CN204464750U - 一种表面处理激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种表面处理激光器，包括激光头单元、控制系统和冷却系统，所述激光头单元和所述控制系统相连；其中所述激光头单元包括谐振腔，所述谐振腔包括半导体侧泵模块、声光调Q开关、光闸、全反镜和输出镜，所述半导体侧泵模块、所述声光调Q开关、所述全反镜和所述输出镜的位置相对固定；所述控制系统和所述光闸电连接；所述激光头单元和所述控制系统的位置相对固定。本实用新型的激光器，可以有效关断高功率的激光光束，同时激光能量被压缩到宽度极窄的脉冲中发射，激光峰值功率得到提高，在进行表面处理时不会损伤材料本体；同时应用光闸保证在电源关闭的同时，完全切断激光，不会给使用人员带来伤害。

Description

一种表面处理激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器，具体涉及一种表面处理激光器。

背景技术

激光技术已经成为21世纪先进的加工及制造技术，并已在全球形成了一个新兴的高技术产业。目前，激光器的研制水平已日趋成熟，并广泛应用于激光焊接、激光打孔、激光切割等方面。但是，现有技术中的激光焊接、激光打孔、激光切割等技术的原理都是在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料融化或气化来完成焊接、打孔、切割等目的的，这类激光器存在平均功率高，峰值功率低等特点，不适于应用在激光表面处理等方面。

目前国内进行清洗、毛化等表面处理的方法多为物理法和化学法，这两种方法不但容易损伤材料本体，降低使用寿命，而且容易污染环境和损害操作人员的健康。与传统的物理法和化学法不同,激光进行表面处理无需使用任何破坏臭氧层的有机溶剂，且无污染、无噪声，对人体和环境无害，是一种绿色表面处理技术。在进行表面处理时，若控制激光器，使其平均功率低，峰值功率高，则吸收的能量极小，不会对材料本体造成损伤。综上，激光表面处理逐步取代传统的物理化学表面处理法将成为未来加工制造业发展的趋势。虽然激光表面处理技术在国外推广应用至今已数年了，但我国对于该技术的研究和应用才刚刚起步，国内相关行业迫切需要一种新型的用于表面处理的激光器来进行绿色的表面处理。

为了解决上述问题，中国专利申请201210405224.1公开了一种便携式激光清洗头，它包括在主光路上依次设置的全反射镜、声光调Q开关、半导体泵浦模块、输出镜和扩束镜，扩束镜的输出光方向设有扫描振镜，扫描振镜的反射光路上设有聚焦透镜。全反射镜、声光调Q开关、半导体泵浦模块和输出镜组成的声光调Q固体激光器输出的激光通过扩束镜扩束整形入射到扫描振镜，经过扫描振镜的激光，通过聚焦透镜聚焦到污染物上，进行激光清洗。

实用新型内容

本实用新型需要解决的现有技术的问题是：现有技术的激光器平均功率高、峰值功率低，应用于物体表面处理时容易损伤材料本体，降低使用寿命。

中国专利申请201210405224.1虽然通过声光调Q的方式提高了激光输出功率，将激光器主体放置在激光清洗头中，无需通过光纤传输，解决了现有便携式激光清洗器功率低，单脉冲能量低，传输过程中会产生耦合损耗，以及传输光纤易损伤的问题，但是该激光清洗头缺少一个安全保护装置，当声光调Q开关关断的激光功率过大或过小时，可能会有漏光，会对使用人员造成潜在的伤害。

具体来说，本实用新型提出了如下技术方案。

本实用新型提供了一种表面处理激光器，包括激光头单元1、控制系统2和冷却系统3，所述激光头单元1和所述控制系统2相连；其中所述激光头单元1包括谐振腔4，所述谐振腔4包括半导体侧泵模块7、声光调Q开关8、光闸9、全反镜10和输出镜11，所述半导体侧泵模块7、所述声光调Q开关8、所述全反镜10和所述输出镜11的位置相对固定；所述控制系统2和所述光闸9电连接；所述激光头单元1和所述控制系统2的位置相对固定。

优选的是，所述光闸9位于所述半导体侧泵模块7和所述声光调Q开关8之间，或位于所述声光调Q开关8和所述全反镜10之间，或位于所述半导体侧泵模块7和所述输出镜11之间。

优选的是，所述声光调Q开关8位于所述半导体侧泵模块7和所述全反镜10之间。

优选的是，所述控制系统2包括半导体侧泵模块电源12、声光调Q开关驱动电源13和光闸控制电源14。

优选的是，所述半导体侧泵模块电源12与所述半导体侧泵模块7电连接；所述声光调Q开关驱动电源13和所述声光调Q开关8电连接；所述光闸控制电源14和所述光闸9电连接。

优选的是，所述激光头单元1包括扩束镜5；所述谐振腔4和所述扩束镜5的位置相对固定。

优选的是，所述输出镜11位于所述半导体侧泵模块7和所述扩束镜5之间，所述半导体侧泵模块7、所述声光调Q开关8、所述全反镜10和所述输出镜11均与所述扩束镜5的位置相对固定。

优选的是，所述全反镜10、所述声光调Q开关8、所述光闸9、所述半导体侧泵模块7、所述输出镜11和所述扩束镜5的光轴位于同一直线上。

优选的是，所述冷却系统3包括水冷机15和冷却管路6，所述冷却管路6包括进水管和回水管；所述激光头单元1和所述冷却系统3的位置相对固定。

优选的是，所述水冷机15设置在所述激光头单元1的外部，所述冷却管路6设置在所述激光头单元1的内部。

优选的是，所述全反镜可以为平面镜、凹面镜、凸面镜。

优选的是，所述输出镜可以为平面镜、凹面镜、凸面镜。

本实用新型中激光头单元作为激光发生装置，通过半导体侧泵模块、全反镜、输出镜建立和维持激光震荡，其中半导体侧泵模块可以通过调节电源输入电流实现对激光的输出功率在一定范围内连续可调。

声光调Q开关为通过超声波和光柱在介质中散射的相互作用使腔的Q值随时间按一定程序变化的装置，可以有效的关断高功率的激光光束，同时可以通过外部控制信号实现对激光的输出频率在一定范围内连续可调。

光闸用电磁旋铁作为驱动，通过光闸，可以阻止谐振腔内激光震荡，切断激光输出。扩束镜为能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件，可以实现对激光的输出光斑和光束发散角度在一定范围内连续可调。控制系统分别通过控制半导体侧泵模块电源、声光调Q开关驱动电源以及光闸控制电源来改变输入电流或控制信号，从而实现激光功率、频率的调节以及激光的通断。冷却系统包括设置在激光头单元外部的水冷机以及设置在激光头单元内部冷却半导体侧泵模块，声光调Q开关，全反镜以及输出镜的进水管和回水管组成的冷却管路。通过冷却系统控制激光头温度，保证激光稳定输出。

利用本实用新型的表面处理激光器，对物体表面进行除漆除锈处理。采用高能激光束照射工件表面，由于清洁基片(也称为母体)与表面附着物(污物)对某一波长激光能量的吸收因数差别很大，辐射到工件表面的激光能量大部分被表面附着物吸收，附着物受热汽化蒸发或瞬间膨胀，并被表面形成的蒸汽流带动，脱离物体表面。激光清洗时，由于材料本体只吸收特定波长的激光，吸收的能量极小，不会对材料本体造成损伤，从而达到去除物体表面物质同时并不破坏材料本体的目的，具体可用于钢板的除漆，除锈及清洗模具上的残留物等。由于激光脉冲的峰值功率与脉冲能量成正比，与脉冲宽度成反比，通过缩短脉冲的宽度，可以获得更高的峰值功率。

本实用新型的有益效果是：通过用声光调Q技术将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而提高激光的峰值功率，在进行表面处理时不会损伤材料本体。利用激光进行表面处理，无需使用任何破坏臭氧层的有机溶剂，无污染、无噪声，对人体和环境无害，是一种绿色表面处理技术。同时应用光闸可以保证在电源关闭时，完全切断激光，不会给使用人员带来伤害。

下面结合附图和各个具体实施方式，对本实用新型及其有益技术效果进行详细说明，其中：

附图说明

图1是实施例1的结构示意图。

图中附图标记说明如下：1-激光头单元、2-控制系统、3-冷却系统、4-谐振腔、5-扩束镜、6-冷却管路、7-半导体侧泵模块、8-声光调Q开关、9-光闸、10-全反镜、11-输出镜、12-半导体侧泵模块电源、13-声光调Q开关驱动电源、14-光闸控制电源、15-水冷机。

具体实施方式

如上所述，本实用新型的目的在于：提供一种用于表面处理的激光器，利用声光调Q技术将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而提高激光的峰值功率，不会对材料本体造成损伤，而且不同于目前的物理和化学方法处理，无污染、无噪声，对人体和环境无害；同时增加一种安全装置，保证在电源关闭时，完全切断激光，不会给使用人员带来伤害。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例1

图1为本发明实施例1的结构示意图，该表面处理激光器包括激光头单元1、控制系统2、冷却系统3。所述激光头单元1包括谐振腔4和扩束镜5，所述谐振腔4包括半导体侧泵模块7、声光调Q开关8、光闸9、全反镜10和输出镜11；所述控制系统2包括半导体侧泵模块电源12、声光调Q开关驱动电源13和光闸控制电源14；所述冷却系统3包括水冷机15和冷却管路6。

其中，全反镜10、声光调Q开关8、半导体侧泵模块7、输出镜11依次固定在谐振腔4内，光闸9位于声光调Q开关8和全反镜10之间，且全反镜10、光闸9、声光调Q开关8、半导体侧泵模块7、输出镜11与扩束镜5的光轴位于同一条直线上。谐振腔4内半导体侧泵模块7、声光调Q开关8、全反镜10和输出镜11均与谐振腔外扩束镜5的位置相对固定。半导体侧泵模块7、声光调Q开关8和光闸9分别由半导体侧泵模块电源12、声光调Q开关驱动电源13和光闸控制电源14进行控制，通过输入电流的改变或控制信号来实现激光功率、频率的调节以及激光的通断。光束经谐振腔内输出镜11输出激光，并经过扩束镜5进行激光光斑直径、发散角的调整。

声光调Q开关驱动电源13作为驱动声光调Q开关8工作的专用电源。它根据外部控制信号将相应的射频信号施加到声光调Q开关8上完成激光有无控制和进行Q调制。激光器内部的脉冲发生单元实际上便是压/频(V/F)转换线路。改变压/频(V/F)转换器的输入电压，可以线性地调节调制脉冲的重复频率。

半导体侧泵模块7由注入电流进行激励，激光器的输出功率与注入电流的大小有关，当注入电流超过某一阀值时，激光器输出激光，继续增大注入电流时，激光器功率也增大。但当注入电流超过额定值时，半导体侧泵模块损坏。

光闸控制电源14控制光闸9的开启和闭合。当光闸电源断开时，光闸两电磁旋铁在原有位置，谐振腔内震荡被切断，激光处于被关闭状态；当光闸电源接通时，光闸两电磁旋铁吸合，谐振腔内有光子震荡，并有激光输出。

扩束镜5包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜。经输出镜11输出的激光通过扩束镜5对激光光斑直径、发散角进行调整。

冷却系统3包括设置在激光头单元外部的水冷机15以及设置在激光头单元内部冷却半导体侧泵模块7，声光调Q开关8，全反镜10以及输出镜11的进水管和回水管组成的冷却管路6。水冷机购自深圳市东露阳实业有限公司，设置水冷机的温度为18℃，设定温差为0.1℃，当激光器系统温度高于18.1℃时，水冷机开始制冷。水箱内的水通过水冷机冷却系统冷却后经出水口流出，并在激光器内分为两路，一路用来冷却半导体侧泵模块7，另一路依次冷却全反镜10、声光调Q开关8和输出镜11，再经输出镜出水口和半导体侧泵模块出水口流出，并在回水管合并后回到水冷机水箱内。当激光器的系统温度低于18℃时，水冷机开始制热。

其中，谐振腔4为平凸腔，其光学稳定性优于其他腔型。半导体侧泵模块7选用石家庄十三所的半导体侧泵模块GDM-300，激光输出波长为1064nm。声光调Q开关8选用英国古奇公司的双头Q开关I-QS027-6.5D4G-B5，双头Q开关是将2个正交的C模换能器胶合并封装到一个光学单元内，用来有效的关断两个方向的高功率激光光束。

其中，全反镜10为平凸3米的镜片，输出镜11采用的是透过率为20％的平平镜。扩束镜5采用扩束倍率为4倍的扩束镜，通过调整扩束镜片间距离，在一定范围内可以消除发散角度的影响从而获得经扩束的准直性良好的激光束。

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处仅在于：光闸9位于半导体侧泵模块7和声光调Q开关8之间；半导体侧泵模块7选用北京吉泰基业的半导体侧泵模块GTPC-200，激光输出波长为1064nm；声光调Q开关8选用两个英国古奇公司的单头声光Q开关I-QS027-5C4G-U5-ST。全反镜10为平行平面镜，输出镜11为透过率30％的平凸镜，扩束镜5的扩束倍率为3。实施例2的其他结构和原理均与实施例1相同。

实施例3

实施例3与实施例1的不同之处仅在于：光闸9位于半导体侧泵模块7和输出镜11之间；半导体侧泵模块7选用北京吉泰基业的半导体侧泵模块GTPC-200，激光输出波长为1064nm；声光调Q开关8选用两个英国古奇公司单头声光Q开关I-QS027-5C4G-U5-ST。全反镜10为平行平面镜，输出镜11为透过率20％的平行平面镜，扩束镜5的扩束倍率为3。实施例3的其他结构和原理均与实施例1相同。

本领域人员应该明白的是，以上所述仅为本实用新型的优选并不用于限制本实用新型，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种表面处理激光器，其特征在于，包括激光头单元(1)、控制系统(2)和冷却系统(3)，所述激光头单元(1)和所述控制系统(2)相连；其中所述激光头单元(1)包括谐振腔(4)，所述谐振腔(4)包括半导体侧泵模块(7)、声光调Q开关(8)、光闸(9)、全反镜(10)和输出镜(11)，所述半导体侧泵模块(7)、所述声光调Q开关(8)、所述全反镜(10)和所述输出镜(11)的位置相对固定；所述控制系统(2)和所述光闸(9)电连接；所述激光头单元(1)和所述控制系统(2)的位置相对固定。

2.根据权利要求1所述的表面处理激光器，其特征在于，所述光闸(9)位于所述半导体侧泵模块(7)和所述声光调Q开关(8)之间，或位于所述声光调Q开关(8)和所述全反镜(10)之间，或位于所述半导体侧泵模块(7)和所述输出镜(11)之间。

3.根据权利要求1所述的表面处理激光器，其特征在于，所述声光调Q开关(8)位于所述半导体侧泵模块(7)和所述全反镜(10)之间。

4.根据权利要求1-3任一所述的表面处理激光器，其特征在于，所述控制系统(2)包括半导体侧泵模块电源(12)、声光调Q开关驱动电源(13)和光闸控制电源(14)。

5.根据权利要求4所述的表面处理激光器，其特征在于，所述半导体侧泵模块电源(12)与所述半导体侧泵模块(7)电连接；所述声光调Q开关驱动电源(13)和所述声光调Q开关(8)电连接；所述光闸控制电源(14)和所述光闸(9)电连接。

6.根据权利要求1-3任一所述的表面处理激光器，其特征在于，所述激光头单元(1)包括扩束镜(5)；所述谐振腔(4)和所述扩束镜(5)的位置相对固定。

7.根据权利要求6所述的表面处理激光器，其特征在于，所述输出镜(11)位于所述半导体侧泵模块(7)和所述扩束镜(5)之间，所述半导体侧泵模块(7)、所述声光调Q开关(8)、所述全反镜(10)和所述输出镜(11)均与所述扩束镜(5)的位置相对固定。

8.根据权利要求7所述的表面处理激光器，其特征在于，所述全反镜(10)、所述声光调Q开关(8)、所述光闸(9)、所述半导体侧泵模块(7)、所述输出镜(11)和所述扩束镜(5)的光轴位于同一直线上。

9.根据权利要求1所述的表面处理激光器，其特征在于，所述冷却系统(3)包括水冷机(15)和冷却管路(6)，所述冷却管路(6)包括进水管和回水管；所述激光头单元(1)和所述冷却系统(3)的位置相对固定。

10.根据权利要求9所述的表面处理激光器，其特征在于，所述水冷机(15)设置在所述激光头单元(1)的外部，所述冷却管路(6)设置在所述激光头单元(1)的内部。