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CN111420934A - 一种基于光束变换的激光清洗装置 - Google Patents

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CN111420934A
CN111420934A CN202010225387.6A CN202010225387A CN111420934A CN 111420934 A CN111420934 A CN 111420934A CN 202010225387 A CN202010225387 A CN 202010225387A CN 111420934 A CN111420934 A CN 111420934A
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laser
ultrafast
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laser beam
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CN202010225387.6A
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English (en)
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刘晓龙
孙便便
李湧江
孟冬冬
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Aerospace Information Research Institute of CAS
Original Assignee
Aerospace Information Research Institute of CAS
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    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
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    • B08B7/0035—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like
    • B08B7/0042—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like by laser
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  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种基于光束变换的激光清洗装置，包括超快激光系统、光束变换系统和扫描振镜系统，超快激光系统用于发射超短超快激光光束，提供给所述光束变换系统进行光束变换；光束变换系统与所述超快激光系统连接，接收所述超快激光系统发射的激光光束，并利用各种光学元件对入射的超短超快激光光束进行光束时空间强度分布变换，实现对激光光束聚焦焦深、聚焦路径的控制，经聚焦后光束在透明介质中产生等离子体通道；扫描振镜系统接收经等离子体通道之后的激光光束，利用该激光光束对待清洗物体进行激光清洗。上述装置结构简单，操作方便，实现了对非平整表面和不规则曲面样品无需精密调焦控制的清洗，从而提高了清洗的便利性和可操作性。

Description

一种基于光束变换的激光清洗装置
技术领域
本发明涉及激光清洗技术领域，尤其涉及一种基于光束变换的激光清洗装置。
背景技术
目前，激光清洗技术已经逐渐应用于工业生产的除漆和除锈应用中，常规的激光清洗装置为激光器输出激光光束，经过振镜后到达场镜，场镜将激光光束的光斑汇聚成一点，激光光束通过振镜的摆动而扫描成线，待清洗样品放在聚焦平面处完成清洗操作(典型的场镜焦距大概为150mm左右)。激光清洗是利用激光聚焦点的高能量去除样品表面污染物，如果待清洗样品离光斑焦平面过大，清洗效果将会受到极大影响，因此必须精准调节将清洗样品控制在光束焦点附近。对于表面不平整和不规则曲面的物体表面进行清洗时，只有对复杂的表面进行精密形貌测量，加之高精度运动平台控制光斑的聚焦位置，才能完成此类样品的清洗工作。
现有技术中的激光清洗装置不适用于清洗非平整表面和不规则曲面的样品，使得激光的灵活性和适用范围受到极大的限制，因此如何提供一种适用于非平整表面或不规则曲面物体清洗的新型激光清洗装置是激光清洗技术应用亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光束变换的激光清洗装置，该装置结构简单，操作方便，实现了对非平整表面和不规则曲面样品无需精密调焦控制的清洗，从而提高了清洗的便利性和可操作性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于光束变换的激光清洗装置，所述装置包括超快激光系统、光束变换系统和扫描振镜系统，其中：
所述超快激光系统用于发射超短超快激光光束，提供给所述光束变换系统进行光束变换；
所述光束变换系统与所述超快激光系统连接，接收所述超快激光系统发射的激光光束，并利用各种光学元件对入射的超短超快激光光束进行光束时空间强度分布变换，实现对激光光束聚焦焦深、聚焦路径的控制，经聚焦后光束在透明介质中产生等离子体通道；
所述扫描振镜系统接收经等离子体通道之后的激光光束，利用该激光光束对待清洗物体进行激光清洗。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置结构简单，操作方便，实现了对非平整表面和不规则曲面样品无需精密调焦控制的清洗，从而提高了清洗的便利性和可操作性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的基于光束变换的激光清洗装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所述激光清洗装置的一种实现示意图；
图3为本发明实施例所述激光清洗装置的另一种实现示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的基于光束变换的激光清洗装置的结构示意图，所述装置包括超快激光系统、光束变换系统和扫描振镜系统，其中：
所述超快激光系统用于发射超短超快激光光束，提供给所述光束变换系统进行光束变换；具体实现中，该超快激光系统不仅具有极高的峰值功率和极短的脉宽，和物质相互作用时可表现出近无热的冷加工特性，加工精度极高；且因超短激光峰值功率高，在空气中传输时会有非线性克尔自聚焦效应，能够产生远大于常规激光聚焦瑞利长度的高强度激光等离子体通道；
所述光束变换系统与所述超快激光系统连接，接收所述超快激光系统发射的激光光束，并利用各种光学元件对入射的超短超快激光光束进行光束时空间强度分布变换，实现对激光光束聚焦焦深、聚焦路径的控制，提高激光清洗装置的适用范围和可操作性，经聚焦后光束在透明介质中产生等离子体通道(成丝)；由于在光束变换系统的控制下，此新型激光清洗装置无需配备高精度的样品纵向位置和X-Y平面横向位置控制器件；
所述扫描振镜系统接收经等离子体通道之后的激光光束，利用该激光光束对待清洗物体进行激光清洗。
具体实现中，如图2所示为本发明实施例所述激光清洗装置的一种实现示意图，图2中的光束变换系统具体为凹透镜和圆锥透镜的组合，用于增长等离子体丝的长度，增大焦深，使非平整表面样品的最低点和最高点均在焦深范围内，无需对光束或样品的位置实施精确控制即可清洗。
举例来说，结合图2，首先超快激光系统(如飞秒)发射激光光束，经过光束变换系统中的凹透镜和圆锥透镜，激光能量在光束横截面内重新分布，产生贝塞尔光束，贝塞尔光束的重塑性可以为等离子体丝的继续传输提供更多的能量，如选用-75mm凹透镜与170°圆锥透镜，两者距离50mm时，焦深为245mm左右，等离子体丝的长度为74mm，比常规激光清洗装置的焦深范围更大。利用超短激光成丝效应中光束可以在长距离内保持不发散的特点，突破瑞利长度的限制，增大激光焦深，实现了激光清洗范围的拓展。
扫描振镜系统的两片振镜分别控制光束在互相垂直的两个方向上的移动，将光束组合成二维平面的扫描光束对非平整表面样品进行清洗，由于焦深范围较大，只要非平整平面的最高点与最低点的距离长度在焦深范围内，就无需对光束或样品的位置实施精确控制，使清洗工作方便快捷，清洗系统的工作范围取决于光丝的长度。
另外，如图3所示为本发明实施例所述激光清洗装置的另一种实现示意图，所述光束变换系统还可以为艾里光束形成系统，具体包括相位板、透镜和傅里叶平面，利用形成的艾里光束的自弯曲性对不规则曲面或凹孔的样品进行清洗。
举例来说，结合图3，首先超快激光系统发出激光光束，入射的高斯光束经过光束变换系统中的相位板进行相位调制，调制后的光束经过透镜和傅里叶平面变换到实域，产生艾里光束。一方面艾里光束具有独特的自弯曲特性，可以清洗不规则的曲面或凹孔，另一方面艾里光束经聚焦后在透明介质中产生等离子体通道(成丝)，焦深较长，清洗范围更广。
形成的艾里光束自弯曲的抛物线轨道是可控的，通过平移傅里叶透镜中心的方式改变艾里光束的入射角度，可以实现传输轨道的调控，另外调整入射高斯光束和相位板中心的偏离量，还可以控制传输方向上艾里光束光强极大值的位置，这种方法通常被称为艾里光束的优化调控。
再利用扫描振镜系统对不规则曲面或凹孔的样品进行清洗。
具体实现中，上述扫描振镜系统由X-Y光学扫描头、电子驱动放大器和光学反射镜片组成，通过电子驱动放大器驱动X-Y光学扫描头，在X-Y平面控制入射激光束的偏转，实现激光二维平面移动。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本发明实施例所述激光清洗装置针对非平整表面样品的激光清洗，一方面使用线性光束变换技术，将常规高斯光束变换为贝塞尔光束或艾里-自会聚光束，大幅提高可与材料相互作用的激光聚焦焦深；另一方面，可以利用超快激光在空气中传输的非线性效应产生的远大于高斯光束聚焦瑞利长度的等离子体通道，也可大幅提高与材料相互作用的高强度激光纵向长度；同时将线性光束变换与非线性光束变换相结合，产生特殊光束形式的非线性等离子体通道，从而成倍提高可与材料相互作用的高强度激光的纵向长度。在上述光束变换基础上，在进行激光清洗非平整样品时，则无需精密调节激光光束聚焦点和样品表面的相对位置，降低对清洗光束调焦的要求，提高激光清洗非平整表面样品的便利性和可操作性。
而针对不规则曲面样品(如圆柱体、不规则曲面物体)的激光清洗，本发明实施例所述激光清洗装置利用线性光束变换技术和非线性光束传输效应，将常规超快高斯光束变换为超快艾里光束，并利用艾里光束的自弯曲特性，形成弯曲的高强度光束聚焦通道，可以对不规则曲面样品表面及部分孔、洞型样品内部表面进行激光清洗，提高激光清洗的可清洗适用度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于光束变换的激光清洗装置，其特征在于，所述装置包括超快激光系统、光束变换系统和扫描振镜系统，其中：
所述超快激光系统用于发射超短超快激光光束，提供给所述光束变换系统进行光束变换；
所述光束变换系统与所述超快激光系统连接，接收所述超快激光系统发射的激光光束，并利用各种光学元件对入射的超短超快激光光束进行光束时空间强度分布变换，实现对激光光束聚焦焦深、聚焦路径的控制，经聚焦后光束在透明介质中产生等离子体通道；
所述扫描振镜系统接收经等离子体通道之后的激光光束，利用该激光光束对待清洗物体进行激光清洗。
2.根据权利要求1所述基于光束变换的激光清洗装置，其特征在于，
所述光束变换系统具体为凹透镜和圆锥透镜的组合，用于增长等离子体丝的长度，增大焦深，使非平整表面样品的最低点和最高点均在焦深范围内，无需对光束或样品的位置实施精确控制即可清洗。
3.根据权利要求1所述基于光束变换的激光清洗装置，其特征在于，
所述光束变换系统为艾里光束形成系统，具体包括相位板、透镜和傅里叶平面，利用形成的艾里光束的自弯曲性对不规则曲面或凹孔的样品进行清洗。
4.根据权利要求1所述基于光束变换的激光清洗装置，其特征在于，
所述扫描振镜系统由X-Y光学扫描头、电子驱动放大器和光学反射镜片组成，通过电子驱动放大器驱动X-Y光学扫描头，在X-Y平面控制入射激光束的偏转，实现激光二维平面移动。
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