專利名稱：焦斑寬度可調(diào)的激光束處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種焦斑寬度可調(diào)的激光束處理裝置。適用于激光熱處理、激光涂敷等激光加工，尤其適用于高功率氣體激光束的激光加工。
已有技術(shù)中，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的一種組合式寬帶激光束處理裝置是由一塊平面反射鏡1、三塊長(zhǎng)條平面反射鏡3、4、5組成的積分鏡和一塊柱面聚焦反射鏡6構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)，其積分鏡和柱面聚焦反射鏡6置于導(dǎo)光頭2之內(nèi)。它的原理是將多模矩形激光束(截面)分割后重新迭加得到一均勻強(qiáng)度分布的長(zhǎng)線條(寬帶)聚焦激光光斑，見(jiàn)圖1。這種裝置在實(shí)際應(yīng)用中，主要存在以下缺點(diǎn)1.很難和激光器的輸出光束匹配，因而限制了它的廣泛應(yīng)用。從圖1和圖2可見(jiàn)，只有當(dāng)激光束正好充滿裝置的三塊反射鏡組成的積分鏡時(shí)，得到的線聚焦光斑能量分布是均勻的，見(jiàn)圖2(a)；若激光束偏離或激光束截面小于積分鏡的尺寸，則造成聚焦光斑的能量分布不均勻，見(jiàn)圖2(b)、(c)。實(shí)際上激光束的截面尺寸在任一位置是很難完全符合該裝置要求的。因?yàn)榧す馄鬏敵龉馐墓獍叱叽缡鞘艿郊す馄鞯那唤Y(jié)構(gòu)、工作氣壓、輸出功率的影響，特別是輸出功率不同，其光斑尺寸也不同，這樣就會(huì)影響到激光加工的質(zhì)量。
2.積分鏡的尺寸決定了聚焦光斑的寬度，是不可變化的。
3.因積分鏡是由三塊反射鏡3、4、5組成的，因此裝配要求精度高，調(diào)整需要用He－Ne激光擴(kuò)束裝置仔細(xì)調(diào)整，任何一塊鏡子變動(dòng)都會(huì)引起光束分布不均勻。
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種激光束處理裝置，能夠克服已有技術(shù)中所述的激光束處理裝置的不足，該裝置所獲得的焦斑寬度應(yīng)該可以連續(xù)調(diào)節(jié)，光強(qiáng)分布均勻，光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)整容易特點(diǎn)。


圖1是已有技術(shù)中組合式寬帶激光束處理裝置的光學(xué)系統(tǒng)示意圖；圖2是圖1裝置在入射光截面尺寸不同下得到的焦斑能量分布圖；圖3是本實(shí)用新型的焦斑寬度可調(diào)的激光束處理裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型含有平面反射鏡10的導(dǎo)光頭2結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實(shí)用新型不含有平面反射鏡10的導(dǎo)光頭2結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本實(shí)用新型應(yīng)用于實(shí)施例的部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
本實(shí)用新型的焦斑寬度可調(diào)的激光束處理裝置由導(dǎo)光收束頭7和一端(上端)與導(dǎo)光收束頭7連接，另一端(下端)連接著導(dǎo)光頭2的導(dǎo)光筒9三部分構(gòu)成。如圖3所示。
所說(shuō)的導(dǎo)光收束頭7內(nèi)裝有一塊長(zhǎng)焦距柱面聚焦反射鏡8，此鏡面與入射光束為45°夾角置放，且柱面聚焦反射鏡8的焦斑長(zhǎng)度方向是平面座標(biāo)的x方向(由于柱面聚焦反射鏡的焦斑是帶狀的或是線狀的，因此通常稱其焦斑為焦線)，對(duì)于用在高功率激光器上時(shí)柱面聚焦反射鏡8需加水冷卻。
所說(shuō)的導(dǎo)光頭2是由一塊平面反射鏡10和一塊聚焦柱面反射鏡11以及一個(gè)帶有防塵罩和有固定兩反射鏡的水冷鏡座13的密封殼體12所構(gòu)成，在密封殼體12上或?qū)Ч忸^的底部開(kāi)有光束輸出窗口15，窗口15外固定有氣嘴14，如圖4所示。
所說(shuō)的平面反射鏡10和聚焦柱面反射鏡11被分別固定在密封殼體12內(nèi)的水冷鏡座13上，其平面反射鏡10、聚焦柱面反射鏡11和導(dǎo)光頭2的光束入射口中心，即導(dǎo)光筒9與導(dǎo)光頭2的連接處的中心，以及光束輸出窗口15中心在同一光軸上，且互不擋光，聚焦柱面反射鏡11的焦點(diǎn)應(yīng)位于導(dǎo)光頭2的輸出窗口15外。
所說(shuō)的導(dǎo)光頭2是與導(dǎo)光筒9相連接，而導(dǎo)光筒9是可以上、下升降，而且導(dǎo)光筒9升降時(shí)，其機(jī)械軸和光軸不變，所以導(dǎo)光頭2也隨導(dǎo)光筒9上下升降而光路保持不變。置于導(dǎo)光頭2內(nèi)的柱面反射鏡11所聚焦的焦斑長(zhǎng)度方向是平面座標(biāo)中的y方向，因此，它的焦線與柱面聚焦反射鏡8的焦線是互相垂直的。
上述的導(dǎo)光頭2內(nèi)是一塊平面反射鏡10和一塊聚焦柱面反射鏡11組成的光學(xué)系統(tǒng)，也可以將平面反射鏡10去掉，只有一塊聚焦柱面反射鏡11直接放在正對(duì)著柱面聚焦反射鏡8的光路中，且入射光與聚焦柱面反射鏡11的鏡面成45°夾角，則反射聚焦光束與導(dǎo)光筒9的光軸互相垂直，如圖5所示。
本實(shí)用新型裝置在光束輸出窗口15外焦點(diǎn)處得到聚焦光斑線寬度l應(yīng)滿足l＝ (a(F－L))/(F) F＞L其中a是入射激光束在柱面聚焦反射鏡8面上的y方向的尺寸，F(xiàn)為柱面聚焦反射鏡8的焦距，L是柱面聚焦反射鏡8到導(dǎo)光頭2光束輸出窗口15外焦點(diǎn)處的光程。
本實(shí)用新型與已有技術(shù)的寬帶激光束處理裝置比較，具有下列優(yōu)點(diǎn)1.入射激光束的光斑尺寸變化，不影響焦斑上能量分布的均勻性；2.通過(guò)升降導(dǎo)光頭2、改變兩柱面聚焦反射鏡8和11的相對(duì)距離，可連續(xù)調(diào)節(jié)聚焦焦斑的寬度；3.用一長(zhǎng)焦距柱面聚焦反射鏡8取代積分鏡，簡(jiǎn)化了導(dǎo)光頭2的結(jié)構(gòu)，安裝調(diào)整容易；4.導(dǎo)光頭稍作變化，將聚焦柱面反射鏡11直接置于光路中，作45°反射，如圖5所示的導(dǎo)光頭2則聚焦光束可處理圓柱面工件。
實(shí)施例如圖3所示的結(jié)構(gòu)，用于高功率多模輸出的CO2激光熱處理上，如圖6所示，長(zhǎng)焦距的柱面聚焦反射鏡8放置在導(dǎo)光收束頭7內(nèi)的與入射光束成45°轉(zhuǎn)角鏡座上，將入射激光束通過(guò)導(dǎo)光筒9反射到下方導(dǎo)光頭2內(nèi)的平面反射鏡10上，柱面反射鏡8的焦距為2M，激光束再通過(guò)反射鏡10反射到聚焦柱面反射鏡11后聚焦在輸出窗口15外，聚焦柱面反射鏡11的焦距為15cm，當(dāng)被處理的工件放在聚焦柱面反射鏡11的焦點(diǎn)處，移動(dòng)工作臺(tái)16便可得到被激光束處理過(guò)的工件。本實(shí)施例的導(dǎo)光筒9升降范圍30cm，當(dāng)入射到柱面反射鏡8上的激光束截面尺寸為24×28mm2(y方向×x方向)，在導(dǎo)光頭2輸出窗口15外焦點(diǎn)上的焦斑寬度l變化范圍從9至13mm。
本實(shí)用新型可處理平面工件，也可處理圓柱形內(nèi)壁或外壁工件，換上如圖5所示的導(dǎo)光頭2即可。
本實(shí)用新型聚焦焦距能量分布不受入射光束尺寸的影響，并且可以連續(xù)調(diào)節(jié)焦斑線寬是其突出優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求1.一種焦斑寬度可調(diào)的激光束處理裝置，其特征在于一可以升降的導(dǎo)光筒(9)一端連接著導(dǎo)光收束頭(7)，另一端連接有導(dǎo)光頭(2)，導(dǎo)光收束頭(7)內(nèi)置有一長(zhǎng)焦距的反射面與入射光束成45°角的聚焦焦斑長(zhǎng)度方向?yàn)閤方向的柱面聚焦反射鏡(8)，導(dǎo)光頭(2)的外殼是帶有防塵罩和帶有固定反射鏡的水冷鏡座(13)的密封殼體(12)，密封殼體(12)上有光束輸出窗口(15)，輸出窗口(15)外有氣嘴(14)，在密封殼體(12)內(nèi)水冷鏡座(13)上置有一與柱面聚焦反射鏡(8)同光軸的聚焦柱面反射鏡(11)，聚焦柱面反射鏡(11)的焦點(diǎn)位于輸出窗口(15)外，并焦斑長(zhǎng)度方向是y方向的。
2.依照權(quán)利要求1所述的一種焦斑寬度可調(diào)的激光束處理裝置，其特征在于導(dǎo)光頭(2)的密封殼體(12)內(nèi)水冷鏡座(13)上或者有一與柱面聚焦反射鏡(8)和聚焦柱面反射鏡(11)同光軸的平面反射鏡(10)，或者沒(méi)有平面反射鏡(10)。
專利摘要本實(shí)用新型是一種焦斑寬度可調(diào)的激光束處理裝置，主要用于激光熱處理或激光涂敷等激光加工。尤其適用于高功率氣體激光束的激光加工。主要由可以升降的導(dǎo)光筒，一端連接內(nèi)部含有焦斑長(zhǎng)度沿X方向的長(zhǎng)焦距的柱面聚焦反射鏡，另一端連接有密封殼體內(nèi)水冷鏡座上置一焦斑長(zhǎng)度沿Y方向的聚焦柱面反射鏡的導(dǎo)光頭所構(gòu)成。該新型裝置具有焦斑長(zhǎng)度可調(diào)、光強(qiáng)分布均勻，安裝調(diào)正方便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C21D1/09GK2181106SQ9322674
公開(kāi)日1994年10月26日 申請(qǐng)日期1993年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月21日
發(fā)明者歸振興, 沈俊泉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所