[发明专利]用于大功率激光处理的系统和方法

说明书

本申请要求2005年7月12日提交的美国临时专利申请号60/698,592和2006年3月7日提交的美国临时专利申请号60/779,780的优先权。

技术领域

本发明涉及激光处理系统，并尤其涉及用于大功率激光处理系统的光学元件。

背景技术

传统的市场上可买到的激光器的功率输出可以是数千瓦级。由于激光器具有低的总功率效率，所以它们被未转换成有效输出的输入功率加热。在10％的典型总效率的情况下，激光器内累积超大量的热，并且通常利用循环冷水、强制通风或它们的组合除去此热量。用于弯曲、聚焦和指引输出激光束的固定或半固定光学元件也被激光器的废热加热，但是更重要地被激光束本身照射。由于这些光学元件不能是完全透明的或具有很好的反射性，所以它们吸收很少量的激光功率并将其转换成额外的热，此热也必须被除去。谐振腔反射镜、折叠平板、准直望远镜等等通常是激光器封装的一部分，因此可容易地用该激光器使用的任何装置冷却。

但是，用于将激光束指引到通常被称为扫描头的工件上的系统常常在物理上远离激光器本身，并且甚至可表现为机械手末端的操纵装置的形式，或者动态连接到激光器本身。激光器和处理器之间的此远程和动态连接使得很难以使用激光器内置的相同冷却系统冷却扫描系统，而在扫描器的位置处设置等效冷却系统通常困难且昂贵。

扫描系统需要被冷却的原因如下。激光束照射通常包含一个或两个反射镜以及聚焦透镜的光学器件。尽管这些光学器件在热激光器环境之外，并且激光束在它们的位置处扩展从而减小激光束的功率密度，但是冲击反射镜的所有功率并未都被反射。少量的激光束功率、通常为0.3％-0.5％可用于加热每个反射镜。在激光束功率为6kW时，0.3％为30W，该功率如果被吸收则会将反射镜的大部分加热到会损坏反射镜的温度。

用于激光器本身的反射镜被固定在适当位置，因此可与激光器框架牢固地热接触，该框架如果被有源冷却则会提供通到有源冷却介质的具有低热阻的传导通路。另一方面，用于将激光束指引到工件的反射镜通常被支承在细长的致动器轴上，该致动器轴通常是旋转受限的力矩马达的轴。出于与马达本身对加热的影响的敏感性有关的原因，该轴故意用具有高热阻的材料例如不锈钢制成。结果，反射镜的唯一有效冷却机制是自然对流。

可示出，当周围空间例如为20℃并且平板例如为50℃时，平板的由自然对流导致的热损失大约是平板表面的6.6×10^-2W/cm^-2。此设定了在希望将平板即反射镜的温度保持为或低于50℃的情况下该平板可吸收的功率的上限。这通常是希望的，因为否则反射镜的外形可能会变化偏离理想外形，并且还因为连接到该反射镜的致动器的性能通常会因热而变差。

传统的设计激光处理反射镜的过程已经选择光束孔径，然后选择反射镜尺寸，该反射镜尺寸应大得足以产生适合于手边工作的焦斑大小。所需的最小光束直径为D＝(1.22λ)(F)/焦斑直径，其中F是透镜焦距而λ是激光波长。例如，在CO₂激光器的波长(10.6微米或1.06×10^-3cm)和20cm的焦距下，形成直径为1×10^-2cm的焦斑所需的最小孔径的直径为(1.22)(1.06×10^-3)(20)/(1×10^-2)＝2.59cm。设计成以45度的额定入射角操作并且允许围绕该通光孔径具有一些边界的具有此孔径的反射镜的面积为大约1.65D²，或者在此情况下为稍大于11cm²，并且在周围空气为20℃的情况下在温度为50℃时可耗散6.6×10^-2W/cm²×11cm²＝0.73W。(30℃的温升，并且绝对温度为50℃)。假设反射涂层反射光束的99.7％，此反射镜可用于大约0.73/0.003＝244W的光束功率，该光束功率直到最近才是足够的。但是，如前文所示，由于现在的激光束功率在千瓦的范围内，高达这种反射镜可吸收的允许热量的25倍，所以如果希望避免出现有源冷却可能导致的复杂性、花费以及系统恶化，则需要一种新的、更加高效的反射镜设计。我们将这种反射镜称为低吸收率反射镜。

因此，需要一种具有改进的激光处理性能而不依赖于有源冷却的经济和高效的大功率激光处理系统。

发明内容