利用高频/超高频微振动实现激光光斑动态调节的激光头
阅读说明：本技术 利用高频/超高频微振动实现激光光斑动态调节的激光头 (Laser head for realizing dynamic regulation of laser facula by high-frequency/ultrahigh-frequency micro-vibration ) 是由 马修泉 许天宇 米高阳 周邵巍 邵新宇 于 2020-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用高频/超高频微振动实现激光光斑动态调节的激光头,包括激光传输装置、镜腔、特种机电模块和保护喷嘴,激光传输装置设置于镜腔的顶部,镜腔内由上到下依次设置有保护镜一和准直镜片,特种机电模块设置于镜腔的底部,通过外壳与镜腔连接,特种机电模块的外壳内还设置有一聚焦镜,且聚焦镜与特种机电模块之间设置有平面弹簧,特种机电模块能够带动聚焦镜超高频的微震荡,保护喷嘴设置于特种机电模块的底部；本发明中,输出的光斑直径随着聚焦镜振幅的变化而实时变化,可以实现光斑形态的高响应调节,以适应激光切割、激光焊接、激光增材加工等的工况要求。(The invention discloses a laser head for realizing dynamic adjustment of laser spots by utilizing high-frequency/ultrahigh-frequency micro-vibration, which comprises a laser transmission device, a mirror cavity, a special electromechanical module and a protective nozzle, wherein the laser transmission device is arranged at the top of the mirror cavity; according to the invention, the diameter of the output light spot changes in real time along with the change of the amplitude of the focusing mirror, so that the high-response adjustment of the light spot form can be realized, and the working condition requirements of laser cutting, laser welding, laser material increase processing and the like can be met.)
技术领域
本发明涉及激光加工设备技术领域，特别是涉及一种利用高频/超高频微振动实现激光光斑动态调节的激光头。
背景技术
激光光斑是激光光束同被作业工件的交面，直接决定了激光的作用位置、大小及能量密度分布。实现激光光斑的动态调节是提升激光加工水平的一个关键。采用在激光头中加装分装光路、振镜等装置实现光斑调控的方式较为常见，也取得了一定的效果。然而，在大量工况例如对光斑能量均匀化程度要求特别高的工况(如大幅面清洗)及对光斑运动速度要求特别高的工况(如激光搅拌焊接)中，传统的激光头内部光斑调节策略难以满足这种高速高响应的调节要求。
从原理上分析，实现光斑的高响应智能可控，需要突破两个关键问题，第一是缩小原始光斑尺寸，在相同功率条件下尽量增加光束集中程度，缩小光斑；第二是实现原始光斑的二维空间任意方向高速运动，从而全面提升输出光斑的可控性。其中，第一个关键问题与激光器紧密相关，随着激光器技术的不断发展，该问题将逐渐得到突破。而第二个问题则需要通过对输出光束进行调控方可突破。
现有的激光光斑调控方法包括三类：光斑直接放大型、光斑分束型、光斑扫略型。
光斑直接放大型多采用直接调整光路中镜片的相对位置，可以实现光斑尺寸的调节，但由于总功率是恒定的，一定会导致功率密度的衰减；
光斑分束型采用镜片实现光束分离，从而实现一变多的方式，在某些特定加工场合有良好应用，但由于仅能在一定范围内改变光斑的数量，改变效果非常有限；
光斑扫略型目前能实现的振动频率小于等于500Hz，无法实现超高频(振动频率在1kHz～30kHz)运动，且多采用振镜结构实现，无法承受超过1万瓦以上的激光功率。
综上，目前的激光加工领域中存在光斑形态动态调节困难，尤其是高响应动态调节困难的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用高频/超高频微振动实现激光光斑动态调节的激光头，以解决上述现有技术存在的问题，将聚焦镜进行超高频的微震荡，当准直后的激光经过聚焦镜时，激光会随着聚焦镜的超高频微振动而进行超高频的微振动。此时，输出的光斑直径随着聚焦镜振幅的变化而实时变化，可以实现光斑形态的高响应调节。以适应激光切割、激光焊接、激光增材加工等的工况要求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种利用高频/超高频微振动实现激光光斑动态调节的激光头，包括激光传输装置、镜腔、特种机电模块和保护喷嘴，所述激光传输装置设置于所述镜腔的顶部，由所述镜腔顶部设置的入射口向所述镜腔内射入激光，所述镜腔内由上到下依次设置有保护镜一和准直镜片，所述特种机电模块设置于所述镜腔的底部，通过外壳与所述镜腔连接，所述特种机电模块的外壳顶部和底部分别设置有透光孔，所述特种机电模块的外壳内还设置有一聚焦镜，且所述聚焦镜与所述特种机电模块之间设置有平面弹簧，所述特种机电模块能够带动所述聚焦镜超高频的微震荡，所述保护喷嘴设置于所述特种机电模块的底部。
优选地，所述激光传输装置与所述镜腔之间设置有光纤端帽。
优选地，所述特种机电模块为音圈电机，所述聚焦镜的镜座与所述音圈电机的通电线圈连接，所述平面弹簧与所述音圈电机的外壳连接，当通电线圈在高频交流电电流作用下，通电线圈产生的磁场与永久磁铁的磁场间的相互作用而产生高频周期性作用力，作用于所述聚焦镜上，所述聚焦镜同时受到平面弹簧的作用力，在这两种力的作用下，聚焦镜以超高频率进行卫星旋转运动。
优选地，所述特种机电模块为激振器。
优选地，所述特种机电的外壳内部底端还设置有保护镜二。
优选地，所述入射口、所述保护镜一、所述准直镜片、所述透光孔、所述聚焦镜和所述保护镜二同心设置。
优选地，所述激光传输装置发射的激光是波长为1030～1080nm之间的高斯光束。
优选地，所述准直镜片的直径大于所处位置处的高斯光束截面尺寸以将全部光束包裹在折射范围内。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
1、本发明提供的利用高频/超高频微振动实现激光光斑动态调节的激光头，将聚焦镜、准直镜、光纤端帽中任意一种进行超高频的微振动。当准直后的激光经过聚焦镜时，激光聚焦后会随着聚焦镜的超高频微振动运动，此时，等效的光斑直径随着聚焦镜振幅的变化而变化。既满足了对不同材料，不同激光加工工艺的需求，又保证能够应用适应大功率加工场合，能够真正意义上实现激光的多场合、多功能加工。
2、本发明提供的利用高频/超高频微振动实现激光光斑动态调节的激光头，与光斑直接放大型相比，由于本发明采用特种机电模块带动相应部件进行超高频微振动来实现光斑尺寸调节，不会导致功率密度衰减。与光斑分束型相比，由于本发明中聚焦镜、准直镜或者光纤端帽会带动光斑作超高频微振动，加工熔池更可控，调节柔性大，提升加工效果。与光斑扫略型相比，由于本发明采用了特种机电模块，其振动频率在1kHz～30kHz之间，高于现有的振镜电机频率，在加工效果和加工效率方面优于振镜激光摆动系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明中利用高频/超高频微振动实现激光光斑动态调节的激光头的结构示意图；
图2为本发明中音圈电机的结构示意图；
图3为本发明中聚焦镜震荡运动示意图；
图4为本发明中激光聚焦后在聚焦平面形成的光斑分布图；
图5为本发明中平面弹簧的结构示意图；
图中：1-激光传输装置、2-入射光、3-准直镜片、4-准直光束、5-聚焦镜、6-平面弹簧、7-特种机电模块、8-镜腔、9-保护镜一、10-激光聚焦光束、11-保护镜二、12-保护喷嘴、13-激光聚焦平面、14-光纤端帽、15-音圈电机外壳、16-通电线圈、17-磁铁。
具体实施方式
下面将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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种利用高频/超高频微振动实现激光光斑动态调节的激光头，以解决现有技术存在的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例中的利用高频/超高频微振动实现激光光斑动态调节的激光头，如图1所示，包括激光传输装置1、镜腔8、特种机电模块7和保护喷嘴12，激光传输装置1设置于镜腔8的顶部，由镜腔8顶部设置的入射口向镜腔8内射入激光，镜腔8内由上到下依次设置有保护镜一9和准直镜片3，特种机电模块7设置于镜腔8的底部，通过外壳与镜腔8连接，特种机电模块7的外壳顶部和底部分别设置有透光孔，特种机电模块7的外壳内还设置有一聚焦镜5，且聚焦镜5与特种机电模块7之间设置有平面弹簧6，特种机电模块7能够带动聚焦镜5超高频的微震荡，保护喷嘴12设置于特种机电模块7的底部。
本实施例中，激光传输装置1与镜腔8之间设置有光纤端帽14，光纤端帽14是针对高功率光纤激光器和放大器输出端面处理设计的高功率器件，通过对输出光束的扩束降低输出端的光功率密度，同时采用了特别的端面角度设计大幅度降低了端面的回波反射(好于-35dB)。光纤端帽14(End Caps)可以应用在高功率在高峰值功率或者高平均功率的激光器(放大器)输出端，输出光束畸变很小。
本实施例中的特种机电模块7可以选择为音圈电机(如图2所示)，聚焦镜5的镜座与音圈电机的通电线圈16连接，平面弹簧6与音圈电机外壳15连接，当通电线圈16在高频交流电电流作用下，通电线圈16产生的磁场与永久磁铁17的磁场间的相互作用而产生高频周期性作用力，作用于聚焦镜5上，聚焦镜5同时受到平面弹簧6的作用力，在这两种力的作用下，聚焦镜5以超高频率进行卫星旋转运动。
本实施例中的特种机电模块7还可以选择为激振器，及其他能对其他物体施加高频周期性作用力的机电装置，所起的作用是在水平面内对光纤端帽14/聚焦镜5/准直镜施加高频周期性作用力，使光纤端帽14/聚焦镜5/准直镜在水平面内做高频的圆周运动，其本身不转，围绕中心公转。
本实施例中，在特种机电的外壳内部底端还设置有保护镜二11，保护镜二11的特定厚度为1-6mm，其作用在于防止颗粒物等污染物进入到特定机电模块，保证机电模块与聚焦镜5工作在洁净的环境，不被污染。
本实施例中，入射口、保护镜一9、准直镜片3、透光孔、聚焦镜5和保护镜二11同心设置；使准直后的激光能正好射向静止的聚焦镜5中心。
本实施例中，激光传输装置1能传输特定功率的连续激光，传输的激光是波长在1030-1080nm之间的高斯光束，该光束为激光柔性加工的能量源。
准直镜片3，准直镜片3的直径大于所处位置处的高斯光束截面尺寸以将全部光束包裹在折射范围内。准直镜片3可将入射光束调整为一个平行光束，该平行光束在传递过程中基本不会发散，呈平行状态传导至聚焦镜5。该镜片属于普通高透镜片，能够承受至少1.5万瓦激光功率。
准直光束4，准直光束4的直径取决于产生入射光2光纤的NA值与激光发出点到准直镜平面的距离，该直径不会超过准直镜与聚焦镜5工作面的最大直径。
聚焦镜5，其震荡示意图如图3所示，其在特种机电模块7和环形的平面弹簧6的共同作用下，沿X方向和Y方向，作频率1kHz～30kHz之间，振幅在0～D(例如D＝500μm，但不限于500μm)之间的超高频微振动，最后合成圆周运动，其震荡形式为绕与其自身轴心平行的轴心进行超高频公转，其自身不转动。
平面弹簧6，其截面如图5所示，其弹性系数K＞500N/m，其能保证聚焦镜5在特种机电模块7作用下运动后迅速回弹，使聚焦镜5的震荡频率在1kHz～30kHz之间。
保护镜一9，特定厚度为1-6mm，其作用在于防止颗粒物等接触到其下方的透镜，保护透镜及镜腔8不被污染。
激光聚焦光束10，其与聚焦镜5同频振动，其最终会在焦平面聚焦成最小直径光斑。
保护喷嘴12，其安装于特种机电模块7正下方，其作用在于阻止激光作用于工件时产生的飞溅进入到其上方的镜腔8及机电模块，使其能工作在洁净的环境。
激光聚焦平面13，光斑静止时的直径为d(d为10～100μm)，当聚焦镜5工作时，激光聚焦后会在此平面上形成如图4所示的光斑，此时等效光斑直径变为S(S＝0.5d+D)，这时形成的光斑功率密度不会下降，但是等效直径变大，可以适应多种场合的激光柔性加工。
本发明，首次提出改变等效光斑直径的新方法，该方法可以保证功率密度基本不降低，又可以在激光加工过程中实时改变光斑直径，实现工件的智能加工，获得良好的加工效果。采用特种机电模块7带动聚焦镜5、准直镜、光纤端帽14中任意一种进行0～D(例如D＝500μm，但不限于500μm)之间的超高频微震荡，震荡频率在1kHz～30kHz之间。该系统与方法的适用于需要变光纤芯径的激光加工场合，例如激光切割，激光焊接，激光增材、减材制造等。聚焦镜5、准直镜，输出光纤中任意一种的震荡方式为绕与其自身轴心平行的轴心进行超高频公转，其自身不转动。
本发明应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。