用于接空心电机输出端使声光驱动电源正常工作；外电极连接器，用于接外部电源使空心电机正常工作；筒形套管，为整套装置的支撑部件，空心电机，桶形散热器安装在筒形套管上，并保证上述器件的同心。轴承对，用于固定筒形套管，并为整套装置提供支撑。声光偏转器位于桶形散热器中心，并保持声光晶体通光中心与桶形散热器及筒形套管同轴。
上述桶形散热器中轴与空心电机的中轴重合，保证光路的畅通；声光偏转器产生的1级衍射激光和0级输出激光的最大允许夹角θ为
Figure GDA0003679642890000041
d为出射孔直径，h为声光晶体到出射孔的距离。0级输出激光光路与散热器中轴重合；声光驱动电源位于桶形散热器的外部。
与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：
(1)通过对声光偏转器和空心电机的协同控制就可以方便实现圆形光斑和单环形光斑，多环形光斑的快速变换。
(2)通过改变声光偏转器的输入功率和频率，可以对各部分光斑的强度，间距进行实时调控，增强了复合光斑的调整和控制能力。
(3)该方案有效地降低了三包层光纤方案中光强耦合和传输过程中的损耗，对系统的装配精度与稳定性要求，而提升了系统的能量利用率，降低了对各部件加工和装备的精度要求，性价比得到有效的提升。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图
图2为本发明整体结构剖面示意图；
图3为电机未启动时的输出光束示意图；
图4为声光偏转器的工作原理图；
图5为实施例1衍射光束产生原理示意图；
图6为实施例1输出的激光光斑；
图7为实施例1输出激光光斑可能的不同形态；
图8为实施例2衍射光束产生的原理示意图；
图9为实施例2输出的激光光斑；
图10为实施例2输出激光光斑可能的不同形态；
图中：1.筒形套管、2.空心连接杆、4.外电极连接器、5.内电极连接器、6.声光偏转 器、7.声光驱动电源、8.桶形散热器、9.转子，10.定子，11.声光偏转器控制线，12.入射的准 直激光、13.0级输出激光、14.1级衍射激光、15.轴承对、16.第二种1级衍射激光、17.接收 屏、18.声光晶体。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的基于声光偏转技术的动态可调环形光束的变换装置，包括：筒形套管1，空心连接杆2，空心电机，外电极连接器4，内电极连接器5，声光偏转器6，声光驱动电源7，桶形散热器8，空心电机的转子9，空心电机的定子10，声光偏转器控制线11，入射的准直激光12，0级输出激光13，1级衍射激光14，轴承对15；声光偏转器安装在桶形散热器内，并通过空心连接杆2连接到空心电机上。
空心电机，是整套装置实现圆周运动的动力部件，带动声光偏转器6绕着光轴旋转，产生对入射的准直激光进行变换，实现不同应用要求的环形光斑，同时为声光驱动电源7提供电能；桶形散热器8，为桶形的空心圆柱结构，声光偏转器6安装在内部，声光驱动电源7安装在其外部，为声光偏转器6及驱动电源7提供必要的散热；声光偏转器6，利用布拉格衍射效应可将入射激光偏转指定角度，产生1级衍射激光和0级输出激光，且0级与1级衍射激光的能量可以通过衍射效率的大小实时调控；声光驱动电源7，用于为声光偏转器6提供所需要的超声场频率和超声场功率，进而调节输出激光光束形态和激光功率；电极连接器，用于接外部电源使声光驱动电源正常工作；筒形套管1，为整套装置的支撑部件，空心电机，桶形散热器8安装在筒形套管上，并保证上述器件的同心。
在本发明实施例中，入射的准直激光通过空心连接杆2中心进入声光偏转器6，经过声光偏转器6衍射后产生0级输出激光和1级衍射激光，当空心电机转动时，0级输出激光保持原来的光路，1级衍射激光绕光轴旋转产生环形光斑，两者结合得到满足需求的激光光束。其中，0级输出激光和1级衍射激光的夹角和光强可以根据实际需要进行调控。
在若干可选的实施方案中，可以有如下优化设计：
(1)声光偏转器6位于桶形散热器8中心，并保持声光晶体通光中心与桶形散热器及筒形套管1同轴；或者，
(2)桶形散热器8中轴与空心电机的中轴重合，保证光路的畅通；或者，
(3)声光偏转器6产生的1级衍射激光和0级输出激光的最大允许夹角θ为
Figure GDA0003679642890000071
d为出射孔直径，h为声光晶体到出射孔的距离。0级输出激光光路与桶形散热器8中轴重合；或者，
(4)声光驱动电源7位于桶形散热器的外部。
以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
图1为实施例1的装置结构图，包括：筒形套管1，空心连接杆2，空心电机，外电极连接器4，内电极连接器5，声光偏转器6，声光驱动电源7，桶形散热器8，空心电机的转子9，空心电机的定子10，声光偏转器控制线11，入射的准直激光12，0级输出激光13，1级衍射激光14，轴承对15。
如图2所示，入射的准直激光12通过空心连接杆中心入射到声光晶体上，在声光偏转器6的作用下产生0级输出激光和1级衍射激光，衍射光束之间的偏转角由声光驱动电源7提供的超声场频率控制。0级输出激光沿y轴出射，1级衍射激光与y轴成一定夹角θ出射。
当电机没有启动时，没有直流电提供给声光驱动电源7。入射激光通过声光晶体后仅有0级输出激光，且光线沿着光轴传输，此时输出的为实心的圆形光斑，如图3所示。
当空心电机在外部电源的驱动下开始转动时，一方面，空心电机产生电能提供给声光驱动电源7使其正常工作，如图4所示，此时入射角必须为布拉格角θB时才能够满足布拉格衍射条件，产生0级输出激光和1级衍射激光，衍射夹角θ＝2θB入射光、衍射光以及声波矢量方向所在的平面为声光互作用平面。
另一方面，空心电机通过空心连接杆2带动桶形散热器8和声光偏转器6围绕桶形散热器8的中轴即y轴转动，图4中的声光互作用平面同样绕y轴转动，入射光与声波矢量的夹角保持不变，所以入射角始终保持为布拉格角θB，0级输出激光和1级衍射激光的衍射夹角保持θ＝2θB不变。
由于0级输出激光光路与y轴重合，输出的光斑位置不发生改变，是在光轴上的圆形光束，由于1级衍射激光偏离了光轴，且绕y轴转动，输出为一个环形光束，输出光路如图5所示。两者叠加在一起即可得到如图6所示的激光光束。
由声光偏转器6的扫描特性可知，偏转角
Figure GDA0003679642890000081
其中λ为光波长，为V晶体内声速，f为超声场频率。即偏转角与超声场频率成正比，所以通过控制声光驱动电源7提供给声光晶体的超声场频率，就可以控制1级衍射激光和0级输出激光之间的衍射夹角，相应的接收屏上环形光斑与圆形光斑之间的光斑间距l也同步改变。其中1级衍射激光和0级输出激光的最大允许夹角θ为
Figure GDA0003679642890000091
d为出射孔直径，h为声光晶体到出射孔的距离。
如果在空心电机旋转的同时，按照设定的函数关系对声光偏转器6的频率进行动态调整，则可以实现中心光斑位置不变，外部动态扫描的光斑轨迹任意调控的复合光斑。
由于声光晶体的1级衍射激光的衍射效率由声光驱动电源7提供给声光晶体的超声场功率决定，所以通过改变提供给声光偏转器6的输入功率，可以动态调整1级衍射激光的功率，对输出的环形光斑和圆形光斑的光强分别进行调控，得到如图7所示的不同形态的输出激光。
如果在空心电机旋转的同时，按照设定的函数关系对声光偏转器6的输入功率进行动态调整，则可以实现环形图复合光斑位置不变，但中心光斑与外环光斑强度的实时调控。
实施例2
实施例2的装置结构与实施例1相同，主要区别在于输出光斑形态的变换。实施例1中，输出光斑为圆形光斑和单环形光斑的复合光斑。在实施例2中，输出光斑为圆形光斑和多环形光斑的复合光斑。
图8为产生圆形光斑和多环形光斑的原理图，当空心电机正常工作，为声光驱动电源7提供电能时，通过外部控制电路控制声光驱动电源7为声光偏转器6同时提供两种不同的超声场频率，可以产生两种衍射偏转角不同的1级衍射激光，输出的复合光斑如图9所示。分别对两个超声场的频率和输入功率进行调控可以得到图10所示输出形态和光强不同的复合光斑。
同样的，当控制声光驱动电源7为声光偏转器6提供多种不同的超声场频率时可以输出多种环形光斑，得到形态更加复杂的复合光斑。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于声光偏转技术的动态可调环形光束的变换装置，其特征在于：包括筒形套管(1)；所述筒形套管(1)内部设置有空心连接杆(2)，空心电机，声光偏转器(6)，声光驱动电源(7)，桶形散热器(8)和轴承对(15)；
所述轴承对(15)装置在筒形套管(1)的左右两端，用于固定筒形套管(1)，并为整套装置提供支撑；所述筒形套管(1)，为整套装置的支撑部件；所述空心电机、桶形散热器(8)均安装在筒形套管(1)上，且与筒形套管(1)同心布置；所述空心连接杆(2)、空心电机、声光驱动电源(7)、桶形散热器(8)从左至右依次连接：
所述桶形散热器(8)为桶形的空心圆柱结构，为声光偏转器(6)及声光驱动电源(7)提供必要的散热；所述声光偏转器(6)安装在桶形散热器(8)内，并通过空心连接杆(2)连接到空心电机上；所述声光驱动电源(7)安装在桶形散热器(8)外部，声光驱动电源(7)与空心电机的输出端相连，声光驱动电源(7)的输出端连接在声光偏转器(6)上，与声光偏转器(6)和空心电机同步转动；
所述空心电机是整套装置实现圆周运动的动力部件，带动声光偏转器(6)绕着入射的准直激光(12)的光轴旋转，产生对入射的准直激光(12)进行变换以实现不同应用要求的环形光斑，同时为声光驱动电源(7)提供电能；所述空心电机的转子(9)固定在空心连接杆(2)上，并通过空心连接杆(2)带动桶形散热器(8)和声光偏转器(6)同步转动，空心电机的定子(10)固定在筒形套管(1)中；
还包括外电极连接器(4)、内电极连接器(5)和声光偏转器控制线(11)；所述内电极连接器(5)用于接空心电机输出端使声光驱动电源(7)正常工作；所述外电极连接器(4)用于接外部电源使空心电机正常工作；所述声光偏转器控制线(11)用于连接声光偏转器(6)和声光驱动电源(7)；
所述声光偏转器(6)利用布拉格衍射效应可将入射激光偏转指定角度，以产生0级输出激光(13)和1级衍射激光(14)，且0级输出激光(13)与1级衍射激光(14)的能量可以通过衍射效率的大小实时调控；
所述声光驱动电源(7)用于为声光偏转器(6)提供所需要的超声场频率和超声场功率，进而调节输出激光光束形态和激光功率。
2.根据权利要求1所述的基于声光偏转技术的动态可调环形光束的变换装置，其特征在于：所述声光偏转器(6)位于桶形散热器(8)中心，并保持声光晶体通光中心与桶形散热器(8)及筒形套管(1)同轴；所述桶形散热器(8)中轴与空心电机的中轴重合，以保证光路的畅通。
3.根据权利要求1或2所述的基于声光偏转技术的动态可调环形光束的变换装置，其特征在于：所述声光偏转器(6)产生的1级衍射激光(14)和0级输出激光(13)的最大允许夹角θ为
Figure FDA0003679642880000021
其中，d为出射孔直径，h为声光晶体到出射孔的距离；所述0级输出激光(13)光路与桶形散热器(8)中轴重合。
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