[发明专利]高功率激光束展宽装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工及光电子应用领域，特别涉及一种高功率激光束展宽装置及方法。

背景技术

将原始大功率激光光束聚焦后可以形成高能量密度的激光聚焦点，将该具有高能量密度的聚焦点作用于金属材料表面，可以对金属材料表面进行处理，如：金属表面的熔敷、热处理等，使其金属表面形成一种特殊的表面层，以增强金属材料表面的耐磨性、抗腐蚀性、抗疲劳性、耐热性及抗蠕变性等特征。采用激光进行材料表面热处理的优点主要包括：处理速度快、被处理件的热变形区小、可实现选择性地局部处理、加工柔性好，适用面广、可处理不规则形状部件及难以到达的区域。采用激光进行热处理的部件如：活塞环槽、计量器滑块、气缸套、齿轮、汽轮机叶片、照相机快门、油泵气缸、内燃机阀和轴承等。

利用激光进行材料表面热处理时，往往要求激光束的宽度与被处理工件匹配，这样可以避免热处理时出现热处理带之间的搭接，实现热处理厚度的均匀性。通过经特殊设计的导光装置，可以方便地实现对激光束传输方向的控制，以实现高度柔性的激光加工。利用激光束的这一特性，可以实现激光束的宽带扫描。例如专利“一种激光宽带扫描转镜”(专利号ZL02245662.7)描述了一种利用激光转镜将激光束展宽成一定宽度的带状光束的装置。与普通激光束处理相比，宽带扫描可使温度分布更均匀，因此热处理引起的变形更小，下一道对前一道热影响的百分比也减小。该装置已被应用于激光宽带热处理和熔敷，证明是一种有效的方法。但这种装置的激光束扫描宽度受到其复杂光路设计的限制，只能在有限的范围内实现激光束的展宽，例如目前可调节的激光扫描宽度仅为20-40mm。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足和缺陷，提供一种能够在更宽的范围(20～500mm)内对高功率激光束进行展宽，并且展宽宽度连续可控的高功率激光束展宽装置及方法。

本发明的技术方案是：本发明首先提供一种高功率激光束展宽装置，它包括连续激光器、扇形反射聚焦镜、多棱镜及驱动多棱镜旋转的高速电机；所述多棱镜与扇形反射聚焦镜相对放置，并且所述连续激光器发出的激光束在多棱镜上的反射点C与所述扇形反射聚焦镜的回转中心O同心。

本发明中对所述扇形反射聚焦镜的形状进一步限定如下：

该扇形反射聚焦镜的反射面弧线AB上的任意点在平面直角坐标系中满足下述公式：

-y+5f/2＝x²/2f，而扇形反射聚焦镜反射面上的任意点在空间直角坐标系中满足下述公式：

-y2+z2+5f/2=x2/2f,]]>其中f为扇形反射聚焦镜的焦距。

本发明中所述f的取值为50～500mm。

本发明中所述多棱镜可以是柱面体棱镜，当然也可以是锥面体棱镜。

本发明中所述多棱镜为的面数N＝8～60，且其每个反射面均为全反射面。

本发明中所述多棱镜由紫铜制成，且其反射面上优选镀有一层金膜，以进一步提高光反射率并防止表面氧化。

本发明所述的高功率激光束展宽装置还包括制冷循环系统，所述多棱镜中开有冷却通道，所述冷却通道与所述制冷循环系统相连。通过制冷循环系统将冷却水输送并通过所述冷却通道，从而将多棱镜上的热量带走，以防止多棱镜过热损坏。

本发明另一方面提供一种采用上述高功率激光束展宽装置对高功率激光束进行展宽的方法如下：使连续激光器输出的连续激光束经过高速旋转的多棱镜反射后形成具有一定扫描角度α的扇形区域内的连续扫描光束，该扫描光束经过扇形反射聚焦镜反射聚焦后，在被处理工件表面形成连续的弧形扫描聚焦光带，对工件进行激光表面热处理。

本发明的优点是：

本发明与现有技术相比，主要具有以下优点：

(1)可以在宽范围内(20～500mm)实现对高功率激光束进行展宽，且光束展宽的宽度可任意设定。

(2)采用的扇形反射聚焦镜，将扇形区域内的连续扫描光束聚焦成一弧形扫描聚焦光带，可使激光表面热处理的效果更加均匀。