專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)系統(tǒng)及激光熔覆設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光熔覆的技術(shù)，尤其涉及一種光學(xué)系統(tǒng)及激光熔覆設(shè)備。
背景技術(shù)：
激光誕生于上個(gè)世紀(jì)的60年代，經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，激光技術(shù)層出不窮，被廣泛應(yīng)用到科研、國(guó)防、通訊、醫(yī)療、工業(yè)制造、娛樂(lè)等領(lǐng)域。激光技術(shù)在不斷地取代傳統(tǒng)技術(shù)，不斷地改善和豐富我們的生活。近些年來(lái)，科學(xué)技術(shù)快速更新，激光技術(shù)也發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍愈加擴(kuò)大。在工業(yè)加工制造方面，激光加工技術(shù)王要被應(yīng)用于激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、激光熔覆，激光快速成型、激光淬火等。激光熔覆是指以一定的添料方式在被熔覆基體表面上添加涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體表面的一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低、與基體成冶金結(jié)合的表面涂層。激光熔覆能夠顯著改善基體表面的耐磨性、耐蝕性、耐熱性、抗氧化性，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對(duì)材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。激光熔覆技術(shù)已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一，已廣泛應(yīng)用于航空、石油、汽車(chē)、機(jī)械制造、船舶制造、模具制造等行業(yè)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊?，F(xiàn)有的高功率半導(dǎo)體熔覆技術(shù)采用多個(gè)半導(dǎo)體模塊作為激光光源，采用多條光纖耦合傳輸各個(gè)半導(dǎo)體模塊，在多條光纖的出光端共用單個(gè)光學(xué)透鏡或透鏡組來(lái)準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光，最后用聚焦透鏡來(lái)聚焦半導(dǎo)體激光。這種光學(xué)技術(shù)，準(zhǔn)直前的光源為多點(diǎn)光源，即使對(duì)準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，聚焦后的光斑仍然是由多點(diǎn)的小光斑合成的聚焦光斑。由于這幾個(gè)小光斑不是疊加到同一個(gè)點(diǎn)上，小光斑與小光斑之間是存在微小的空隙的，聚焦光斑的能量分布不均勻，在激光加工的時(shí)候容易產(chǎn)生沙眼和氣泡，造成不良品的增加或者增加后期處理的可能性和成本。因此，有必要在現(xiàn)有熔覆設(shè)備中的光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種熔覆光斑均勻的光學(xué)系統(tǒng)及其激光熔覆設(shè)備是目前亟待解決的問(wèn)題。

實(shí)用新型內(nèi)容基于此，有必要針對(duì)上述熔覆設(shè)備中的光學(xué)系統(tǒng)存在的缺陷，提供一種熔覆均勻的光學(xué)系統(tǒng)?！N光學(xué)系統(tǒng)，用于激光熔覆，其特征在于，包括:半導(dǎo)體模塊組，包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體模塊，用于產(chǎn)生激光光源；傳輸光纖組，包括至少兩根光纖，所述光纖用于耦合傳輸所述激光；準(zhǔn)直陣列，包括至少兩個(gè)光學(xué)準(zhǔn)直透鏡，所述光學(xué)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直經(jīng)所述光纖的激光；及聚焦透鏡，用于聚焦準(zhǔn)直后的所述激光；所述半導(dǎo)體模塊、光纖及光學(xué)準(zhǔn)直透鏡數(shù)量相等，且分別沿所述激光的傳播方向?qū)?yīng)設(shè)置。在本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體模塊、光纖及光學(xué)準(zhǔn)直透鏡的數(shù)量均為七個(gè)。在本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體模塊的功率為1500瓦,所述半導(dǎo)體模塊產(chǎn)生激光波長(zhǎng)為805 985納米。在本實(shí)施例中，所述光纖的直徑為I毫米，數(shù)值孔徑為0.22。在本實(shí)施例中，所述準(zhǔn)直透鏡的入光面和出光面均鍍有對(duì)所述激光高透射的介質(zhì)膜。在本實(shí)施例中，所述準(zhǔn)直透鏡在橫切面上呈蜂窩式排列。在本實(shí)施例中，所述光學(xué)準(zhǔn)直透鏡離所述光纖的距離為所述光學(xué)準(zhǔn)直透鏡的焦距。在本實(shí)施例中，所述光學(xué)準(zhǔn)直透鏡由光學(xué)熔石英材料制成。在本實(shí)施例中，所述聚焦透鏡由單片光學(xué)透鏡或多片光學(xué)透鏡組成。在本實(shí)施例中，所述聚焦透鏡的入光面和出光面均鍍有對(duì)激光高透射的介質(zhì)膜。在本實(shí)施例中，所述聚焦透鏡由光學(xué)熔石英材料制成。在本實(shí)施例中，所述聚焦透鏡的焦距為25(T400毫米。另外，本實(shí)用新型還提供了一種激光熔覆設(shè)備，所述激光熔覆設(shè)備包括上述的光學(xué)系統(tǒng)上述用于激光熔覆的光學(xué)系統(tǒng)，沿始于其光路的傳輸方向上依次設(shè)置所述半導(dǎo)體模塊、光纖、光學(xué)準(zhǔn)直透鏡及聚焦透鏡，且由于所述半導(dǎo)體模塊、光纖及光學(xué)準(zhǔn)直透鏡數(shù)量相等，所述半導(dǎo)體模塊 產(chǎn)生的激光分別依次經(jīng)對(duì)應(yīng)的光纖、光學(xué)準(zhǔn)直透鏡傳輸后，由所述聚焦透鏡聚焦形成聚焦光斑。該光學(xué)系統(tǒng)體積緊湊，經(jīng)該光學(xué)系統(tǒng)形成的聚焦光斑能量分布均勻，提高了熔覆均勻性。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的激光熔覆設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的準(zhǔn)直陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的熔覆光斑能量分布輪廓圖。圖標(biāo)說(shuō)明:100光學(xué)系統(tǒng)110半導(dǎo)體模塊組120傳輸光纖組121光纖130準(zhǔn)直陣列131光學(xué)準(zhǔn)直透鏡140聚焦透鏡
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種光學(xué)系統(tǒng)，用于激光熔覆，包括:半導(dǎo)體模塊組，包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體模塊，用于產(chǎn)生激光光源；傳輸光纖組，包括至少兩根光纖，光纖用于耦合傳輸所述激光；準(zhǔn)直陣列，包括至少兩個(gè)光學(xué)準(zhǔn)直透鏡，光學(xué)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直經(jīng)所述光纖的激光；及聚焦透鏡，用于聚焦準(zhǔn)直后的激光；半導(dǎo)體模塊、光纖及光學(xué)準(zhǔn)直透鏡數(shù)量相等，且分別沿激光的傳播方向?qū)?yīng)設(shè)置。[0031 ] 本實(shí)用新型實(shí)施例還提供了 一種包括上述光學(xué)系統(tǒng)的激光熔覆設(shè)備。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的光學(xué)系統(tǒng)體積緊湊，經(jīng)該光學(xué)系統(tǒng)形成的聚焦光斑能量分布均勻，提高了熔覆均勻性。請(qǐng)參閱圖1，圖1為本實(shí)施例提供的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。用于激光熔覆的光學(xué)系統(tǒng)100包括半導(dǎo)體模塊組110、傳輸光纖組120、準(zhǔn)直陣列130及聚焦透鏡140。半導(dǎo)體模塊組110包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體模塊(圖未示)。半導(dǎo)體模塊組110用于為激光熔覆提供激光光源。在實(shí)施例中，半導(dǎo)體模塊內(nèi)均包括激光二極管陣列及相關(guān)的空間耦合激光二極管陣列用的準(zhǔn)直光學(xué)元件及聚焦光學(xué)元件。由于半導(dǎo)體模塊組110不含CO2激光器、YAG激光器等這些體積較大的器件，使得半導(dǎo)體模塊組110具有體積緊湊的特點(diǎn)。在實(shí)施例中，半導(dǎo)體模塊優(yōu)選為七個(gè)，其中，每個(gè)半導(dǎo)體模塊的功率為1500瓦，每個(gè)半導(dǎo)體模塊產(chǎn)生激光波長(zhǎng)為805 985納米?？梢岳斫?，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，半導(dǎo)體模塊組110的功率可以集成到萬(wàn)瓦級(jí)，這樣可以熔覆更深的基體材料，具有更深的熔覆深度。傳輸光纖組120包括至少兩根光纖121。光纖121用于耦合傳輸激光。在本實(shí)施例中，光纖121的數(shù)量與半導(dǎo)體模塊的數(shù)量相等，每個(gè)半導(dǎo)體模塊產(chǎn)生的激光分別由對(duì)應(yīng)的光纖121耦合傳輸。在本實(shí)用新型提供的實(shí)施例中，光纖121的數(shù)量?jī)?yōu)選為七根，其中，每根光纖的直徑為I毫米，數(shù)值孔徑為0.22?？梢岳斫?，光纖121的纖芯大小、數(shù)值孔徑以及長(zhǎng)度均可以由實(shí)際應(yīng)用要求確定。在本實(shí)用新型中，光纖121優(yōu)選為階躍型光纖。準(zhǔn)直陣列130包括至少兩個(gè)光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131，光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131準(zhǔn)直經(jīng)光纖121耦合傳輸?shù)陌雽?dǎo)體激光。在實(shí)施例中，光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131的數(shù)量與半導(dǎo)體模塊的數(shù)量相等?？梢岳斫?，經(jīng)光纖121耦合傳輸?shù)陌雽?dǎo)體激光分別經(jīng)對(duì)應(yīng)的光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131 —一準(zhǔn)直。請(qǐng)參閱圖2，為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的準(zhǔn)直陣列130的結(jié)構(gòu)示意圖，光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131優(yōu)選為七個(gè)，且橫切面為蜂窩式排列，外圍的六個(gè)光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131的圓心形成一個(gè)正六邊形，而中間的一個(gè)光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131與外圍的六個(gè)光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131形成內(nèi)切，這種排列方式緊湊。在實(shí)施例中，準(zhǔn)直透鏡131的入光面和出光面均鍍有對(duì)激光高透射的介質(zhì)膜，這樣減少了對(duì)激光的插入損耗；且準(zhǔn)直透鏡131的材料優(yōu)選為光學(xué)熔石英，有利于高功率激光的傳輸。在實(shí)施例中，光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131離光纖121的距離優(yōu)選為光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131的焦距，這樣能夠獲得更好的準(zhǔn)直效果，可以理解，具體工程應(yīng)用時(shí)，該距離可稍加微調(diào)。聚焦透鏡140用于聚焦經(jīng)準(zhǔn)直陣列130準(zhǔn)直后的激光?？梢岳斫?，由七個(gè)光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131準(zhǔn)直后的準(zhǔn)直光斑被聚焦透鏡140聚焦后，疊加形成一個(gè)聚焦光斑，通過(guò)對(duì)聚焦透鏡140進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)能夠形成一個(gè)能量分布比較均勻的聚焦光斑，提高了熔覆的均勻性。在本實(shí)施例中，聚焦透鏡140由單片光學(xué)透鏡或多片光學(xué)透鏡組成，可以理解，為了獲得均勻的熔覆光斑，聚焦透鏡140可根據(jù)實(shí)際要求和像差大小選用單片或多片光學(xué)透鏡；聚焦透鏡140的入光面和出光面均鍍有對(duì)激光高透射的介質(zhì)膜，減少了激光的反射損耗；聚焦透鏡140由光學(xué)熔石英材料制成，利于高功率激光的聚焦；為獲得直徑大的熔覆光斑，聚焦透鏡140焦距優(yōu)選為250-400毫米。以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型提供的光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例本實(shí)施例中的半導(dǎo)體模塊組110包含七個(gè)半導(dǎo)體模塊，每個(gè)半導(dǎo)體模塊的最高功率為1500瓦,半導(dǎo)體的波長(zhǎng)為805-985納米。傳輸光纖組120包含七根階躍型傳輸光纖121，階躍型傳輸光纖121的芯徑為I毫米，數(shù)值孔徑為0.22。準(zhǔn)直陣列130由七個(gè)熔石英光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131組成，這七個(gè)光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131呈蜂窩式排列，光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131的直徑為38毫米，焦距為120毫米，光學(xué)準(zhǔn)直透鏡131的進(jìn)光端和出光端都鍍有對(duì)半導(dǎo)體激光高透射的介質(zhì)膜。聚焦透鏡140材料為熔石英，焦距為250毫米，進(jìn)光端和出光端都鍍有對(duì)半導(dǎo)體激光高透射的介質(zhì)膜。請(qǐng)參閱圖3，為上述實(shí)施例提供的熔覆光斑能量分布輪廓圖。其中橫坐標(biāo)為熔覆光斑的半徑，縱坐標(biāo)為激光光強(qiáng)。從圖3中看出，該能量分布呈超高斯分布，熔覆光斑均勻程度高。另外，本實(shí)用新型還提供了 一種包括上述光學(xué)系統(tǒng)的激光熔覆設(shè)備。上述用于激光熔覆的光學(xué)系統(tǒng)，沿始于其光路的傳輸方向上依次設(shè)置半導(dǎo)體模塊、光纖、光學(xué)準(zhǔn)直透鏡及聚焦透鏡，且半導(dǎo)體模塊、光纖及光學(xué)準(zhǔn)直透鏡數(shù)量相等，半導(dǎo)體模塊產(chǎn)生的激光分別依次經(jīng)對(duì)應(yīng)的光纖及光學(xué)準(zhǔn)直透鏡傳輸后，由聚焦透鏡聚焦形成聚焦光斑。該光學(xué)系統(tǒng)體積緊湊，經(jīng)該光學(xué)系統(tǒng)形成的聚焦光斑能量分布均勻，提高了熔覆均勻性，減少了不良品的產(chǎn)生。以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何形式上的限制，雖然本實(shí)用新型已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本實(shí)用新型，任何熟悉本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種光學(xué)系統(tǒng)，用于激光熔覆，其特征在于，包括: 半導(dǎo)體模塊組，包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體模塊，用于產(chǎn)生激光光源； 傳輸光纖組，包括至少兩根光纖，所述光纖用于耦合傳輸所述激光； 準(zhǔn)直陣列，包括至少兩個(gè)光學(xué)準(zhǔn)直透鏡，所述光學(xué)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直經(jīng)所述光纖的激光 '及 聚焦透鏡，用于聚焦準(zhǔn)直后的所述激光； 所述半導(dǎo)體模塊、光纖及光學(xué)準(zhǔn)直透鏡數(shù)量相等，且分別沿所述激光的傳播方向?qū)?yīng)設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述半導(dǎo)體模塊、光纖及光學(xué)準(zhǔn)直透鏡的數(shù)量均為七個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述半導(dǎo)體模塊的功率為1500瓦，所述半導(dǎo)體模塊產(chǎn)生激光波長(zhǎng)為805 985納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖的直徑為I毫米，數(shù)值孔徑為 0.22。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直透鏡的入光面和出光面均鍍有對(duì)所述激光高透射的介質(zhì)膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直透鏡在橫切面上呈蜂窩式排列。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)準(zhǔn)直透鏡離所述光纖的距離為所述光學(xué)準(zhǔn)直透鏡的焦距。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)準(zhǔn)直透鏡由光學(xué)熔石英材料制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦透鏡由單片光學(xué)透鏡或多片光學(xué)透鏡組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦透鏡的入光面和出光面均鍍有對(duì)激光高透射的介質(zhì)膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦透鏡由光學(xué)熔石英材料制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦透鏡的焦距為25(Γ400毫米。
13.—種激光熔覆設(shè)備，其特征在于，包括權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種光學(xué)系統(tǒng)，用于激光熔覆，包括半導(dǎo)體模塊組，包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體模塊，用于產(chǎn)生激光光源；傳輸光纖組，包括至少兩根光纖，光纖用于耦合傳輸所述激光；準(zhǔn)直陣列，包括至少兩個(gè)光學(xué)準(zhǔn)直透鏡，光學(xué)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直經(jīng)所述光纖的激光；聚焦透鏡，用于聚焦準(zhǔn)直后的激光；半導(dǎo)體模塊、光纖及光學(xué)準(zhǔn)直透鏡數(shù)量相等，且分別沿激光的傳播方向?qū)?yīng)設(shè)置。該光學(xué)系統(tǒng)體積緊湊，經(jīng)該光學(xué)系統(tǒng)形成的聚焦光斑能量分布均勻，提高了熔覆均勻性。另外，本實(shí)用新型還提供了一種激光熔覆設(shè)備。
文檔編號(hào)G02B6/43GK203012192SQ201220722018
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者扈金富, 余勤躍 申請(qǐng)人:溫州泛波激光有限公司