一種基于多面棱鏡超高勻速掃描的均勻線光斑光路系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種針對(duì)大范圍功率、大范圍激光器的基于多面棱鏡超高勻速掃描的光路系統(tǒng)，尤其涉及一種基于多面棱鏡超高勻速掃描的均勻線光斑光路系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
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[0002]在激光加工行業(yè)中，激光淬火利用聚焦后的激光束快速加熱鋼鐵材料表面，使其發(fā)生相變，形成馬氏體淬硬層；激光熔覆通過(guò)在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝，在基層表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層；激光清洗是對(duì)材料表面實(shí)行高效、快捷的清除銹蝕、污染物，起到凈化表面的作用。
[0003]上述三種激光工藝，特別是激光淬火與激光熔覆，往往需要對(duì)材料表面進(jìn)行均勻加熱，以滿足加工需求，常用的有離焦法、振動(dòng)法與積分聚焦法。
[0004]離焦法是通過(guò)采用聚焦光斑離焦段對(duì)材料進(jìn)行較均勻加熱，但這比較依賴于激光器輸出光束模式，且對(duì)于大面積激光淬火或熔覆甚至清洗等，速度相對(duì)較慢。
[0005]振動(dòng)法一般是基于雙片振鏡掃描，對(duì)聚焦光束方向進(jìn)行轉(zhuǎn)折，在振鏡旋轉(zhuǎn)滿足一定關(guān)系條件下，獲得能量分布高且較均勻的線條光斑，同時(shí)給定一定的線光斑與材料的相對(duì)速度，實(shí)現(xiàn)較大面積的激光加工，缺點(diǎn)是，聚焦光束在振鏡旋轉(zhuǎn)過(guò)程中并不以同一角度入射到材料表面，同時(shí)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)速有限并需正反轉(zhuǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超高速穩(wěn)定的激光加工過(guò)程。
[0006]積分聚焦法有反射式與透射式兩種，反射式鏡片典型的以KUGLER積分鏡為代表，透射式常采用透鏡陣列等非常規(guī)鏡片對(duì)光束整形，要進(jìn)行大面積的激光加工，積分光斑越長(zhǎng)，意味著能量越分散，同樣不適用于高速大面積的激光淬火/熔覆。
[0007]為了克服以上現(xiàn)有問(wèn)題，同時(shí)考慮到激光淬火重復(fù)疊加過(guò)度時(shí)間長(zhǎng)而冷卻時(shí)間極短出現(xiàn)軟化層現(xiàn)象，降低硬化質(zhì)量。本人利用多面棱鏡掃描特點(diǎn)，結(jié)合目前氣浮高速主軸電機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)數(shù)高達(dá)200000RPM以上，設(shè)計(jì)出一種基于多面棱鏡超高勻速掃描的光路系統(tǒng)，可獲得上百毫米以上均勻能量分布的掃描線條光斑，適用于大面積激光淬火、激光熔覆以及激光清洗。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0008]為了克服現(xiàn)有激光淬火、激光熔覆及激光清洗光路無(wú)法有效進(jìn)行大面積高速度加工，同時(shí)考慮到激光淬火特性，本發(fā)明提供了一種能夠獲得上百毫米以上均勻能量分布的掃描線條光斑，適用于大面積激光淬火、激光熔覆以及激光清洗的技術(shù)方案:
[0009]—種基于多面棱鏡超高勾速掃描的均勾線光斑光路系統(tǒng)，所有鏡片均為反射式鏡片，光路結(jié)構(gòu)以非鍍膜反射鏡為參考基準(zhǔn)，分別為離軸拋物準(zhǔn)直鏡、離軸拋物柱面鏡、斜多面棱鏡、斜柱面拋物鏡與離軸拋物柱面鏡，離軸拋物鏡、離軸拋物柱面鏡以及斜多面棱鏡的光束中心在同一平面上，離軸拋物柱面鏡聚焦后的光束傳輸方向與多面棱鏡中心軸垂直共面，斜柱面拋物鏡與離軸拋物柱面鏡的光束中心在同一平面上。
[0010]作為優(yōu)選，斜多面棱鏡單面與其中心軸夾角為4° —5°，斜柱面拋物鏡光束偏轉(zhuǎn)角與斜多面棱鏡相一致，且利用了拋物面對(duì)發(fā)散光的準(zhǔn)直特性，獲得傳輸方向相同的準(zhǔn)直光束群，斜多面棱鏡掃描范圍及與斜柱面拋物鏡間距決定斜柱面拋物鏡長(zhǎng)度，寬度取決于斜多面棱鏡反射后光斑尺寸，斜柱面拋物鏡拋物結(jié)構(gòu)方向參數(shù)取決于準(zhǔn)直光斑方向與特性。
[0011]作為優(yōu)選，離軸拋物柱面鏡單向聚焦，形成線光斑，斜多面棱鏡勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)聚焦光束傳輸方向基本一致，聚焦位置共面，可獲得均勻能量分布的長(zhǎng)線條光斑。
[0012]作為優(yōu)選，離軸聚焦鏡采用90°光束偏轉(zhuǎn)角鏡片。
[0013]作為優(yōu)選，斜柱面拋物鏡為雙向結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)向?yàn)閽佄锝Y(jié)構(gòu)，寬向?yàn)樾本€結(jié)構(gòu)。
[0014]作為優(yōu)選，形成長(zhǎng)線條光斑主要包括以下步驟:
[0015]A、出射發(fā)散光經(jīng)過(guò)離軸拋物鏡準(zhǔn)直，獲得準(zhǔn)直光束；
[0016]B、準(zhǔn)直光束經(jīng)過(guò)離軸拋物柱面鏡，聚焦成線光斑；
[0017]C、聚焦線光束入射到斜多面棱鏡，需要滿足線光斑橫截面長(zhǎng)條方向與斜多面棱鏡中心軸平行，聚焦線光斑基本落在斜多面棱鏡表面，經(jīng)過(guò)斜多面棱鏡反射后的聚焦光束呈現(xiàn)單向發(fā)散性，在旋轉(zhuǎn)斜多面棱鏡的前提下，出現(xiàn)反射后的聚焦光束掃描成扇形狀且斜向傳輸；
[0018]D、扇形光束經(jīng)過(guò)斜柱面拋物鏡單方向準(zhǔn)直，實(shí)現(xiàn)掃描過(guò)程中光束傳輸方向一致且均準(zhǔn)直的光束；
[0019]E、最后由離軸拋物柱面鏡聚焦，獲得單向聚焦線光斑掃描的直線度極好的長(zhǎng)條線光斑。
[0020]本發(fā)明的有益效果在于:
[0021](I)本發(fā)明獲得聚焦光束傳輸方向一致、聚焦位置共面的超高勻速長(zhǎng)條形線光斑，能量分布基本均勻，既可提高掃描周期重復(fù)性以改善乃至消除光束重疊后激光淬火軟化層問(wèn)題，又能大面積高速對(duì)材料進(jìn)行處理，可適用于激光淬火、激光熔覆以及激光清洗。根據(jù)最后一片離軸拋物柱面鏡焦距不同，能夠?qū)崿F(xiàn)不同焦深的線光斑，不僅可用于二維激光加工，還可以用于一般的三維加工。
[0022](2)本發(fā)明中離軸拋物柱面鏡單向聚焦目的在于高功率激光束聚焦后形成線條光斑，分散能量分布，有利于斜多面棱鏡的保護(hù)，同時(shí)不影響光束性能。
【附圖說(shuō)明】
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[0023]圖1是本發(fā)明的光路原理圖；
[0024]圖2是圖1原圖的后視圖；
[0025]圖3是圖1原圖的俯視圖；
[0026]圖4是圖1去光路鏡片結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖5是圖1中斜柱面拋物鏡的結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖6是圖1中斜柱面拋物鏡剖視圖；
[0029]圖7是圖1中離軸拋物柱面鏡的結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖8是圖1中離軸拋物柱面鏡主視圖；
[0031]圖9是圖1中離軸拋物柱面鏡側(cè)視圖?！揪唧w實(shí)施方式】:
[0032]為使本發(fā)明的發(fā)明目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0033]如圖1一9所示，一種基于多面棱鏡超高勻速掃描的均勻線光斑光路系統(tǒng)，所有鏡片均為反射式鏡片，光路結(jié)構(gòu)以非鍍膜反射鏡為參考基準(zhǔn)，分別為離軸拋物準(zhǔn)直鏡1、離軸拋物柱面鏡2、斜多面棱鏡3、斜柱面拋物鏡4與離軸拋物柱面鏡5，離軸拋物鏡1、離軸拋物柱面鏡2以及斜多面棱鏡3的光束中心在同一平面上，離軸拋物柱面鏡2聚焦后的光束傳輸方向與多面棱鏡3中心軸垂直共面，斜柱面拋物鏡與離軸拋物柱面鏡的光束中心在同一平面上，離軸拋物準(zhǔn)直鏡I根據(jù)激光器選定；離軸拋物柱面鏡2單向聚焦目的在于高功率激光束聚焦后形成線條光斑，分散能量分布，有利于斜多面棱鏡3的保護(hù)，同時(shí)不影響光束性能；斜多面棱鏡3光束偏轉(zhuǎn)角適中，保證光束性能，同時(shí)確保機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)順利進(jìn)行；斜柱面拋物鏡4光束偏轉(zhuǎn)角與斜多面棱鏡3相一致，利用了拋物面對(duì)發(fā)散光的準(zhǔn)直特性，獲得傳輸方向相同的準(zhǔn)直光束群；離軸拋物柱面鏡2單向聚焦，形成線光斑，斜多面棱鏡3勾速旋轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)聚焦光束傳輸方向基本一致，聚焦位置共面，可獲得均勻能量分布的長(zhǎng)線條光斑。
[0034]形成長(zhǎng)線條光斑主要包括以下步驟: