CN2707419Y - 一种用于激光材料表面处理装置中的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于激光材料表面处理装置中的光学系统，包括：激光器、扩束镜和聚焦透镜，激光加工头和光导纤维，激光器输出端与激光加工头之间通过光导纤维连接，还包括一基于Dammann周期性位相光栅原理研制的二元光学转换元件，该二元光学转换元件设置在扩束镜和聚焦透镜之间。利用本实用新型的光学系统应用在表面处理装置中，可灵活有效地控制激光与材料的相互作用区域，极大地提高了材料表面强度、韧性等综合使用性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种激光材料加工装置，特别是涉及一种具有周期或非周期点阵分布的激光束对材料表面进行处理的装置中的光学系统。
背景技术
材料的激光表面处理多由激光束经聚焦形成的高斯圆光斑或经过特定的光束转换系统形成的矩形、线形等具有一定形状的花样光斑直接作用于材料表面，通过数控机床控制工件与激光束的相对运动轨迹及光闸的启闭对材料表面或其要求部位进行表面处理。
清华大学、中科院物理所和中国大恒公司利用光束二元光学转换技术将能量为高斯分布的光束转换为能量均匀分布的线形光束，并将其应用于齿轮和凸轮的表面强化。把光束变换和数控技术结合也可实现模具表面不同的强化轨迹(江苏理工大学周建忠等(《模具工业》，2000，Vol.4，52)，农业机械学报，2001，Vol.32，116)或对要求的部位或表面进行强化。在这些强化工艺中，线形光束的能量分布是均匀的，而其它大多数情况下光束的有效转换仅仅是改变了焦平面上光斑的形状(其能量分布仍是不均匀的)。因此，利用上述光束形状转换技术对材料表面进行处理时，激光表面处理区域的组织结构在宏观上是均匀的，微观上没有太大的差别。解决这一问题的根本方法是在每个光斑尺度内控制激光与材料的相互作用区域。众所知道，光束变换是从光束的时间特性和空间特性两个方面进行，时间特性如脉冲激光的频率，脉宽等，空间特性如模式分布，光斑形状等。因此，利用光学变换技术可以人为地对激光束的时间、空间特性进行改变，进而有效地在每个光斑尺度内控制激光与材料发生相互作用的区域，赋予材料表面特殊的组织结构和性能。
发明内容
本实用新型的目的在于：克服已有的材料表面的激光处理装置，对材料进行激光表面处理后，所处理区域的组织结构在宏观上是均匀的，但微观上没有太大的差别的缺陷；从而提供一种带有基于达曼(Dammann)周期性位相光栅原理研制的二元光学转换元件的、具有周期或非周期点阵分布的激光束对材料表面进行处理装置中的系统。
本实用新型的目的是这样实现的：
本实用新型提供的一种用于激光材料表面处理装置中的光学系统，包括：激光器、扩束镜和聚焦透镜，激光加工头和光导纤维，激光器输出端与激光加工头之间通过光导纤维连接，其特征在于：还包括一基于Dammann周期性位相光栅原理研制的二元光学转换元件，该二元光学转换元件设置在扩束镜和聚焦透镜之间。
所述的二元光学转换元件，为在光学玻璃基片上采用刻蚀法制备出的具有2台阶结构的位型光学器件，其中台阶高度为0-20um。
基于Dammann周期性位相光栅原理设计二元光学转换元件的一般方法首先以一维光栅进行优化设计，然后在X和Y方向作二维扩展。该方法设计较为方便，但不利于衍射效率的提高，更无法实现任意二维衍射图样的设计。为了简化设计，采用二台阶刻蚀法制备二元光学转换元件，在x和y方向均匀采样，使一个周期单元形成网格型孔径，则此单元的位相分布由每个矩形孔径单元的位相分布共同决定，在设计中，将每个矩形孔径单元的取为1或者0，以此来代表其位相取二值的情况。利用解析计算能解出小分束比光栅的结构参数，而当分束比M≥2时，则必须采用优化设计，图1表示的是减法工艺，又称刻蚀法制作多阶二元光学变换元件(多台阶表面浮雕轮廓相位型光学器件)。
本实用新型将二元光学转换元件放置于如图3所示的激光光路中，使具有高斯能量分布的一个激光束在其焦平面上转化为具有点阵周期或非周期分布的多支激光微束。所述光斑以多支周期或非周期点阵分布的细光束组成为例，宏观上呈正方形。激光通过二元光学转换元件，经时间、空间转换后的每个光斑尺度内多支激光束呈点阵周期或非周期分布。这样，在材料的激光处理表面的每个光斑尺度内，可以灵活有效地控制激光束与材料的相互作用轨迹。因此，本实用新型可以使材料表面的组织结构在微观上具有非均匀分布，从而赋予了材料表面优异的强韧性配合。
本实用新型的优点在于：利用本实用新型的光学系统应用在表面处理装置中，可灵活有效地控制激光与材料的相互作用区域，极大地提高了材料表面强度、韧性等综合使用性能，为在高温、冲击、腐蚀等恶劣环境条件下，承受强烈摩擦磨损作用的耐磨运动零部件(如大型模具、石化机械装备中的高温高压阀门密封运动副、航空发动机高温封严摩擦副等)的激光表面处理提供了一种新的应用前景。该光学系统结构简单。
附图说明
图1是采用刻蚀法制作多阶二元光学转换元件的工艺流程，和所制作出的具有2台阶结构二元光学转换元件的结构示意图
图2a是采用二元光学转换元件把高斯光束转变为焦平面上点阵周
期分布的多支对称束示意图(点阵为3×3，共9支细激光束)
图2b同上，点阵为7×7(49支细激光束)
图2c是采用二元光学转换元件把高斯光束转变为焦平面上非周期环形分布
图2d是采用二元光学变换元件把高斯光束转变为焦平面上7×7缺级分布
图3是本实用新型的光学系统示意图
图4是本光学系统应用在激光表面处理装置中的实施例示意图
附图标示
1、激光器 2、扩束镜 3、二元光学转换元件
4、聚焦透镜 5、经二元光学变换元件转换后输出的多支激光束
6、试样 7、光斑
具体实施方式
结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明：
参照附图1，采用刻蚀法制作一具有可使光束形成3×3点阵的二元光学转换元件，通过一次光刻在光学玻璃上刻蚀出2个台阶结构的二元光学转换元件，其中台阶高度为2um。
参照附图3和4，在激光器1输出光的光路上顺序设置一扩束镜2和聚焦镜4，并在扩束镜2和聚焦镜4之间加上一块φ50mm的二元光学转换元件3，即图1所示的二元光学转换元件3。激光器1输出端与激光加工头之间通过光导纤维连接。从激光器1发出的激光束进入光束变换器的扩束镜2扩束后透过二元光学转换元件3形成具有点阵分布的矩形光束5；再经过聚焦镜4在焦平面上形成矩形聚焦光斑，光斑大小在1∽50mm2，光斑内的光束点阵由3×3、7×7、25×25等构成(如图2)，点阵中每个点上的能量密度分布相同，功率密度从7∽15J/mm2。
本实施例中，采用500W YAG脉冲激光器(峰值功率可达7KW)，激光器参数：脉宽24ms，脉冲重复率4Hz；采用可使光束形成3×3点阵的二元光学转换元件，采用单个脉冲，波形为矩形，光斑尺寸1.25×1.25mm2，光斑7上的总能量密度是7.5J/mm2。
将该光学系统应用在激光处理材料表面装置中，并对9×9×15mm3的球墨铸铁试样6的9×15mm2表面进行激光处理，处理后的表面经耐磨性测试(环块磨损试验机，载荷1500N，磨损时间8h，20号机油润滑)表明，激光处理面是未处理面耐磨性的2.8倍(处理层20μm内)。
实施例2
本实施例中所制作的光学系统结构同实施例1，所不同的是采用空间呈7×7点阵分布的二元光学转换元件4，该光学转换元件的台阶高度为4um。
采用平均功率为2000W的YAG激光器1，该激光器参数为：脉宽80ms，脉冲重复率2Hz；采用波形为矩形的单脉冲，光斑尺寸为3×3mm2，光斑上的能量密度是12.4J/mm2，脉冲激光扫描速度为50mm/s，在每个光斑位置上的停留时间为80ms。
将该光学系统应用在激光处理材料表面装置中，并对球墨铸铁试样的9×15mm2表面进行激光处理，经耐磨性测试(环块磨损试验机，载荷1500N，磨损时间60h，20号机油润滑)表明，激光处理面是未处理面耐磨性的11.5倍(处理层100μm处)。激光表面强化处理后横截面(一个光斑范围)上的二维显微硬度分布，硬度最高的区域有7块，这与光束的7×7点阵的某一列(行)相对应。因此，光束的周期点阵分布形成了明显的微观周期强化轨迹，使材料表面获得了优异的强韧配合。
实施例3
通过一次刻蚀光学玻璃上刻出2台阶结构的二元光学转换元件3，其中台阶高度为6um(波长)。将其安置在本实施例的激光光路中，激光光束经扩束，再通过二元光学变换元件3把高斯光束转变为焦平面上非周期环形分布，如图2c所示。
比较本实用新型和普通的现有技术，采用本激光处理方法具有不增加工艺过程控制的难度，激光表面处理过程中激光与材料相互作用轨迹与分布可简单通过更换二元光学转换元件实现。该发明可应用于脉冲和连续激光器，整个工艺和一般的激光表面处理控制相似，易于推广使用和产业化，因此具有很好的工业应用前景。
Claims (3)
1、一种用于激光材料表面处理装置中的光学系统，包括：激光器、扩束镜和聚焦透镜，激光加工头和光导纤维，激光器输出端与激光加工头之间通过光导纤维连接，其特征在于：还包括一基于达曼周期性位相光栅原理研制的二元光学转换元件，该二元光学转换元件设置在扩束镜和聚焦透镜之间。
2.按权利要求1所述的用于激光材料表面处理装置中的光学系统，其特征在于：所述的二元光学转换元件，为在光学玻璃基片上刻蚀出具有2个台阶结构的相位元件。
3.按权利要求2所述的用于激光材料表面处理装置中的光学系统，其特征在于：所述的台阶高度为0-20um。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN 200420006765 CN2707419Y (zh) | 2004-03-12 | 2004-03-12 | 一种用于激光材料表面处理装置中的光学系统 |
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| CN 200420006765 CN2707419Y (zh) | 2004-03-12 | 2004-03-12 | 一种用于激光材料表面处理装置中的光学系统 |
Publications (1)
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| CN2707419Y true CN2707419Y (zh) | 2005-07-06 |
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| CN 200420006765 Expired - Fee Related CN2707419Y (zh) | 2004-03-12 | 2004-03-12 | 一种用于激光材料表面处理装置中的光学系统 |
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|---|---|
| CN (1) | CN2707419Y (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102756474A (zh) * | 2012-07-27 | 2012-10-31 | 苏州大学 | 聚合物微流控芯片键合装置 |
| RU2646177C1 (ru) * | 2017-02-03 | 2018-03-01 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Способ лазерной обработки неметаллических материалов |
| CN114277218A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-05 | 浙江工业大学 | 一种轮毂轴承密封面激光强化方法及装置 |
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2004
- 2004-03-12 CN CN 200420006765 patent/CN2707419Y/zh not_active Expired - Fee Related
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