CN101770076B - 一种激光聚焦的实现方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光聚焦的实现方法，利用反射镜的反射和聚焦镜的聚焦，把激光光束的光斑以圆环为单位沿径向方向进行内外位置的调换并聚焦，其特征在于，包括下列步骤：将激光束反射成倒圆锥环形光束；将倒圆锥环形光束变换成环形光束；将环形光束聚焦，形成环锥形光束，并在环锥形光束中间形成一个圆锥中空无光区，得到一个中空环形光的聚焦光斑。本发明解决了现有技术中激光聚焦存在的不足，得到了强光包围弱光、能量分布趋于均匀且梯度较小的聚焦光斑，进而提高了加工的效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种激光聚焦的实现方法及装置。
背景技术
目前的现代化生产中，激光加工制造科学与技术，是利用聚焦高能激光束进行高性能金属零部件特种加工、高性能材料制备及高性能零部件直接成形制造的一门新兴的多科学交叉工程科学技术，是先进制造技术的重要组成部分，是该学科领域中的国际前沿研究方向。
激光加工技术的原理是：在很小的区域内瞬间进行光能与热能的转换，完成材料的快速冶金过程。在这个技术中，有一个关键的技术，即激光束的聚焦技术。激光器发出的激光束，直径很大，功率密度远远低于加工时所需的功率密度，必须利用激光聚焦系统对激光束进行聚焦才能获得所需的光斑大小和功率密度，得到所需的聚焦光斑后，才能进行熔覆、切割、焊接等激光加工。
在激光加工中，聚焦光斑必须按预定轨迹进行二维或者三维的运动，例如，在激光熔覆堆积中，聚焦光斑在运动的同时，送料被不断实时添加到移动的有限尺寸的激光聚焦光斑中实现熔覆并在聚焦光斑的运动轨迹上形成一条条熔道，而这一条条熔道本身及各熔道之间的连接质量，如熔道间的冶金结合质量，组织的均匀性和致密性，熔道与熔道间的平整、光滑、粗糙度等，取决于光源质量和参数、加工工艺参数、基体与粉末的参数等，其中，在很多情况下相邻熔道之间注入的能量不足是造成熔道之间的结合质量和几何质量不高的重要原因之一。
聚焦系统的好坏直接影响着成形件的质量。聚焦形式主要有两种：透射式聚焦和反射式聚焦。目前，透射式聚焦加工如日本专利JP2008056583，对激光束直接用透镜聚焦进行激光切割，反射式聚焦如中国专利200610116413.1公开的激光加工成形制造光内送粉工艺与光内送粉喷头，实现了聚焦激光束与送料的完全同轴。但现有的激光聚焦系统都是直接将激光光束聚焦成光斑，并没有考虑光斑能量分布不均的问题。对于通常使用的呈高斯分布的激光束而言，这些聚焦系统形成的光斑存在以下缺点：
(1)由于激光光束能量中间高、周围低，而经过聚焦后，加剧了这种能量分布不均的问题，于是得到的聚焦的光斑中间能量密度更高，周围能量密度低，成高斯分布，光斑能量密度梯度很大，是一个弱光包围强光的聚焦光斑。
(2)在加工时，由于光斑周围与基体接触面积大，大部分能量被基体传导吸收，而聚焦光斑本身是弱光包围强光，周围能量密度低，这样整个熔池的温度梯度悬殊很严重，造成熔池周围的能量不足。
由上述可知，现有的激光聚焦形成的光斑是弱光包围强光，光斑周围能量不足且能量密度梯度较大，导致加工时内部能量充足，成型质量好，而外部能量不足，造成外部成型质量不好，整个成形件精度较低。
发明内容
本发明目的是提供一种激光聚焦的实现方法及装置，解决了现有激光聚焦技术中存在的不足。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光聚焦的实现方法，利用反射镜的反射和聚焦镜的聚焦，把激光光束的光斑以圆环为单位沿径向方向进行内外位置的调换并聚焦，包括下列步骤：
(1)将激光束反射成倒圆锥环形光束；
(2)将倒圆锥环形光束变换成环形光束；
(3)将环形光束聚焦，形成环锥形光束，并在环锥形光束中间形成一个圆锥中空无光区，得到一个中空环形光的聚焦光斑。
应用上述激光聚焦的实现方法的装置，包括平行设置的第一圆锥反射镜及抛物面反射镜，位于所述抛物面反射镜内侧同轴上设有第二圆锥反射镜，所述第二圆锥反射镜与所述第一圆锥反射镜顶尖相对且底面相互平行，所述第二圆锥反射镜内部中空构成激光束的入射口。
上述技术方案中，本发明采用两个圆锥反射镜和一个抛物面反射镜，整体聚焦装置的结构为环绕对称结构，三个反射镜同轴，抛物面反射镜在最外面包围两个圆锥反射镜，在整体结构上保证了聚焦光斑的圆对称性。第一圆锥反射镜和第二圆锥反射镜顶尖相对且底面相互平行，第二圆锥反射镜为中空结构，在第一圆锥的上方及反射光路上布置，其中第二圆锥反射镜的中空部分构成激光束入射口。激光束沿着与这个环绕对称结构同轴方向入社，穿过第二圆锥反射镜的中空部分照射在第一圆锥反射镜上，经反射后形成倒圆锥环形光，倒圆锥环形光又经过第二圆锥反射镜反射后形成环形光束，此时原激光束中间能量高的光束处于环形光束的下方，而周围能量低的光束处于环形光束的上方。环形光束到达最外面的抛物面反射镜后，进行反射聚焦，环形光束上方能量低的光束聚焦成光斑的中心，而环形光束下方能量高的光束聚焦成光斑的外部，形成具有圆锥中空无光区且强光包围弱光的中空环形光斑。激光束经过这三级反射聚焦后，激光束的光斑以圆环为单位在径向了进行了转换，外侧的光斑聚焦到里面，中间的光成为聚焦光斑的最外围，这样就形成了强光包围弱光的光斑，光斑的能量分布趋于均匀，梯度变小。
进一步的技术方案，所述第二圆锥反射镜与所述第一圆锥反射镜顶尖相对且底面相互平行，所述第二圆锥反射镜与所述第一圆锥反射镜的内角和为45°。第一圆锥反射镜和第二圆锥反射镜都只是反射镜，只具有反射作用，最终起到聚焦作用的是抛物面反射镜，为了得到最好的聚焦效果，要求激光束经过第一及第二圆锥反射镜后得到的环形光束要沿抛物面的轴线方向传播，为了达到这一要求，第一圆锥反射镜与第二圆锥反射镜的内角和要求为45°。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明通过在抛物面反射镜内侧同轴上设有第二圆锥反射镜，所述第二圆锥反射镜与所述第一圆锥反射镜顶尖相对且底面相互平行，所述第二圆锥反射镜内部中空构成激光束的入射口，从而可以聚焦的同时，使得激光束内外进行调换，得到强光包围弱光、能量分布趋于均匀且梯度较小的聚焦光斑；
2.本发明的聚焦光斑是强光包围弱光，且光斑能量梯度较小，使得加工的效果较之以往更好；
3.本发明只需要增设一个第二圆锥反射镜，无须对现在的激光聚焦装置进行大规模改进；
4.本发明操作方便，成本低廉，且易于实现，适合推广使用。
附图说明
图1为本发明实施例一中激光聚焦装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一中第一圆锥反射镜与第二圆锥反射镜的示意图；
图3为本发明实施例一中激光束的光束转换示意图；
图4为本发明实施例一中激光束的能量分布转换示意图。
其中：1、第一圆锥反射镜；2、第二圆锥反射镜；3、抛物面反射镜；4、激光束。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：一种激光聚焦的实现方法，利用反射镜和聚焦镜的反射及聚焦原理，把激光光束的光斑以圆环为单位沿径向方向进行调换并聚焦，包括下列步骤：
(1)将激光束反射成倒圆锥环形光束；
(2)将倒圆锥环形光束变换成环形光束；
(3)将环形光束聚焦，形成环锥形光束，并在环锥形光束中间形成一个圆锥中空无光区，得到一个中空环形光的聚焦光斑。
参见图1所示，一种激光聚焦的装置，包括平行设置的第一圆锥反射镜1及抛物面反射镜3，位于所述抛物面反射镜3内侧同轴上设有第二圆锥反射镜2，所述第二圆锥反射镜2与所述第一圆锥反射镜1顶尖相对且底面相互平行，所述第二圆锥反射镜2与所述第一圆锥反射镜1的内角和为45°，所述第二圆锥反射镜2内部中空构成激光束4的入射口。
参见图2所示，第一圆锥反射镜1、第二圆锥反射镜2和抛物面反射镜3这三个反射镜与激光束4同轴布置，且第一圆锥反射镜1与第二圆锥反射镜2圆锥顶端相对放置，两个内角的和为45°。图中VABC和VKLI分别表示是第一级圆锥反射镜1和第二级圆锥反射镜2，FD和MG分别AB和LI的法线，GJ和KE分别是DG和IK的延长线，要保证经这两级反射镜反射后的激光HG水平，即HG∥IK∥BC，则∠JIG＝∠HGI，根据反射原理，入射角＝反射角，所以∠HGM＝∠DGM，可以得到90-∠HGM＝90-∠DGM，即∠HGI＝∠DGL＝∠JGI＝∠JIG，又由于∠KJD＝∠JIG+∠JGI，所以∠KJD＝2∠JIG，因为ED与BC垂直，FD与AB垂直，所以ED与FD的夹角和BC与AB得夹角相等，即∠EDF＝∠ABC，根据反射原理可得∠EDJ＝∠EDF+∠FDJ＝2∠EDF＝2∠ABC，在直角三角形V JDE中∠KJD+∠EDJ＝90°，即2∠JIG+2∠ABC＝90°，得到∠JIG+∠ABC＝45°，所以要获得水平的HG，必须保证第一级圆锥反射镜和第二级圆锥反射镜的内角和为45°。
激光束4从第二圆锥反射镜2中空部分穿过照射到第一圆锥反射镜1，经反射后，形成与原激光束成一定角度的倒圆锥中空光，然后倒圆锥中空光经第二圆锥反射镜2反射后，形成环形光束，而且这个环形光束的传播方向平行于抛物面反射镜3的轴线，所以环形光束再经过抛物面反射镜3反射聚焦，就形成了具有圆锥中空无光区且强光包围弱光的聚焦光路，在焦点处聚焦成激光光斑。如图3所示，激光束经过这三次反射聚焦后，激光束的光斑以圆环为单位在径向上进行了转换，原来激光束中心能量密度最高的光已经转换到激光聚焦光斑的外围，如图4所示，而原激光束外侧能量密度较低的光转换为激光聚焦光斑的中心，这样就形成了强光包围弱光、能量分布趋于均匀的聚焦光斑，大大改善了加工中光斑周围能量不足的现状，加工的成形件质量更好，精度更高。
Claims (2)
1.一种激光聚焦的装置，包括平行设置的第一圆锥反射镜(1)及抛物面反射镜(3)，其特征在于：位于所述抛物面反射镜(3)内侧同轴上设有第二圆锥反射镜(2)，所述第二圆锥反射镜(2)与所述第一圆锥反射镜(1)顶尖相对且底面相互平行，所述第二圆锥反射镜(2)内部中空构成激光束(4)的入射口，所述第二圆锥反射镜(2)与所述第一圆锥反射镜(1)的内角和为45°。
2.一种激光聚焦的实现方法，利用反射镜的反射和聚焦镜的聚焦，把激光光束的光斑以圆环为单位沿径向方向进行内外位置的调换并聚焦，其特征在于，采用权利要求1所述装置实现，包括下列步骤：
(1)由第一圆锥反射镜(1)将激光束反射成倒圆锥环形光束；
(2)由第二圆锥反射镜(2)将倒圆锥环形光束变换成环形光束；
(3)由抛物面反射镜(3)将环形光束聚焦，形成环锥形光束，并在环锥形光束中间形成一个圆锥中空无光区，得到一个中空环形光的聚焦光斑。
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