CN205236562U - 固体脉冲激光清洗装置 - Google Patents
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Abstract
实用新型公开了一种固体脉冲激光清洗装置，解决了装置存在的清洗效率较低，清洗效果不佳的问题，技术方案包括沿激光传输路径布置的激光器系统和光束传输系统，还包括有激光清洗头，其中，所述激光器系统包括全反镜、输出镜及位于二者构成的谐振腔内的连续泵浦单元，所述连续泵浦单元与全反镜之间还插入一对望远系统，所述一对望远系统之间设有电机驱动的机械调制盘,所述机械调制盘上开有至少一个通光孔；所述激光清洗头包括将来自光束传输系统的激光束聚焦成点状光斑的场镜和通过扫描将场镜聚焦的点状光斑变为长条形激光能量线的一维振镜系统。结构简单，体积小，性能稳定，具有高清洗力、高清洗效率、脉冲重复率范围大、应用广泛。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于物体表面的污垢清洗以及钢铁除锈的激光清洗装置，具体的说是一种固体脉冲激光清洗装置。
背景技术
在工业生产中，常需要用到清洗技术。如工业制品在电镀、磷化、喷涂、焊接、包装以及集成线路的装配时，为保证工件质量，必须除去产品表面附着的油脂、灰尘、锈垢或残留的溶剂、粘结剂等污物。在轮胎制作过程中，多次成型使模具花纹内部残留部分橡胶，再成型会降低轮胎成品率，需要定期对模具进行清洗，传统的清洗方法存在各种问题，需要寻找一种更合适的清洗方法。
激光具有高能量密度、高单色性及高方向性等优点，使得它在工业和农业等方面得到了广泛的应用，尤其是在制造业中，它被誉为“21世纪的万能加工工具”。激光清洗技术是指采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，高速有效地清除清洁对象表面附着物或表面涂层，从而达到洁净的工艺过程，清洗清洁度和清洗效率高，是一种“绿色”清洗技术。
我国激光清洗技术的研究和设备的开发起步晚，基本上是跟踪国外的发展。虽然在较短时间内取得了一些成果，但是与国外相比存在明显的差距。目前，国内自己开发的产品多是采用低功率激光声光调Q获得高峰值功率的激光脉冲输出会聚成极小光斑以形成高能量密度来达到清洗阈值，虽然脉冲重复率很高，且勉强达到清洗要求，但过小的光斑却造成清洗的速度相当低下，要完成一个工件的清洗，其时间往往数小时记。而且，这种激光清洗设备虽小而便携，但由于平均输出功率低，清洗力底下，往往对于一些顽固清洗，难以派上用场。若想要提高平均输出功率，鉴于声光调Q的限制，只能采用电光方法，如201310424758.3公开的发明名称为“一种飞机蒙漆激光清洗设备”的专利申请，其就是采用电光调Q的方法以提高激光输出功率，这又带来另一个问题，那就是电光调Q重复率一般不会很高，这又使得激光清洗效率不高。如何才能兼顾激光清洗设备的高清洗力和高清洗效率是技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单，体积小，性能稳定，具有高清洗力、高清洗效率、脉冲重复率范围大、应用广泛的固体脉冲激光清洗装置。
技术方案包括沿激光传输路径布置的激光器系统和光束传输系统，还包括有激光清洗头，其中，所述激光器系统包括全反镜、输出镜及位于二者构成的谐振腔内的连续泵浦单元，所述连续泵浦单元与全反镜之间还插入一对望远系统，所述一对望远系统之间设有电机驱动的机械调制盘,所述机械调制盘上开有至少一个通光孔；所述激光清洗头包括将来自光束传输系统的激光束聚焦成点状光斑的场镜和通过扫描将场镜聚焦的点状光斑变为长条形激光能量线的一维振镜系统。
所述光束传输系统包括沿激光传输路径布置的耦合系统、高能光纤以及光束整形系统。
还包括有控制系统，所述控制系统的输出端分别与激光器系统中的连续泵浦单元、电机以及激光清洗头中的一维振镜系统连接。
所述通光孔为带有锥度的圆孔、切口或其它几何形状的通孔。
所述激光器系统中采用一个高速旋转的机械调制盘以实现激光器系统的Q调制，其主要的工作原理如下：机械调制盘旋转的过程中，其上的非通光部位旋转到激光光轴上时，相当于在激光光轴上插入一个不通光的物体，从而导致激光器无法振荡；如果此时通过连续泵浦单元提供能量，那么将在激励介质中逐渐积累能量；随着机械调制盘的旋转，当通光孔旋转到激光光轴上时，相当于将激光光轴上插入的不通光物体快速移出，激光器在激励介质中所存储能量对应的增益作用下快速形成振荡，并实现高峰值功率短脉冲输出。在机械调制盘旋转的过程中，非通光部位与通光孔交替遮挡和通过激光光轴，因此激光器被周期性的关断和开启；如果此时通过连续泵浦单元提供连续的激光能量，那么激光器将输出高重复频率、高能量的激光脉冲。通过控制电机驱动的机械调制盘高速旋转，如采用每分钟数千至数万转的转速，其转速由控制系统控制；还可以根据需要在机械调制盘中设置较多的通光孔，如开有5-100个，这样脉冲重复频率可在为100Hz～100kHz的范围选择。
进一步的，在全反镜、输出镜构成的谐振腔内插入了一对望远系统，该望远系统等效延长了腔长，便于插入机械调制盘进行Q调制。另外，望远系统两透镜之间焦点处，光斑大小聚焦得非常小，通过控制调制盘转速可以调节通光孔对光斑的切割速度。虽然声光调Q的晶体内声速约为本实用新型机械调制盘中通光孔对光斑的切割速度的几十倍，但声光调Q光斑大小却是本实用新型调制盘切割处最小的光斑大小的几十倍。因此，综合评价，本实用新型中机械调Q的开关速度最快可以和声光调Q相当，其调Q效果与声光调Q相近，但由于本实用新型的激光产生过程中的调Q技术是完全意义上的硬调Q，其关断能力理论上是无限的，因此，该技术可以弥补声光调Q技术在高功率领域无法关断的不足。在另一方面，还可以通过直接改变调制盘在望远系统之间的位置，使其切割的光斑大小发生改变，进而直接对调Q的开关时间进行调节，从而可以实现在保证其他条件相同的情况下对调Q脉冲脉宽的控制。
所述光束传输系统包括激光传输路径布置的耦合系统、高能光纤以及光束整形系统，所述耦合系统用于将激光器输出的脉冲激光耦合进入高能光纤，高能光纤用于低损地将脉冲激光传输至光束整形系统，光束整形系统用于将来自高能光纤的激光束进行准直并传送给后续的激光清洗头。所述激光清洗头采用一维振镜系统，通过扫描将场镜聚焦的点状光斑沿一个方向来回扫动形成变为长条形激光能量线，进行激光清洗时，可手持激光清洗头来回扫动或与工作平台相互配合来完成清洗工作。
有益效果：
(1)本实用新型整体结构简单，体积小，性能稳定，使用寿命长，可以非常方便地稳定地工作在非常恶劣的环境中，生产维护容易，能广泛应用于模具清洗、石材金属等物体表面的污垢清洗，以及桥梁铁路船舶等领域的钢铁除锈，同时也可以应用于一些古文物、遗迹、古建筑的除污维护等多个清洗领域，具有广阔的市场前景。
(2)采用的机械Q调制原理，对激光器系统功率没有任何限制，可以适用于高功率激光器，从而形成足够高的激光脉冲功率和激光脉冲频率。
(3)本实用新型能实现稳定性高、重复频率高、峰值功率高及脉冲能量高、而脉宽短的脉冲激光输出，其能量密度能够达到诸多材料的清洗阈值，平均输出功率高，从而使得清洗的速度能够更高。
(4)Q开关的开关速度可以通过调节机械调制盘在一对望远系统中的位置来改变，从而可以在保证其他条件一致的情况下，调整脉冲宽度以降低峰值功率。这使得应用该激光器的这套激光清洗装置不仅能适用在高损伤阈值的清洗工作中，还可以通过调节来应用于一些低损伤阈值的激光清洗工作中，扩大了激光器的这套激光清洗装置应用范围。
附图说明
图1为实用新型控制原理框图；
图2为本实用新型结构示意图；
图3为机械调制盘1.3的结构示意图。
其中，1-激光器系统、1.1-全反镜、1.2-望远系统、1.3-机械调制盘、1.31-通光孔、1.4-电机、1.5-连续泵浦单元、1.6-输出镜、2-光纤耦合系统、3-高能光纤、4-光束整形系统、5-激光清洗头、5.1-一维振镜系统、5.2-场镜。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步解释说明：
参见图1，沿激光传输路径依次布置激光器系统系统1、光束传输系统和激光清洗头5，其中，所述激光器系统1包括全反镜1.1、输出镜1.6及位于二者构成的谐振腔内的连续泵浦单元1.5，所述连续泵浦单元1.5可以采用YAG半导体光泵浦模块，所述连续泵浦单元1.5与全反镜1.1之间还插入一对望远系统1.2，本实施例中，望远系统1.2为1:1望远系统，所述一对望远系统1.2之间设有机械调制盘1.3,机械调制盘1.3的转轴位于连续泵浦单元1.5输出的激光光轴上方，并与电机1.4的输出轴相连，从而能够在电机1.4的带动下高速旋转，所述机械调制盘1.3上均匀开有至少一个通光孔1.31，优选5-100个，所述通光孔1.31为带有或不带有锥度的圆孔、切口或其它几何形状的通孔，参见图3，本实施中通光孔1.31为带有锥度的圆孔；所述光束传输系统包括沿激光传输路径布置的耦合系统2、高能光纤3以及光束整形系统4，所述耦合系统2可改变激光器输出的激光的焦距长度和口径，使之与高能光纤3的数值孔径相匹配，并使激光光束在焦点处入射高能光纤3的纤芯，激光由高能光纤3传导，最后经光束整形系统4进行光束的准直后入射激光清洗头5。所述激光清洗头5包括场镜5.2和一维振镜系统5.1，所述场镜5.2可将来自光束传输系统的激光束聚焦成点状光斑，所述一维振镜系统5.1通过扫描将场镜5.1聚焦的点状光斑变为长条形激光能量线。控制系统的输出端分别与激光器系统1中的连续泵浦单元1.5、电机1.4以及激光清洗头5中的一维振镜系统5.1连接。
工作原理：
激光器系统1中，控制系统控制连续泵浦单元1.5为激光器系统1的工作提供增益，全反镜1.1和输出镜1.6构成激光器系统1的谐振腔，激光在两镜片间来回振荡，输出镜1.6为部分透射镜，腔内激光通过输出镜1.6输出。全反镜1.1和连续泵浦单元1.5之间插入望远系统1.2，所述望远系统1.2为1:1望远系统，所述望远系统1.2两镜片之间设有机械调制盘1.3,机械调制盘1.3的转轴位于连续泵浦单元1.5输出的激光光轴上方，并与电机1.4的输出轴相连，从而能够在控制系统控制的电机1.4的带动下高速旋转，机械调制盘1.3上均匀开有通光孔起到对腔内激光周期性开关的作用，形成Q调制，使得激光器系统1输出脉冲激光。所述的激光器系统1输出的脉冲激光经光束传输系统中的耦合系统2被耦合进入能量光纤3，脉冲激光在能量光纤3中低损地传输至光束传输系统中的光束整形系统4，经光束整形系统4进行光束的准直后入射激光清洗头5。激光清洗头5中的一维振镜系统5.1在控制系统的控制下使得入射的脉冲激光沿某个方向来回扫动，经场镜5.2聚焦后，在场镜5.2的焦平面上形成具有很高能量密度的长条形激光能量线。手持激光清洗头5并移动，使得激光能量线在清洗工件表面扫动即可完成激光清洗工作，或者固定激光清洗头5，将清洗工件置于工作平台，自动化操作工作平台移动清洗工件，也可使得激光能量线在清洗工件表面扫动完成激光清洗工作。
Claims (4)
1.一种固体脉冲激光清洗装置，包括沿激光传输路径布置的激光器系统和光束传输系统，其特征在于，还包括有激光清洗头，其中，所述激光器系统包括全反镜、输出镜及位于二者构成的谐振腔内的连续泵浦单元，所述连续泵浦单元与全反镜之间还插入一对望远系统，所述一对望远系统之间设有电机驱动的机械调制盘,所述机械调制盘上开有至少一个通光孔；所述激光清洗头包括将来自光束传输系统的激光束聚焦成点状光斑的场镜和通过扫描将场镜聚焦的点状光斑变为长条形激光能量线的一维振镜系统。
2.如权利要求1所述的固体脉冲激光清洗装置，其特征在于，所述光束传输系统包括沿激光传输路径布置的耦合系统、高能光纤以及光束整形系统。
3.如权利要求1所述的固体脉冲激光清洗装置，其特征在于，还包括有控制系统，所述控制系统的输出端分别与激光器系统中的连续泵浦单元、电机以及激光清洗头中的一维振镜系统连接。
4.如权利要求1-3任一项所述的固体脉冲激光清洗装置，其特征在于，所述通光孔为带有锥度的圆孔、切口或其它几何形状的通孔。
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