CN111871967A - 一种激光清洗设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光清洗设备，包括：大功率准连续固体激光器，用于产生高功率激光。该清洗设备采用大功率准连续固体激光器，该激光器不受非线性效应制约，没有峰值功率的瓶颈，可以获得更高脉冲能量的输出。此外，大功率准连续固体激光器对返回散射光不敏感，当应用于金属等反射光比较强的材料表面时，具有更高的可靠性和稳定性。

Description

一种激光清洗设备

技术领域

本发明涉及激光清洗领域，尤其涉及一种激光清洗设备。

背景技术

激光清洗作为一种环保、高效、高精度、高质量的清洗技术，在船舶制造和修复、航空航天、精密机械、半导体电子等领域应用前景广阔。区别于传统的化学药剂和机械清洗方法，激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应和适用于各种材质的物体等清洗特点。

现有的激光清洗设备，其激光光源通常用光纤激光器和百瓦级的固体调Q激光器，受制于激光器输出功率的限制和振镜转动角度和作用机理限制，除锈效率低，清洗质量差，所以已经不能满足市场需求。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种激光清洗设备以解决现有清洗设备除锈效率低，清洗质量差的问题。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种激光清洗设备，包括：

大功率准连续固体激光器，用于产生高功率激光。

进一步地，所述大功率准连续固体激光器包括：主振荡器和功率放大器；所述主振荡器为侧面或者端面连续泵浦、声光调Q固体激光器方式，输出准连续脉冲激光；所述功率放大器为高功率LD阵列连续泵浦的全固态放大器。

进一步地，还包括：指示光发生装置，用于发出与所述扫描振镜入射激光同轴的可见指示光，所述可见指示光用于对待清洗面进行预扫描观测和定位。

进一步地，还包括：光束变换装置，其设置在激光输出光路上，所述光束变换装置用于将激光光斑整形成条状光斑。

进一步地，还包括：正棱柱多面体扫描转镜，其设置在激光输出光路上且所述正棱柱多面体扫描转镜的轴线垂直于所述激光输出光路，所述正棱柱多面体扫描转镜用于调整激光出射角度。

进一步地，所述正棱柱多面体扫描转镜包括高速电机和正棱柱多面体；所述高速电机用于带动所述正棱柱多面体沿其轴线旋转；所述正棱柱多面体的每一个侧面均镀有对激光高反射膜。

进一步地，还包括：长焦距场镜，用于对经所述正棱柱多面体扫描转镜反射的激光进行聚焦，并减小光斑畸变。

进一步地，还包括：可移动承载平台，其用于调节激光清洗作业面的位置。

进一步地，还包括：控制系统，其与可移动承载平台连接，所述控制系统用于控制所述可移动承载平台的移动。

进一步地，还包括：监控系统，其与控制系统连接，所述监控系统用于实时监测清洗状况并反馈给所述控制系统。

进一步地，所述大功率准连续固体激光器的主振荡器谐振腔内设置有光闸，所述控制系统与所述光闸连接，用于控制激光器整体的出/关光控制。

进一步地，所述大功率准连续固体激光器的主振荡器设置有声光Q开关，所述控制系统与所述声光Q开关连接，用于控制激光器的快速出/关光控制。

进一步地，还包括：保护气体吹淋喷嘴装置，用于吹淋保护气以保护清洗作业面，防止氧化；粉尘吸附回收装置，用于吸附粉尘防止粉尘飘散，保护作业环境。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明提供的清洗装置采用高功率激光系统，能应对更多的清洗需求，除锈效果好且除锈效率高。

附图说明

图1是根据本发明一具体实施方式的激光清洗设备的主视图；

图2是根据本发明一具体实施方式激光清洗设备的俯视图；

图3是根据本发明一具体实施方式的光学模组结构示意图。

附图标记：

1：大功率准连续固体激光器；2：扩束准直系统；3：反射镜；4：光学模组；5：聚焦场镜；6：监控系统；7：可移动承载平台；41：反射镜；42：光束变换系统；43：扫描转镜；44：机械固定板；45：步进电机；46：高速电机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

显然，所描述的实施例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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明的第一方面提供了一种激光清洗设备，包括：大功率准连续固体激光器，用于产生高功率激光。

上述实施例大功率准连续固体激光器不受非线性效应制约，没有峰值功率的瓶颈，可以获得更高脉冲能量的输出。此外，大功率准连续固体激光器对返回散射光不敏感，当应用于金属等反射光比较强的材料表面时，具有更高的可靠性和稳定性。

可选的，大功率准连续固体激光器包括：主振荡器和功率放大器；主振荡器为侧面或者端面连续泵浦、声光调Q固体激光器方式，输出准连续脉冲激光；功率放大器为高功率LD阵列连续泵浦的全固态放大器。

可选的，还包括：指示光发生装置，用于发出与扫描振镜入射激光同轴的可见指示光，可见指示光用于对待清洗面进行预扫描观测和定位。

可选的，还包括：光束变换装置，其设置在激光输出光路上，光束变换装置用于将激光光斑整形成条状光斑。可根据不同的待除锈层厚度，通过光束整形系统来变换光斑大小，来达到满足除锈效果的功率密度，同时优化光斑形状，使单线扫描宽度达到最大，提高除锈效率。

可选的，还包括：正棱柱多面体扫描转镜，其设置在激光输出光路上且正棱柱多面体扫描转镜的轴线垂直于激光输出光路，正棱柱多面体扫描转镜用于调整激光出射角度。现有的激光清洗设备，其激光扫描器件主要是采用振镜。振镜扫描速度不快，扫描角度小，入射光斑也受制于镜片尺寸的限制，且不能匀速扫描，在扫描线开始和结束端存在过烧问题，传统的振镜扫描式清洗技术在清洗效率、清洗幅面、清洗质量上面临技术瓶颈，难以满足生产制造的高效率高质量大幅面的要求。本申请实施例中的激光清洗设备采用多面镜扫描系统，扫描角大，扫描速度高，除锈作业面更大，效率更高。

可选的，正棱柱多面体扫描转镜包括高速电机和正棱柱多面体；高速电机用于带动正棱柱多面体沿其轴线旋转；正棱柱多面体的每一个侧面均镀有对激光高反射膜。

可选的，还包括：长焦距场镜，用于对经正棱柱多面体扫描转镜反射的激光进行聚焦，并减小光斑畸变。

可选的，还包括：可移动承载平台，其用于调节激光清洗作业面的位置。本申请示例性的实施例中，可移动承载平台为可操控设备车上，通过电脑程序控制和实时操控，以实现对车、船等大幅作业面的扫描清洗作业，大幅降低人工成本。

可选的，还包括：控制系统，其与可移动承载平台连接，控制系统用于控制可移动承载平台的移动。

可选的，还包括：监控系统，其与控制系统连接，监控系统用于实时监测清洗状况并反馈给控制系统。

可选的，大功率准连续固体激光器的主振荡器谐振腔内设置有光闸，控制系统与光闸连接，用于控制激光器整体的出/关光控制。

可选的，大功率准连续固体激光器的主振荡器设置有声光Q开关，控制系统与声光Q开关连接，用于控制激光器的快速出/关光控制。

可选的，还包括：保护气体吹淋喷嘴装置，用于吹淋保护气以保护清洗作业面，防止氧化；粉尘吸附回收装置，用于吸附粉尘防止粉尘飘散，保护作业环境。

在本发明一可选实施例中，提供一种激光清洗设备，包括激光系统、扩束准直系统、传导光路、光束变换系统、扫描转镜、聚焦场镜、监测和控制系统和承载移动系统；激光系统采用大功率准连续固体激光器作为光源，提供更高的峰值功率来提升清洗效率。该激光器采用声光调Q主振荡器+高功率LD阵列连续泵浦全固态放大器的方式，获得5kW级高功率准连续脉冲激光输出。激光系统有同轴的与输出激光光斑近似的可见指示光输出。可以用来预标定除锈作业面。激光器主振荡器谐振腔内，内置光闸开关，通过控制系统控制光闸开关，可以实行激光关断，以实现作业面的切换，并保证作业安全。扩束准直系统，包含两组柱透镜，分别实现2维的扩束准直，便于高能激光进行传输和聚焦。传导光路包括2个45°反射镜，将准直后的激光传输进入光束变换和扫描系统。整体内部光路为空间光路，光路中各个光学系统间有导光管道进行密封连接，以保护光学元件不被灰尘附着而导致损坏。光束变换系统，可根据清洗对象所需的功率密度、扫描转镜的速度、场镜焦距等参数，来变换入射到扫描转镜上的光斑形状和大小，进而在聚焦光斑功率密度满足清洗要求情况下，寻求最佳光斑大小，使清洗效率最优化。扫描转镜，为一个由高速电机带动旋转的正棱柱多面体，侧面镀有对激光高反射膜；正棱柱多面体转镜有N(≥6)个平面反射面，其每边对转轴的张角为2π/N，因而对入射激光束的最大偏转角为ψ＝4π/N(N≥6)，与单平面振镜相比，在相同的转速下，多平面转镜的扫描频率是单平面镜的N倍。可以实现高速的一维横向扫描。高速扫描转镜与第二面45°反射镜、光束变换系统共同固定在一个精密电控平移台上，可以进行精密平稳的升降移动，实现激光在作业面竖直方向的运动。与其上的扫描转镜共同实现在清洗作业面的高速大幅面二维扫描。本发明还可以通过控制系统对给声光Q开关的TTL信号来实现整个激光器的快速开关光控制，进而实行有选择性的清除，甚至是对预设轨迹、图案进行智能性的清除。聚焦场镜，为长焦距场镜，对扫描转镜反射的激光进行聚焦，并减小光斑畸变。该场镜固定在一个可水平小幅移动的电控位移平台上，可以进行精准的调整场镜到工作面的距离。承载移动系统，承载整个激光系统及后续光路，清洗过程中，通过出光口附近的CCD实时监测清洗状况，反馈给控制系统，并控制承载系统移动、调校，以实现最佳的清洗效果。一个单位二维幅面清洗完成后，通过其整体的移动和升降来实现激光作业面的切换。除锈设备可选择性配有保护气体吹淋喷嘴装置及粉尘吸附回收装置，以保护加工面，防止氧化，同时防止粉尘飘散，保护作业环境。

在本发明一具体实施例中，提供一种大幅面高效激光清洗设备，包括激光系统、扩束准直系统、传导光路、光束变换系统、扫描转镜、聚焦场镜、监测和控制系统和承载移动系统；作为承载和移动系统的安装平台7，上面安装有大功率准连续激光器m1作为激光光源，输出激光经过扩束准直系统2，传导光路包含2个45°全反射镜3和反射镜41、光束变换系统42后入射到高速转动的扫描转镜43上，经扫描转镜43反射面反射后经聚焦场镜5聚焦入射到待清洗作业表面。

激光系统为5kW级大功率脉冲固体激光器，重复频率为10-100kHz，脉冲能量50-500mJ。激光器包含主振荡器和功率放大器。主振荡器采用侧面或者端面连续泵浦、声光调Q固体激光器方式，输出准连续脉冲激光；功率放大器采用高功率LD阵列连续泵浦的全固态放大器。

5kW级大功率脉冲固体激光器，其通过控制系统输出高低电平信号来控制内置于主振荡器谐振腔内的光闸，来控制激光器整体的出关光控制，来进行大幅作业面的切换。

5kW级大功率脉冲固体激光器，其通过控制系统输出的TTL信号来控制主振荡器的声光Q开关的工作，进而来控制激光器的快速出/关光控制，可以实现快速有选择的对复杂作业面的清洗，或者是预设轨迹的清晰。

5kW级大功率脉冲固体激光器，配备共轴输出的可见指示光，可以对待清洗面进行预扫描观测和定位。

激光清洗设备内部光路为空间光路，光路中各个光学系统间有导光管道进行密封连接。

光束变换系统42，可以根据清洗所需激光功率密度，将激光光斑整形成条状光斑，进而通过扫描转镜和场镜后，可以扫描出较宽的条状光斑，以增加Y轴方向的清洗速度。

扫描转镜为上下一致的桶形多面体，沿圆周等分布有多个扫描反射面N≥6，扫描反射面的数量和尺寸决定对应的扫描宽度。多面体转镜表面镀有对激光波长的高反射膜，通过高速电机控制其旋转速度，扫描线速度达200-300m/s。

第二面45度反射镜41、光束变换系统42和扫描转镜43整体固定在一个一维高精度电控平移台上。可通过控制系统控制整体4在Y轴方面一维运动，进而控制出射光束在Y轴方向步进移动，与扫描转镜一起，实现激光束在待清洗物体表面的大幅面二维扫描。

聚焦场镜5的焦距根据需要选定，一般在150-300mm之间。

激光系统和光路系统整体安装在可移动承载平台7上，承载平台可以设计为可操控的设备车，实现大距离的移动，升降等功能，完成大幅面的清洗作业工作。

具备监控系统6，本实施例的监控系统6为CCD，通过CCD6对除锈效果的观测反馈给控制系统，来精确控制安装平台与待清洗表面的距离，实现清洗效果的优化，以及作业面上一个扫描清洗单元完成后，指挥安装平台7的移动和升降，实现清洗作业面的连续切换。

如图1所示，该设备包括如下组成部分：5kW大功率准连续激光器1，扩束准直系统2，第一面45°反射镜3，第二面45°反射镜41，光束变换系统42，扫描转镜43，聚焦场镜5，以及作为承载整个光学系统和移动的安装台7。大功率激光器输出激光经扩束准直，经两个45°镜导入到光束变换系统，变换后的光斑入射到高速旋转的扫描转镜反射面上，反射进聚焦场镜将激光聚焦到清洗靶面。

激光系统采用声光调Q主振荡器+高功率LD阵列连续泵浦的全固态放大器的方式，获得5kW级高功率准连续脉冲激光输出。其中，主振荡器谐振腔光路上安装有光闸，可以通过控制光闸开关来控制主振荡器出、关光，进而控制整个激光系统的出、关光，便于清洗作业面的切换。此外，控制系统可以通过输送给声光Q开关的TTL信号，来控制激光器快速出、关光，同时并行控制扫描光斑的移动，来实现有选择的清洗作业。

此外，激光器内置有与主振荡器同轴输出的可见光指示光，该指示光经过与主振荡光光路相同的光学变换，可代替大功率激光进行预扫描作业。

扫描场镜为正六面体棱镜结构，侧面平行于旋转轴，镀有对激光波长高反射率膜；六面棱镜体中心连接高速电机46的旋转轴，经高速电机46带动，可将激光光斑在清洗靶面上沿X轴做高速的横向一维扫描。

如图1和图3所示，第二面45°反射镜41，光束变换系统42，扫描转镜43共同固定在一个可一维上下移动的精密电控平一台上，构成一维运动光学模组4，精密电控平移台的机械固定板44通过对步进电机45的控制，带动丝杠转动使可移动承载平台7沿丝杠轴向做一维线性移动，可实现该段光束整体的纵向移动，进而形成在清洗靶面沿Y轴的纵向移动扫描，与扫描转镜的横向扫描共同形成二维大幅面、高速的激光扫描。整体设备固定不动时，扫描转镜的扫描宽度和精密电控平移台移动距离经聚焦场镜在清洗靶面的成像，分别决定了单次扫描幅面的横向宽度和纵向宽度，及单次扫描幅面的大小。

激光清洗设备，由于具有非常高的功率，可以在满足清晰效果的前提下，采用尽可能大的聚焦光斑来扫描。特别的，可以通过光束变换系统42和聚焦场镜5来整形成竖条状光斑，增大横向一维扫描的线宽，大幅提升清洗速度。

清洗设备，激光器和光路系统整体安装于一个承载平台7上，承载平台可以为一个设备车，控制系统可以通过程序及实时控制实现移动和升降，来进行大面积的清洗作业。

清洗设备出光口附近安装有监控系统6，本实施例的监控系统为CCD，可先进行预扫描，通过CCD6的传输的实时图像反馈，来控制移动设备车，对准将要清洗的区域。

当激光器上电准备好后，可以控制光闸出光进行单次扫描，通过CCD的图像反馈，控制承载聚焦场镜的平台细微移动，来实现精准聚焦清洗。整体设备位置确定后，即可进行二维扫描进行单元作业面的清洗，当一个单元作业面清洗完成后，控制系统控制设备车移动到下一个单元作业面，继续进行清洗操作。

本发明旨在保护一种激光清洗设备，包括：大功率准连续固体激光器，用于产生高功率激光。该清洗设备采用大功率准连续固体激光器，该激光器不受非线性效应制约，没有峰值功率的瓶颈，可以获得更高脉冲能量的输出。此外，大功率准连续固体激光器对返回散射光不敏感，当应用于金属等反射光比较强的材料表面时，具有更高的可靠性和稳定性。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (13)

1.一种激光清洗设备，其特征在于，包括：

大功率准连续固体激光器，用于产生高功率激光。

2.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，所述大功率准连续固体激光器包括：主振荡器和功率放大器；

所述主振荡器为侧面或者端面连续泵浦、声光调Q固体激光器方式，输出准连续脉冲激光；

所述功率放大器为高功率LD阵列连续泵浦的全固态放大器。

3.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，还包括：

指示光发生装置，用于发出与所述扫描振镜入射激光同轴的可见指示光，所述可见指示光用于对待清洗面进行预扫描观测和定位。

4.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，还包括：

光束变换装置，其设置在激光输出光路上，所述光束变换装置用于将激光光斑整形成条状光斑。

5.根据权利要求4所述的激光清洗设备，其特征在于，还包括：

正棱柱多面体扫描转镜，其设置在激光输出光路上且所述正棱柱多面体扫描转镜的轴线垂直于所述激光输出光路，所述正棱柱多面体扫描转镜用于调整激光出射角度；

所述正棱柱多面体扫描转镜的轴线与所述条状光斑的长边平行，且所述正棱柱多面体扫描转镜的轴向长度大于所述条状光斑的长边的长度。

6.根据权利要求5所述的激光清洗设备，其特征在于，所述正棱柱多面体扫描转镜包括高速电机和正棱柱多面体；

所述高速电机用于带动所述正棱柱多面体沿其轴线旋转；

所述正棱柱多面体的每一个侧面均镀有对激光高反射膜。

7.根据权利要求5所述的激光清洗设备，其特征在于，还包括：

长焦距场镜，用于对经所述正棱柱多面体扫描转镜反射的激光进行聚焦，并减小光斑畸变。

8.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，还包括：

可移动承载平台，其用于调节激光清洗作业面的位置。

9.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，还包括：

控制系统，其与可移动承载平台连接，所述控制系统用于控制所述可移动承载平台的移动。

10.根据权利要求9所述的激光清洗设备，其特征在于，还包括：

监控系统，其与控制系统连接，所述监控系统用于实时监测清洗状况并反馈给所述控制系统。

11.根据权利要求9所述的激光清洗设备，其特征在于，所述大功率准连续固体激光器的主振荡器谐振腔内设置有光闸，所述控制系统与所述光闸连接，用于控制激光器整体的出/关光控制。

12.根据权利要求9所述的激光清洗设备，其特征在于，所述大功率准连续固体激光器的主振荡器设置有声光Q开关，所述控制系统与所述声光Q开关连接，用于控制激光器的快速出/关光控制。

13.根据权利要求1所述的激光清洗设备，其特征在于，还包括：

保护气体吹淋喷嘴装置，用于吹淋保护气以保护清洗作业面，防止氧化；

粉尘吸附回收装置，用于吸附粉尘防止粉尘飘散，保护作业环境。

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