[发明专利]一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及连续激光打孔技术领域，具体为基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统。

背景技术

激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多种激光加工工艺，利用了激光与物质相互作用的基本特性。

当前工业激光加工以光纤激光加工与CO2激光加工为主，由于能量利用率与外观体积等差异，又以光纤输出类激光加工为首要。随着激光功率的提高，高功率激光焊接、熔覆、淬火等加工工艺也逐步得到更广泛的扩展与提升；同时，随着激光器的普及，激光器价格的降低，激光加工材料多样化越加丰富，覆盖了冶金、汽车、航空、船舶、烟草甚至是普通民间生活等诸多领域。

然而在激光加工中，材料本身属性决定了对不同波长激光的吸收特性。以光纤激光器而言，并不适用于一些非金属材料的加工，比如水松纸，通常采用连续CO2激光器进行打孔，因为水松纸对10.6um波长的光吸收率比对1.06um左右的光吸收率更高。在皮革、木材、亚克力、有机玻璃、水果等诸多非金属激光加工中，CO2激光器依旧有其独特的优势。

常规的CO2激光打孔，打孔速度往往在100孔/s量级，连续激光下的振镜打孔，速率也并不理想，对于一些打孔速度要求高的，比如水松纸打孔、水果打孔一般需要10000孔/s甚至100000孔/s量级，这是普通光路无法企及的。当下CO2非金属打孔较为经典的是水松纸打孔，但该方案仅适用于宽幅面数排密集打孔，并不适用于宽幅面密集激光打孔。

当下，振镜扫描以及多面棱镜的应用技术较为成熟，如棱镜的驱动电机采用气浮轴承进行配合安装，则可实现高度转动，给多面棱镜与振镜扫描结合密集打孔提供了坚实的依据。基于上述各点，设计出适用于中低功率CO2连续激光器高速密集打孔的光学系统尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于多面棱镜与振镜高速密集打孔光学系统，包括一次扩束组件、二次扩束组件以及反射打孔组件；

所述一次扩束组件包括负焦扩束镜、正焦扩束镜，负焦扩束镜倾斜设置，并与激光器输出的倾斜光束同轴；正焦扩束镜设在负焦扩束镜透射光侧的下方、并与负焦扩束镜的透射光光轴同轴设置；

所述二次扩束组件包括聚焦镜、棱镜、两片后扩束镜；所述聚焦镜同轴设在正焦扩束镜的透射光侧下方，所述棱镜纵向设置，棱镜上周向分布有分光棱面，棱镜通过电机带动转动；所述聚焦镜的焦点位于棱镜的分光棱面上；所述两片后扩束镜对称设在多面棱镜的上方，且两片后扩束镜的中心轴交点位于多面棱镜分光棱面上；

所述反射打孔组件为对称结构，包括四片反射镜、振镜以及f-θ镜；所述四片反射镜呈两组对称设置，其中一组的两片反射镜分别与两片后扩束镜的透射光束呈45度倾斜设置；

每组一侧的反射镜的反射光侧均设有振镜，振镜中心轴与对应反射镜反射光轴呈45度设置，振镜的下方设有所述的f-θ镜，f-θ镜水平设置、并聚焦振镜的反射扫描光束。

进一步的，所述负焦扩束镜、正焦扩束镜、聚焦镜、棱镜、后扩束镜、反射镜以及f-θ镜均为圆柱状。

进一步的，所述棱镜为正多边形柱状，驱动棱镜旋转的电机轴配合设在气浮轴承上，伸出气浮轴承的电机轴与棱镜固接。

进一步的，所述振镜的扫描频率为150-250Hz，棱镜的转速大于转速60000r/min。

进一步的，所述棱镜为轻质铝合金。

进一步的，所述振镜的电机轴垂直于对应反射镜的反射光轴。

本发明的有益效果是：

(1)、本发明采用多面棱镜与振镜高速扫描光学系统，基于多面棱镜超高速旋转分光特性，基于单振镜高速线性扫描特性，以及基于f-θ镜焦点共面特性，适用于中低功率CO2连续激光器高速密集打孔，尤其适用于对孔型圆度要求不高的密集激光打孔场合。

(2)、本发明采用双片式棱镜后聚焦镜，即双光路，其一是保证打孔速度与打孔幅面倍增，其二是不因分光路过多而导致光程差较大，引起打孔质量差异性较大，确保了打孔孔型与尺寸的基本一致性。

(3)、本发明的单振镜扫描实现线性扫描，扫描角±12.5°左右，单光路可实现宽幅扫描打孔，f-θ镜则确保扫描光斑大小一致性与焦点共面，在振镜以同等角速度摆角时，f-θ镜还确保各孔间距的基本一致性。