CN118143425A - 一种激光光路系统和具有其的3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光光路系统和具有其的3D打印设备，该激光光路系统包括可输出红外光与绿光的光源模块，红外光与绿光均可适用的扩束镜模块、振镜模块、场镜模块，以及激光加工台面。该场镜模块在对红外激光和绿激光聚焦时，可以对红外激光和绿激光的焦点位置进行调控，使得绿激光与红外激光的焦点同时投射到激光加工台面的同一工作平面上，进而，控制红外激光和绿激光进行高质量激光加工作业。

Description

一种激光光路系统和具有其的3D打印设备

技术领域

本申请涉及用于激光加工技术领域，尤其涉及一种双波长激光光路系统和具有其的3D打印设备。

背景技术

目前市场上主流的用于激光焊接、切割、3D打印设备等的激光光路系统为使用1064纳米的红外光纤激光器或532纳米的绿光激光器，再配置相应波长适用的振镜、场镜来实现激光焊接、切割、3D打印等功能。然而，如果想实现在同一台设备上切换使用或者同时使用绿激光与红外激光，需要分别配置红外激光器、红外振镜、红外场镜和绿光激光器、绿光振镜、绿光场镜等，占用空间大，安装不方便，增加设备成本等。

如果绿激光与红外激光由同一个光源生成时，绿激光与红外激光经过同一套振镜和场镜后，通常会使得绿激光与红外激光的焦点无法同时投射到同一工作平台上，将难以同时控制绿激光与红外激光，进而导致激光加工生成的产品质量不太理想。尤其是在同一台3D打印设备上切换使用或者同时使用绿激光与红外激光时，由于当前的3D打印制品一般为通过一层一层平铺加工生成，如果绿激光与红外激光由同一个光源生成时，绿激光与红外激光经过同一套振镜和场镜后，通常会使得绿激光与红外激光的焦点无法同时投射到同一工作平台上，无法控制双波长激光3D打印加工，进而导致3D打印生成的产品质量较差。因此，当前具有绿激光与红外激光的激光设备在激光焊接、切割、3D打印等激光加工作业应用中通常还是选择分别配置红外激光器、红外振镜、红外场镜和绿光激光器、绿光振镜、绿光场镜，这样可以通过分别调控绿激光与红外激光的焦点，使得绿激光与红外激光的焦点同时投射到同一工作平台上。这种配置结构的设备就无法避免设备占用空间大，安装不方便，增加设备成本等问题。

基于此，有必要发明一种双波长激光光路系统和具有其的3D打印设备，该激光光路系统和3D打印设备的绿激光与红外激光由同一个光源生成时，绿激光与红外激光经过同一套振镜和场镜后，可以使得绿激光与红外激光的焦点同时投射到同一工作平台上。

发明内容

本申请要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种双波长激光光路系统和具有其的3D打印设备，该套激光光路系统可切换或同时输出红外激光与绿激光，能利用该激光光路系统切换或同时进行激光焊接、切割、3D打印红外激光和/或绿激光适用的材料，方便添加适用于材料的各种工艺参数，对设备增添多种功能，同时缩小了设备光路系统的安装空间，降低设备成本，推动红外激光和绿激光集成后在激光焊接、切割、3D打印等领域的应用。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案。

一种双波长激光光路系统，其包括可输出红外光与绿光的光源模块，红外光与绿光均可扩束的扩束镜模块，红外光与绿光均可使用的振镜模块，红外光与绿光均可通过的场镜模块，以及激光加工台面；所述光源模块可采用自由空间输出或耦合至光纤进行输出，所述扩束镜模块用来调整光源模块发出的红外光或绿光的发散角和光斑大小等，经过扩束镜模块调整后的红外光和/或绿光从振镜模块的通光口入射进去，通过振镜模块扫描及场镜模块聚焦，可实现切换或同时使用红外激光、绿激光的光路系统在工作台面范围内进行焊接、切割、3D打印等激光加工作业。

本申请和现有的激光光路系统的区别在于，本申请的场镜模块至少包括：第一场镜透镜和第二场镜透镜，所述第一场镜透镜为凸透镜，所述第二场镜透镜为凹透镜，所述第一场镜透镜的折射率是n1，所述第二场镜透镜的折射率是n2，第一场镜透镜和第二场镜透镜之间的折射率为n1＜n2的关系。通过该场镜模块在对红外激光和绿激光聚焦时，可以对红外激光和绿激光的焦点位置进行调控，使得绿激光与红外激光的焦点同时投射到激光加工台面的同一工作平面上，进而，控制红外激光和绿激光进行高质量激光加工作业。

本申请公开的一种双波长激光光路系统中，所述光源模块位于整个光路系统的最前端，当光源模块出光后，经过自由空间输出或光纤输出到所述扩束镜模块，在所述扩束镜模块的作用下，可保证得到所需要的激光光斑大小，再输出到振镜通光孔，利用高速扫描的振镜模块和用于聚焦的场镜模块对激光进行调整，即实现了双波长激光光路系统对工作台上产品或粉末的激光焊接、切割、3D打印。相比现有技术而言，本申请构建了一套双波长激光光路系统，即可使用红外激光，也可使用绿光激光进行加工作业，具有更多的工艺选择，同时缩小了设备光路系统的安装空间，降低设备成本，较好地满足了当前市场应用需求。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本申请提供的激光光路系统整体示意图；

图2为本申请提供的场镜模块的第一结构示意图；

图3为本申请提供的场镜模块的第二结构示意图；

图4为本申请提供的光源模块的第一结构示意图；

图5为本申请提供的光源模块的第二结构示意图；

图6为本申请提供的光源模块的第三结构示意图；。

附图标记：1、光源模块，2、扩束镜模块，3、振镜模块，4、场镜模块，5、激光加工台面，6、合束模块，7、倍频模块，8、第一准直模块，9、第二准直模块，11、红外光源模块，12、绿光光源模块，41、第一场镜透镜，42、第二场镜透镜，L1、红外激光，L2、绿激光。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是对本申请权利范围的限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，图1为本申请提供的激光光路系统的结构示意图，该激光光路系统为一种双波长激光光路系统，包括：光源模块1、扩束镜模块2、振镜模块3、场镜模块4和激光加工台面5。所述光源模块1可以输出红外激光L1和绿激光L2，并具有切换功能，可采用自由空间输出或耦合至光纤进行输出。所述扩束镜模块2用于调整光源模块1发出的红外光和/或绿光的发散角和光斑大小等，经过扩束镜模块2调整后的红外光和/或绿光从振镜模块3的通光口入射进去，通过振镜模块3扫描及场镜模块4聚焦后，从激光光路系统的出光口辐照至激光加工台面5。即可实现具有可切换或同时使用红外激光L1和绿激光L2在激光加工台面5的范围内进行焊接、切割、3D打印等激光加工作业。

请参阅图2，图2为本申请提供的场镜模块的第一结构示意图，该场镜模块4至少包括：第一场镜透镜41和第二场镜透镜42，所述第一场镜透镜41为凸透镜，所述第二场镜透镜42为凹透镜，所述第一场镜透镜41的折射率是n1，所述第二场镜透镜42的折射率是n2，第一场镜透镜41和第二场镜透镜42之间的折射率为n1＜n2的关系。如图2所示，通过该场镜模块4在对红外激光L1和绿激光L2聚焦时，可以对红外激光L1和绿激光L2的焦点位置进行调控，使得绿激光与红外激光的焦点同时投射到激光加工台面5的同一工作平面上，进而，控制红外激光L1和绿激光L2进行高质量激光加工作业。

上述结构主要是运用了相位延迟原理，即由于光学材料对不同波长的色光有不同的折射率，归纳总结成相位延迟公式为δ＝n*d/λ，n为介质材料的折射率，d为介质材料的厚度，λ为入射光波长，即红外激光L1的波长为λ1，绿激光L2的波长λ2。通过该公式即可知道，若从空气仅经过一片介质材料时，红外激光L1的波长λ1和绿激光L2的波长λ2不相同，两种激光的相位延迟必然不同，进而无法实现绿激光与红外激光的焦点同时投射到激光加工台面5的同一工作平面上。

本申请将场镜模块4设置为至少包括第一场镜透镜41和第二场镜透镜42，所述第一场镜透镜41为凸透镜，所述第二场镜透镜42为凹透镜的结构则可以解决上面遇到的问题。具体为：第一场镜透镜41的厚度为d1，第二场镜透镜42的厚度为d2，由于第一场镜透镜41为凸透镜，第二场镜透镜42为凹透镜，所以红外激光L1和绿激光L2在经过第一场镜透镜41和第二场镜透镜42的不同位置时，实际d1、d2是变化的，不过这并不影响我们对本申请的场镜模块4工作原理的分析。在本申请提供的场镜模块4中，红外激光L1和绿激光L2经过第一场镜透镜41产生的相位延迟分别为δ1和δ2，δ1＝n1*d1/λ1，δ2＝n1*d1/λ2；红外激光L1和绿激光L2经过第二场镜透镜42产生的相位延迟分别为δ3和δ4，δ3＝n2*d2/λ1，δ4＝n2*d2/λ2，只要保证δ1+δ3＝δ2+δ4(此时，不考虑在场镜模块4前面的镜片结构对红外激光L1和绿激光L2产生的额外误差，该误差可以根据具体实际情况校正)，即可控制绿激光与红外激光的焦点同时投射到激光加工台面5的同一工作平面上。

在图2所示的场镜模块4的实施例中，该场镜模块4的第一场镜透镜41和二场镜透镜42设计为紧密贴合状态，但是该设计不为本申请的限定条件，在其他的实施例中，请参阅图3，图3为本申请提供的场镜模块的第二结构示意图，所述第一场镜透镜41和二场镜透镜42之间还可以处于分离状态，同样可以根据上面提到的相位延迟原理计算所需要的第一场镜透镜41和二场镜透镜42。

优选地，所述第一场镜透镜41由氟化镁(MgF2)制成，所述第二场镜透镜42由石英制成。

优选地，所述红外激光L1、绿激光L2经过各自振镜场镜后投射到同一工作平台上，同时采用具有红外激光L1、绿激光L2两种激光进行激光加工作业时，一种激光作为主力激光，另一种激光作为辅助激光。主力激光可以使得待打印材料达到熔融状态，辅助激光仅可以改变待打印材料的材料特性，但是不会使得待打印材料达到熔融状态，通过该辅助加热场可以降低主力激光作用的激光加工区域和周围的温度梯度，以减轻出现飞溅问题，激光加工制造的产品无气泡和裂纹。

优选地，所述主力激光和辅助激光的加工区域的外围形成一个圆形或者椭圆形辅助加热场(需要说明的是，此处的“圆形或者椭圆形”不限定为标准圆或椭圆，也可以为其他近似圆形、椭圆形的其他形状)，

请参阅图4，图4为本申请提供的光源模块的第一结构示意图，该光源模块1包括红外光源模块11、绿光光源模块12和合束模块6，红外光源模块11和绿光光源模块12分别能生成红外激光L1和绿激光L2，通过合束模块6将红外激光L1和绿激光L2合束后进入扩束镜模块2。

在本实施例中，由于可以独立控制红外光源模块11、绿光光源模块12的激光输出，很容易实现切换或同时使用红外激光L1和绿激光L2进行激光加工作业。

请参阅图5，图5为本申请提供的光源模块的第二结构示意图，该光源模块1包括红外光源模块11、倍频模块7和第一准直模块8，红外光源模块11生成红外激光L1，该红外激光L1经过倍频模块7后生成绿激光L2，以及残存的未被倍频的红外激光L1，经第一准直模块8准直调节后，再进入扩束镜模块2。此时，光源模块1的结构占用空间相对较小，设备成本也相对较低，可以将红外激光L1和绿激光L2充分利用，节约能源。

在本实施例中，实现同时使用红外激光L1和绿激光L2进行激光加工作业不会具有太大难度，如果需要进行红外激光L1和绿激光L2切换使用则可以通过在该光源模块1的后方增设可以切换阻挡或通过红外激光L1和绿激光L2的分色镜实现，以满足更多的应用场景需求。

请参阅图6，图6为本申请提供的光源模块的第三结构示意图，该光源模块1在图5所示的光源模块1的基础上，还包括第二准直模块9，该第二准直模块9位于红外光源模块11和倍频模块7之间，通过对红外激光L1进行准直调节，可以提升红外激光L1的转换效率，生成更多的绿激光L2，通常高反材料对绿激光L2的吸收率相对于红外激光L1会高很多，提升绿激光L2在混合激光中的占比，可以提升激光加工精度，减轻激光加工出现飞溅问题，还可以制造更少气泡和裂纹的产品。

进一步地，所述光源模块1可切换或同时输出两种波长的激光，一种为1064纳米波长红外光，另一种为532纳米波长绿光。

进一步地，所述激光加工台面5具有用于将场镜模块4的出光口和待加工材料相对于彼此至少具有两个不同的轴线上移动的驱动机构。

进一步地，所述光源模块1可为连续激光器，或者准连续激光器，或者脉冲激光器，在此不做限制。

进一步地，本申请所述的激光光路系统可以用于激光切割、激光焊接、激光雕刻、激光清洗以及激光3D打印等多种激光加工应用领域，优先考虑应用于激光3D打印复合材料的增材制造领域。

本申请还提供一种3D打印设备，该3D打印设备包括上述激光光路系统，该激光光路系统的激光加工台面5为3D打印平台。

需要说明的是，本申请的以上实施例的技术方案之间可以组合，如果实施例之间不存在包含关系，除非出现明显矛盾的方案，否则，并不限定于单个实施例所阐述的范围，而是相互之间可以组合成新的实施例。在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者器件所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者器件中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，以及对本申请中的各个实施例进行组合，这些改进、修饰和组合也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光光路系统，其特征在于,包括：光源模块(1)、扩束镜模块(2)、振镜模块(3)、场镜模块(4)和激光加工台面(5)；

所述光源模块(1)可以输出红外激光(L1)和绿激光(L2)，可采用自由空间输出或耦合至光纤进行输出；

所述扩束镜模块(2)用于调整光源模块(1)发出的红外光和/或绿光的发散角和光斑大小，经过扩束镜模块(2)调整后的红外光和/或绿光从振镜模块(3)的通光口入射进去，通过振镜模块(3)扫描及场镜模块(4)聚焦后，从激光光路系统的出光口辐照至激光加工台面(5)；

所述场镜模块(4)在对红外激光(L1)和绿激光(L2)聚焦时，对红外激光(L1)和绿激光(L2)的焦点位置进行调控，使得绿激光与红外激光的焦点投射到激光加工台面(5)的同一工作平面上。

2.根据权利要求1所述的激光光路系统，其特征在于,所述场镜模块(4)至少包括：第一场镜透镜(41)和第二场镜透镜(42)；

所述第一场镜透镜(41)为凸透镜，所述第二场镜透镜(42)为凹透镜；

所述第一场镜透镜(41)的折射率是n1，所述第二场镜透镜(42)的折射率是n2，第一场镜透镜(41)和第二场镜透镜(42)之间的折射率为n1＜n2的关系。

3.根据权利要求2所述的激光光路系统，其特征在于,所述红外激光(L1)的波长为λ1，绿激光(L2)的波长λ2，第一场镜透镜(41)的厚度为d1，第二场镜透镜(42)的厚度为d2；

红外激光(L1)和绿激光(L2)经过第一场镜透镜(41)产生的相位延迟分别为δ1和δ2，δ1＝n1*d1/λ1，δ2＝n1*d1/λ2，红外激光(L1)和绿激光(L2)经过第二场镜透镜(42)产生的相位延迟分别为δ3和δ4，δ3＝n2*d2/λ1，δ4＝n2*d2/λ2，δ1+δ3＝δ2+δ4。

4.根据权利要求2所述的激光光路系统，其特征在于，所述场镜模块(4)的第一场镜透镜(41)和二场镜透镜42设计为紧密贴合状态或分离状态。

5.根据权利要求2所述的激光光路系统，其特征在于,所述第一场镜透镜(41)由氟化镁制成，所述第二场镜透镜(42)由石英制成。

6.根据权利要求1所述的激光光路系统，其特征在于,所述红外激光(L1)和绿激光(L2)同时进行激光加工作业时，其中一种激光作为主力激光，另一种激光作为辅助激光。

7.根据权利要求1所述的激光光路系统，其特征在于,所述光源模块(1)包括红外光源模块(11)、绿光光源模块(12)和合束模块(6)，红外光源模块(11)和绿光光源模块(12)分别能生成红外激光(L1)和绿激光(L2)，通过合束模块(6)将红外激光(L1)和绿激光(L2)合束后进入扩束镜模块(2)。

8.如权利要求1所述的激光光路系统，其特征在于，所述光源模块(1)包括红外光源模块(11)、倍频模块(7)和第一准直模块(8)，红外光源模块(11)生成红外激光(L1)，该红外激光(L1)经过倍频模块(7)后生成绿激光(L2)，以及残存的未被倍频的红外激光(L1)，经第一准直模块(8)准直调节后，再进入扩束镜模块(2)。

9.如权利要求8所述的激光光路系统，其特征在于，所述光源模块(1)还包括第二准直模块(9)，所述第二准直模块(9)位于红外光源模块(11)和倍频模块(7)之间。

10.一种3D打印设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的激光光路系统，该激光光路系统的激光加工台面(5)为3D打印平台。