一種基于多面棱鏡超高勻速掃描的均勻線光斑光路系統的制作方法
【技術領域】
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[0001]本實用新型涉及一種針對大范圍功率、大范圍激光器的基于多面棱鏡超高勻速掃描的光路系統，尤其涉及一種基于多面棱鏡超高勻速掃描的均勻線光斑光路系統。
【背景技術】
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[0002]在激光加工行業中，激光淬火利用聚焦后的激光束快速加熱鋼鐵材料表面，使其發生相變，形成馬氏體淬硬層；激光熔覆通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝，在基層表面形成與其為冶金結合的添料熔覆層；激光清洗是對材料表面實行高效、快捷的清除銹蝕、污染物，起到凈化表面的作用。
[0003]上述三種激光工藝，特別是激光淬火與激光熔覆，往往需要對材料表面進行均勻加熱，以滿足加工需求，常用的有離焦法、振動法與積分聚焦法。
[0004]離焦法是通過采用聚焦光斑離焦段對材料進行較均勻加熱，但這比較依賴于激光器輸出光束模式，且對于大面積激光淬火或熔覆甚至清洗等，速度相對較慢。
[0005]振動法一般是基于雙片振鏡掃描，對聚焦光束方向進行轉折，在振鏡旋轉滿足一定關系條件下，獲得能量分布高且較均勻的線條光斑，同時給定一定的線光斑與材料的相對速度，實現較大面積的激光加工，缺點是，聚焦光束在振鏡旋轉過程中并不以同一角度入射到材料表面，同時電機帶動轉速有限并需正反轉，無法實現超高速穩定的激光加工過程。
[0006]積分聚焦法有反射式與透射式兩種，反射式鏡片典型的以KUGLER積分鏡為代表，透射式常采用透鏡陣列等非常規鏡片對光束整形，要進行大面積的激光加工，積分光斑越長，意味著能量越分散，同樣不適用于高速大面積的激光淬火/熔覆。
[0007]為了克服以上現有問題，同時考慮到激光淬火重復疊加過度時間長而冷卻時間極短出現軟化層現象，降低硬化質量。本人利用多面棱鏡掃描特點，結合目前氣浮高速主軸電機穩定轉數高達200000RPM以上，設計出一種基于多面棱鏡超高勻速掃描的光路系統，可獲得上百毫米以上均勻能量分布的掃描線條光斑，適用于大面積激光淬火、激光熔覆以及激光清洗。
【實用新型內容】:
[0008]為了克服現有激光淬火、激光熔覆及激光清洗光路無法有效進行大面積高速度加工，同時考慮到激光淬火特性，本實用新型提供了一種能夠獲得上百毫米以上均勻能量分布的掃描線條光斑，適用于大面積激光淬火、激光熔覆以及激光清洗的技術方案:
[0009]—種基于多面棱鏡超高勾速掃描的均勾線光斑光路系統，所有鏡片均為反射式鏡片，光路結構以非鍍膜反射鏡為參考基準，分別為離軸拋物準直鏡、離軸拋物柱面鏡、斜多面棱鏡、斜柱面拋物鏡與離軸拋物柱面鏡，離軸拋物鏡、離軸拋物柱面鏡以及斜多面棱鏡的光束中心在同一平面上，離軸拋物柱面鏡聚焦后的光束傳輸方向與多面棱鏡中心軸垂直共面，斜柱面拋物鏡與離軸拋物柱面鏡的光束中心在同一平面上。
[0010]作為優選，斜多面棱鏡單面與其中心軸夾角為4° —5°，斜柱面拋物鏡光束偏轉角與斜多面棱鏡相一致，且利用了拋物面對發散光的準直特性，獲得傳輸方向相同的準直光束群，斜多面棱鏡掃描范圍及與斜柱面拋物鏡間距決定斜柱面拋物鏡長度，寬度取決于斜多面棱鏡反射后光斑尺寸，斜柱面拋物鏡拋物結構方向參數取決于準直光斑方向與特性。
[0011]作為優選，離軸拋物柱面鏡單向聚焦，形成線光斑，斜多面棱鏡勻速旋轉時，實現聚焦光束傳輸方向基本一致，聚焦位置共面，可獲得均勻能量分布的長線條光斑。
[0012]作為優選，離軸聚焦鏡采用90°光束偏轉角鏡片。
[0013]作為優選，斜柱面拋物鏡為雙向結構，長向為拋物結構，寬向為斜線結構。
[0014]本實用新型的有益效果在于:
[0015](I)本實用新型獲得聚焦光束傳輸方向一致、聚焦位置共面的超高勻速長條形線光斑，能量分布基本均勻，既可提高掃描周期重復性以改善乃至消除光束重疊后激光淬火軟化層問題，又能大面積高速對材料進行處理，可適用于激光淬火、激光熔覆以及激光清洗。根據最后一片離軸拋物柱面鏡焦距不同，能夠實現不同焦深的線光斑，不僅可用于二維激光加工，還可以用于一般的三維加工。
[0016](2)本實用新型中離軸拋物柱面鏡單向聚焦目的在于高功率激光束聚焦后形成線條光斑，分散能量分布，有利于斜多面棱鏡的保護，同時不影響光束性能。
【附圖說明】
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[0017]圖1是本實用新型的光路原理圖；
[0018]圖2是圖1原圖的后視圖；
[0019]圖3是圖1原圖的俯視圖；
[0020]圖4是圖1去光路鏡片結構圖；
[0021]圖5是圖1中斜柱面拋物鏡的結構圖；
[0022]圖6是圖1中斜柱面拋物鏡剖視圖；
[0023]圖7是圖1中離軸拋物柱面鏡的結構圖；
[0024]圖8是圖1中離軸拋物柱面鏡主視圖；
[0025]圖9是圖1中離軸拋物柱面鏡側視圖。
【具體實施方式】
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[0026]為使本實用新型的實用新型目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型的實施方式作進一步地詳細描述。
[0027]如圖1一9所示，一種基于多面棱鏡超高勻速掃描的均勻線光斑光路系統，所有鏡片均為反射式鏡片，光路結構以非鍍膜反射鏡為參考基準，分別為離軸拋物準直鏡1、離軸拋物柱面鏡2、斜多面棱鏡3、斜柱面拋物鏡4與離軸拋物柱面鏡5，離軸拋物鏡1、離軸拋物柱面鏡2以及斜多面棱鏡3的光束中心在同一平面上，離軸拋物柱面鏡2聚焦后的光束傳輸方向與多面棱鏡3中心軸垂直共面，斜柱面拋物鏡與離軸拋物柱面鏡的光束中心在同一平面上，離軸拋物準直鏡I根據激光器選定；離軸拋物柱面鏡2單向聚焦目的在于高功率激光束聚焦后形成線條光斑，分散能量分布，有利于斜多面棱鏡3的保護，同時不影響光束性能；斜多面棱鏡3光束偏轉角適中，保證光束性能，同時確保機械結構設計順利進行；斜柱面拋物鏡4光束偏轉角與斜多面棱鏡3相一致，利用了拋物面對發散光的準直特性，獲得傳輸方向相同的準直光束群；離軸拋物柱面鏡2單向聚焦，形成線光斑，斜多面棱鏡3勾速旋轉時，實現聚焦光束傳輸方向基本一致，聚焦位置共面，可獲得均勻能量分布的長線條光斑。
[0028]形成長線條光斑主要包括以下步驟: