[发明专利]一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统

说明书

技术领域：

本发明涉及一种针对大范围功率、大范围激光器的基于单振镜匀速扫描的光路系统，尤其涉及一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统。

背景技术：

在激光加工行业中，激光淬火利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层；激光熔覆通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层；激光清洗是对材料表面实行高效、快捷的清除锈蚀、污染物，起到净化表面的作用。

上述三种激光工艺，特别是激光淬火与激光熔覆，往往需要对材料表面进行均匀加热，以满足加工需求，常用的有离焦法、积分聚焦法与振动法。

离焦法是通过采用聚焦光斑离焦段对材料进行较均匀加热，但这比较依赖于激光器输出光束模式，且对于各种面积激光淬火或熔覆甚至清洗等，速度都相对较慢。

积分聚焦法有反射式与透射式两种，反射式镜片典型的以KUGLER积分镜为代表，透射式常采用透镜阵列等非常规镜片对光束整形，要进行大面积的激光加工，积分光斑越长，意味着能量越分散，同样不适用于高速大面积的激光淬火/熔覆。

振动法一般是基于双片振镜扫描，对聚焦光束方向进行转折，在振镜旋转满足一定关系条件下，获得能量分布高且较均匀的线条光斑，同时给定一定的线光斑与材料的相对速度，可实现较大面积的激光加工。缺点是，聚焦光束在振镜旋转过程中并不以同一角度入射到材料表面，同时聚焦点并不在同一平面上，一定程度上限制了线条光斑上限长度。另外，往往需要两片振镜旋转偏角配合，来获得线条光斑，光路运作上相对复杂。

为了克服以上现有问题，降低光学上的因素对激光加工处理的影响，同时考虑到振镜扫描可获得一定范围内任意长度的均匀能量分布线条形光斑，可满足目前高速激光淬火、激光熔覆与激光清洗，也能实现较大面积的上述激光加工，本人设计了一种基于单振镜扫描均匀线光斑光路结构，在振镜匀速旋转时聚焦光束传输方向一致且聚焦光斑基本在同一平面上，可获得更大上限长度、宽度一致的均匀能量分布线光斑，同时由于聚焦镜焦距较长，使得聚焦光束焦深较大，适用于更大范围的平面及三维激光淬火、激光熔覆以及激光清洗。

发明内容：

为了克服现有激光淬火、激光熔覆及激光清洗光路在运作速度上较慢或由于光路自身问题致使无法进行更大面积、更高效的激光加工，同时结合振镜扫描系统可获得一定范围内任意长度线条光斑这一优势，本发明提供了一种可获得一定范围内任意长度均匀线条光斑的同时，实现了更长上限的线条光斑，满足光学上聚焦光束传输方向一致、聚焦光斑位置基本相同，且线条光斑在长向能量分布均匀，宽度一致的技术方案：

一种基于单振镜匀速扫描的均匀线光斑光路系统，可获得上百毫米范围内任意长度的均匀能量分布的线光斑光路结构，由离轴抛物镜、旋转振镜、斜平面反射镜、斜球面反射镜组成，离轴抛物镜、旋转振镜、斜平面反射镜、斜球面反射镜中心位于一直线上，离轴抛物镜的平面紧邻激光器的出光口，旋转振镜位于离轴抛物镜一侧，斜平面反射镜位于聚焦焦点处，斜球面反射镜位于旋转振镜与斜平面反射镜之间。

作为优选，准分子激光出口发射的激光束经过离轴抛物镜准直、旋转振镜反射，聚焦于斜球面反射镜焦距之前，使其到达斜球面反射镜焦距位置时发散为线光斑。

作为优选，旋转振镜正反匀速旋转，旋转角取决于需求的线光斑长度，转速变化决定能量分布均匀性。

作为优选，斜平面反射镜光束反射角4°—5°，偏转角为8°—10°，斜球面反射镜光束偏转角与斜平面反射镜一致。

作为优选，斜平面反射镜包括类平面基底以及安装在基底上的多个平面反射镜，各平面反射镜相对于类平面基底分别劝一定的倾斜方向和角度，类平面基底的底面为平面，用于安装平面反射镜的安装面具有多个倾斜凸块组成的陈列，各倾斜凸块的倾斜面的倾斜方向和角度分别与各平面反射镜的倾斜方向和角度相适配。

作为优选，形成线光斑主要包括以下步骤：

A、出射发散光经过所述离轴抛物镜准直，获得准直光束；

B、准直光束经过所述旋转振镜，通过匀速旋转振镜2，可得到匀速旋转的反射准直光，进而形成扇形扫描准直光束；

C、扫描准直光束再经过所述斜平面反射镜，改变准直光束传输方向，形成折叠光路，同时保留光束扫描角；

D、最后经过具有一定倾斜角的大曲率半径球面反射镜聚焦，获得聚焦光束传输方向一致、聚焦光斑位置基本相同的线光斑。

本发明的有益效果在于：