CN113381278A - 一种可自动调节焦距的激光器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自动调节焦距的激光器及控制方法，包括激光器、控制模块、焦距调节模块；所述激光器包括光学谐振腔、激励抽运系统、工作物质，所述光学谐振腔至少包括两片圆形活动镜片，所述工作物质位于相邻的两片所述活动镜片之间，所述激励抽运系统位于光学谐振腔左侧；每个所述活动镜片下方安装有一位移传感器；所述焦距调节模块包括与所述活动镜片数量相同的直线运动机构，每个所述活动镜片搭载在一个所述直线运动机构上；所述控制模块分别与所述位移传感器和所述直线运动机构电连接，用于控制活动镜片在直线机构上移动调节的激光焦距以及激光光斑的大小。本发明可广泛的应用于激光切割、激光扫描、激光测距等领域中。

Description

一种可自动调节焦距的激光器及控制方法

技术领域

本发明属于激光器领域，具体涉及一种可自动调节焦距的激光器及控制方法。

背景技术

21世纪以来，激光器由于具有高能量密度、穿透能力强从而被广泛的应用在距离测量、三维扫描、激光切割、激光热处理、激光打孔等各个方面。

而现有激光器系统的激光发生器和光学元件的位置是固定的，导致激光器的光斑位置和大小是不可调节的，同时光斑和焦距固定的激光器能量密度是固定不变的，因此，一般光斑和焦距固定的激光器只能应用与某些特定的场合和环境中，这大大限制了激光器的适用范围。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种可自动调节焦距的激光器及控制方法，以解决现有激光器光斑大小和焦距不可调节，能量密度固定不变，无法适用于多样化的环境要求的问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种可自动调节焦距的激光器，包括激光器、控制模块、焦距调节模块；

所述激光器包括光学谐振腔、激励抽运系统、工作物质，所述光学谐振腔至少包括两片圆形活动镜片，所述工作物质位于相邻的两片所述活动镜片之间，所述激励抽运系统位于光学谐振腔左侧；

每个所述活动镜片下方安装有一位移传感器；

所述焦距调节模块包括与所述活动镜片数量相同的直线运动机构，每个所述活动镜片搭载在一个所述直线运动机构上；

所述控制模块分别与所述位移传感器和所述直线运动机构电连接，用于控制活动镜片在直线机构上移动调节的激光焦距以及激光光斑的大小。

进一步地，所述活动镜片垂直于所述直线运动机构上。

进一步地，各个所述直线运动机构采用水平放置。

进一步地，所述激光工作物质为Tb³⁺：Gd³⁺:LiYF₄所组成三明治结构。

进一步地，所述激励抽运系统采用电泵浦的方式，由所述电流调节模块为所述激励抽运系统注入电流。

进一步地，至少一片圆形活动镜片的光学特性为全反射，至少一片圆形活动镜片的光学特性为半反射，两种圆形反射镜除光学特性不同外其他物理化学性质完全一致，其中，全反射光学特性的圆形活动镜片位于激光工作物质左侧，半反射光学特性的圆形活动镜片位于激光工作物质右侧。

进一步地，所述直线运动机构采用丝杆滑块机构、直线导轨、或直线电机。

进一步地，所述直线运动机构包括底座、丝杆、滑块、导杆、步进电机，所述丝杆和导杆平行安装在所述底座上，所述滑块分别套装在所述丝杆和导杆上，所述步进电机驱动所述丝杆转动，所述活动镜片固定在所述滑块上。

进一步地，所述控制模块包括镜片位置反馈信息处理模块、焦距参数处理模块、脉冲信号生成模块；

其中，所述焦距参数处理模块用于根据输入所需激光器的焦距和光斑大小，并通过镜片位置算法计算出光学谐振腔内的活动镜片的位置参数；其中通过镜片位置算法计算出光学谐振腔内的活动镜片的位置参数，包括：

根据输入的激光器焦距和激光光斑大小，求解激光器焦距f＝F(X1，X2)、激光光斑的半径R＝G(X1,X2)，从而获得活动镜片的位置参数(X1，X2)；其中F、G分别为活动镜片位置参数(X1,X2)与激光器焦距f，激光光斑的半径R之间对应关系；

所述镜片反馈信息处理模块用于通过所述位移传感器获取光学谐振腔中所述活动镜片所在的位置；

所述脉冲信号生成模块用于对所述焦距参数处理模块和所述镜片反馈信息处理模块的参数进行比较，生成分别对应各所述活动镜片的脉冲信号，驱动所述活动镜片对应的直线运动机构完成所述活动镜片的位置调整，从而实现自动调节焦距。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种可自动调节焦距的激光器的控制方法，包括：

通过所述位移传感器采集所述活动镜片所在的位置；

所述控制模块包括镜片位置反馈信息处理模块、焦距参数处理模块、脉冲信号生成模块；

其中，所述焦距参数处理模块用于根据输入所需激光器的焦距和光斑大小，并通过镜片位置算法计算出光学谐振腔内的活动镜片的位置参数；其中通过镜片位置算法计算出光学谐振腔内的活动镜片的位置参数，包括：

根据输入的激光器焦距和激光光斑大小，求解激光器焦距f＝F(X1，X2)、激光光斑的半径R＝G(X1,X2)，从而获得活动镜片的位置参数(X1，X2)；其中F、G分别为活动镜片位置参数(X1,X2)与激光器焦距f，激光光斑的半径R之间对应关系；

所述镜片反馈信息处理模块用于获取所述活动镜片所在的位置；

所述脉冲信号生成模块用于对所述焦距参数处理模块和所述镜片反馈信息处理模块的参数进行比较，生成分别对应各所述活动镜片的脉冲信号，驱动所述活动镜片对应的直线运动机构完成所述活动镜片的位置调整，从而实现自动调节焦距。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明提供一种可自动调节焦距的激光器，控制模块调节活动镜片位置实现激光器激光光斑大小和焦距的调节，从而使得激光器具有不同尺寸的激光光斑，能满足更多场合的使用，更高的提高激光器的使用效率。例如，在激光切割时使用的激光器光斑能量密度要求比较大，而激光测距时使用的光斑能量密度比较小，若使用一种焦距固定的激光器那么激光器使用效率就会大大降低。

本发明系统结构简单，操作方便，加工成本经济，调节精装准确，可自动完成焦距调节。

本发明提供的一种可自动调节焦距激光器实现了激光器焦距根据使用环境可调。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种可自动调节焦距的激光器的光学谐振腔结构示意图。

图中附有的标记为：光学谐振腔1，第一活动镜片2，第二活动镜片3，第三活动镜片4，位移传感器5，第一直线运动机构6，第二直线运动机构7，第三直线运动机构8。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

参考图1，本发明实施例提供一种可自动调节焦距的激光器，包括激光器、控制模块、焦距调节模块；所述激光器包括光学谐振腔1、激励抽运系统、工作物质，所述光学谐振腔1至少包括两片圆形活动镜片，所述工作物质位于相邻的两片所述活动镜片之间，所述激励抽运系统位于光学谐振腔左侧。每个所述活动镜片下方安装有一位移传感器5；所述焦距调节模块包括与所述活动镜片数量相同的直线运动机构，每个所述活动镜片搭载在一个所述直线运动机构上；所述控制模块分别与所述位移传感器5和所述直线运动机构连接。

通过以上实例所述的技术方案，实现了一种可自动调节焦距的激光器，控制模块调节活动镜片位置实现激光器激光光斑大小和焦距的调节，从而使得激光器有不同尺寸的激光光斑，可以满足更多场合的使用，更高的提高激光器的使用效率。例如，在激光切割时使用的激光器光斑能量密度要求比较大，而激光测距时使用的光斑能量密度比较小，若使用一种焦距固定的激光器，那么激光器使用效率就会大大降低。系统结构简单，操作方便，加工成本经济，调节精装准确，可自动完成焦距调节。

本实施例中，所述光学谐振腔1至少包括两片圆形活动镜片，其中至少一片圆形活动镜片的光学特性为全反射，至少一片圆形活动镜片的光学特性为半反射，两种圆形反射镜除光学特性不同外其他物理化学性质完全一致，其中，全反射光学特性的圆形活动镜片位于激光工作物质左侧，半反射光学特性的圆形活动镜片位于激光工作物质右侧。参考图1，所述焦距调节模块主要由第一直线运动机构6、第二直线运动机构7、第三直线运动机构8构成，所述光学谐振腔1包括第一活动镜片2、第二活动镜片3、第三活动镜片4，同时第一活动镜片2、第二活动镜片3、第三活动镜片4上分别装有位移传感器5。进一步地，所述活动镜片垂直于所述直线运动机构上，各个所述直线运动机构采用水平放置。本技术方案所实现的叫焦距调节模块通过使用三条并行的直线运动机构保证了本装置可在极端条件下使用，大大提高了装置的棒鲁性，且装置结构简单生产制造成本低。

本实施例中，所述直线运动机构采用丝杆滑块机构、直线导轨、或直线电机。

具体地，所述直线运动机构包括底座、丝杆、滑块、导杆、步进电机，所述丝杆和导杆平行安装在所述底座上，所述滑块分别套装在所述丝杆和导杆上，所述步进电机驱动所述丝杆转动，所述活动镜片固定在所述滑块上。所述直线运动结构各个部分采用机械方法紧密相连，提高了直线运动机构的稳定性，并且采用步进电机驱动丝杆转动保证了所述活动镜片的调整精度。

上述步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。

上述位移传感器5通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性关系的或电压反馈给控制模块。

本实施例中，所述激光工作物质为Tb³⁺：Gd³⁺:LiYF₄所组成三明治结构，其可获得大大降低激励抽运系统的阈值，获得最大的光增益，大大降低本激光器的能量损耗。

在本实例中，所述的控制模块包括镜片位置反馈信息处理模块、焦距参数处理模块、脉冲信号生成模块。所述焦距参数处理模块用于通过按键由用户输入所需激光器的焦距和光斑大小，并通过镜片位置算法计算出光学谐振腔1内的三个镜片的位置参数。所述镜片反馈信息处理模块用于获取光学谐振腔1中的三个活动镜片所在的位置。所述脉冲信号生成模块用于对焦距参数处理模块和镜片反馈信息处理模块的参数相比较，生成分别对应第一活动镜片2、第二活动镜片3、第三活动镜片4的脉冲信号，驱动所对应的步进电机完成活动镜片的位置调整。

本实施例还提供一种可自动调节焦距的激光器的控制方法，包括：

(1)通过所述位移传感器5采集所述活动镜片所在的位置；

(2)所述控制模块包括镜片位置反馈信息处理模块、焦距参数处理模块、脉冲信号生成模块；

其中，所述焦距参数处理模块用于根据输入所需激光器的焦距和光斑大小，并通过镜片位置算法计算出光学谐振腔1内的活动镜片的位置参数；

所述镜片位置算法实现机理如下：

不同的活动镜片的位置对应不同的激光器焦距和不同的激光光斑大小。其中，活动镜片的位置参数(X1，X2)与激光器焦距f、激光光斑的半径R唯一对应。其中，激光器焦距f＝F(X1，X2)、激光光斑的半径R＝G(X1,X2)，F、G分别为活动镜片位置参数(X1,X2)与激光器焦距f，激光光斑的半径R之间对应关系。

即激光焦距f、激光光斑的半径R分别与活动镜片位置参数X一一对应，所述镜片位置算法根据用户输入的激光器焦距和激光光斑大小求解f＝F(X1，X2)、R＝G(X1,X2)获得活动镜片的位置参数(X1，X2)；

所述镜片反馈信息处理模块用于获取所述活动镜片所在的位置；

所述脉冲信号生成模块用于对所述焦距参数处理模块和所述镜片反馈信息处理模块的参数进行比较，生成分别对应各所述活动镜片的脉冲信号，驱动所述活动镜片对应的直线运动机构完成所述活动镜片的位置调整，从而实现自动调节焦距。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可自动调节焦距的激光器，其特征在于，包括激光器、控制模块、焦距调节模块；

所述激光器包括光学谐振腔、激励抽运系统、工作物质，所述光学谐振腔至少包括两片圆形活动镜片，所述工作物质位于相邻的两片所述活动镜片之间，所述激励抽运系统位于光学谐振腔左侧；

每个所述活动镜片下方安装有一位移传感器；

所述焦距调节模块包括与所述活动镜片数量相同的直线运动机构，每个所述活动镜片搭载在一个所述直线运动机构上；

所述控制模块分别与所述位移传感器和所述直线运动机构电连接，用于控制活动镜片在直线机构上移动调节的激光焦距以及激光光斑的大小。

2.根据权利要求1所述的一种可自动调节焦距的激光器，其特征在于，所述活动镜片垂直于所述直线运动机构上。

3.根据权利要求1所述的一种可自动调节焦距的激光器，其特征在于，各个所述直线运动机构采用水平放置。

4.根据权利要求1所述的一种可自动调节焦距的激光器，其特征在于，所述激光工作物质为Tb³⁺：Gd³⁺:LiYF₄所组成三明治结构。

5.根据权利要求1所述的一种可自动调节焦距的激光器，其特征在于，所述激励抽运系统采用电泵浦的方式，由所述电流调节模块为所述激励抽运系统注入电流。

6.根据权利要求1所述的一种可自动调节焦距的激光器，其特征在于，至少一片圆形活动镜片的光学特性为全反射，至少一片圆形活动镜片的光学特性为半反射，两种圆形反射镜除光学特性不同外其他物理化学性质完全一致，其中，全反射光学特性的圆形活动镜片位于激光工作物质左侧，半反射光学特性的圆形活动镜片位于激光工作物质右侧。

7.根据权利要求1所述的一种可自动调节焦距的激光器，其特征在于，所述直线运动机构采用丝杆滑块机构、直线导轨、或直线电机。

8.根据权利要求1所述的一种可自动调节焦距的激光器，其特征在于，所述直线运动机构包括底座、丝杆、滑块、导杆、步进电机，所述丝杆和导杆平行安装在所述底座上，所述滑块分别套装在所述丝杆和导杆上，所述步进电机驱动所述丝杆转动，所述活动镜片固定在所述滑块上。

9.根据权利要求1所述的一种可自动调节焦距的激光器，其特征在于，所述控制模块包括镜片位置反馈信息处理模块、焦距参数处理模块、脉冲信号生成模块；

其中，所述焦距参数处理模块用于根据输入所需激光器的焦距和光斑大小，并通过镜片位置算法计算出光学谐振腔内的活动镜片的位置参数；其中通过镜片位置算法计算出光学谐振腔内的活动镜片的位置参数，包括：

根据输入的激光器焦距和激光光斑大小，求解激光器焦距f＝F(X1，X2)、激光光斑的半径R＝G(X1,X2)，从而获得活动镜片的位置参数(X1，X2)；其中F、G分别为活动镜片位置参数(X1,X2)与激光器焦距f，激光光斑的半径R之间对应关系；

所述镜片反馈信息处理模块用于通过所述位移传感器获取光学谐振腔中所述活动镜片所在的位置；

所述脉冲信号生成模块用于对所述焦距参数处理模块和所述镜片反馈信息处理模块的参数进行比较，生成分别对应各所述活动镜片的脉冲信号，驱动所述活动镜片对应的直线运动机构完成所述活动镜片的位置调整，从而实现自动调节焦距。

10.一种可自动调节焦距的激光器的控制方法，其特征在于，包括：

通过所述位移传感器采集所述活动镜片所在的位置；

所述控制模块包括镜片位置反馈信息处理模块、焦距参数处理模块、脉冲信号生成模块；

其中，所述焦距参数处理模块用于根据输入所需激光器的焦距和光斑大小，并通过镜片位置算法计算出光学谐振腔内的活动镜片的位置参数；其中通过镜片位置算法计算出光学谐振腔内的活动镜片的位置参数，包括：

根据输入的激光器焦距和激光光斑大小，求解激光器焦距f＝F(X1，X2)、激光光斑的半径R＝G(X1,X2)，从而获得活动镜片的位置参数(X1，X2)；其中F、G分别为活动镜片位置参数(X1,X2)与激光器焦距f，激光光斑的半径R之间对应关系；

所述镜片反馈信息处理模块用于获取所述活动镜片所在的位置；

所述脉冲信号生成模块用于对所述焦距参数处理模块和所述镜片反馈信息处理模块的参数进行比较，生成分别对应各所述活动镜片的脉冲信号，驱动所述活动镜片对应的直线运动机构完成所述活动镜片的位置调整，从而实现自动调节焦距。

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