[发明专利]一种基于多面棱镜超高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多面棱镜超高匀速扫描的光路系统，尤其涉及一种基于多面棱镜超高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、振动法与积分聚焦法。

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，且对于大面积激光淬火或熔覆甚至清洗等，速度相对较慢。

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，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，同时电机带动转速有限并需正反转，无法实现超高速稳定的激光加工过程。

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。

为了克服以上现有问题，同时考虑到激光淬火重复叠加过度时间长而冷却时间极短出现软化层现象，降低硬化质量。本人利用多面棱镜扫描特点，结合目前气浮高速主轴电机稳定转数高达200000RPM以上，设计出一种基于多面棱镜超高匀速扫描的光路系统，可获得上百毫米以上均匀能量分布的扫描线条光斑，适用于大面积激光淬火、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无法有效进行大面积高速度加工，同时考虑到激光淬火特性，本发明提供了一种能够获得上百毫米以上均匀能量分布的扫描线条光斑，适用于大面积激光淬火、激光熔覆以及激光清洗的技术方案：

一种基于多面棱镜超高匀速扫描的均匀线光斑光路系统，所有镜片均为反射式镜片，光路结构以非镀膜反射镜为参考基准，分别为离轴抛物准直镜、离轴抛物柱面镜、斜多面棱镜、斜柱面抛物镜与离轴抛物柱面镜，离轴抛物镜、离轴抛物柱面镜以及斜多面棱镜的光束中心在同一平面上，离轴抛物柱面镜聚焦后的光束传输方向与多面棱镜中心轴垂直共面，斜柱面抛物镜与离轴抛物柱面镜的光束中心在同一平面上；斜多面棱镜单面与其中心轴夹角为4°—5°，斜柱面抛物镜光束偏转角与斜多面棱镜相一致，且利用了抛物面对发散光的准直特性，获得传输方向相同的准直光束群，斜多面棱镜扫描范围及与斜柱面抛物镜间距决定斜柱面抛物镜长度，宽度取决于斜多面棱镜反射后光斑尺寸，斜柱面抛物镜抛物结构方向参数取决于准直光斑方向与特性；离轴抛物柱面镜单向聚焦，形成线光斑，斜多面棱镜匀速旋转时，实现聚焦光束传输方向基本一致，聚焦位置共面，可获得均匀能量分布的长线条光斑；离轴聚焦镜采用90°光束偏转角镜片；斜柱面抛物镜为双向结构，长向为抛物结构，宽向为斜线结构。

作为优选，形成长线条光斑主要包括以下步骤：

A、出射发散光经过离轴抛物镜准直，获得准直光束；

B、准直光束经过离轴抛物柱面镜，聚焦成线光斑；

C、聚焦线光束入射到斜多面棱镜，需要满足线光斑横截面长条方向与斜多面棱镜中心轴平行，聚焦线光斑基本落在斜多面棱镜表面，经过斜多面棱镜反射后的聚焦光束呈现单向发散性，在旋转斜多面棱镜的前提下，出现反射后的聚焦光束扫描成扇形状且斜向传输；

D、扇形光束经过斜柱面抛物镜单方向准直，实现扫描过程中光束传输方向一致且均准直的光束；

E、最后由离轴抛物柱面镜聚焦，获得单向聚焦线光斑扫描的直线度极好的长条线光斑。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明获得聚焦光束传输方向一致、聚焦位置共面的超高匀速长条形线光斑，能量分布基本均匀，既可提高扫描周期重复性以改善乃至消除光束重叠后激光淬火软化层问题，又能大面积高速对材料进行处理，可适用于激光淬火、激光熔覆以及激光清洗。根据最后一片离轴抛物柱面镜焦距不同，能够实现不同焦深的线光斑，不仅可用于二维激光加工，还可以用于一般的三维加工。