本發(fā)明涉及連續(xù)激光打孔技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于多面棱鏡與振鏡高速密集打孔光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光加工技術(shù)涵蓋了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多種激光加工工藝，利用了激光與物質(zhì)相互作用的基本特性。

當(dāng)前工業(yè)激光加工以光纖激光加工與co2激光加工為主，由于能量利用率與外觀體積等差異，又以光纖輸出類激光加工為首要。隨著激光功率的提高，高功率激光焊接、熔覆、淬火等加工工藝也逐步得到更廣泛的擴(kuò)展與提升；同時(shí)，隨著激光器的普及，激光器價(jià)格的降低，激光加工材料多樣化越加豐富，覆蓋了冶金、汽車、航空、船舶、煙草甚至是普通民間生活等諸多領(lǐng)域。

然而在激光加工中，材料本身屬性決定了對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收特性。以光纖激光器而言，并不適用于一些非金屬材料的加工，比如水松紙，通常采用連續(xù)co2激光器進(jìn)行打孔，因?yàn)樗杉垖?duì)10.6um波長(zhǎng)的光吸收率比對(duì)1.06um左右的光吸收率更高。在皮革、木材、亞克力、有機(jī)玻璃、水果等諸多非金屬激光加工中，co2激光器依舊有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

常規(guī)的co2激光打孔，打孔速度往往在100孔/s量級(jí)，連續(xù)激光下的振鏡打孔，速率也并不理想，對(duì)于一些打孔速度要求高的，比如水松紙打孔、水果打孔一般需要10000孔/s甚至100000孔/s量級(jí)，這是普通光路無法企及的。當(dāng)下co2非金屬打孔較為經(jīng)典的是水松紙打孔，但該方案僅適用于寬幅面數(shù)排密集打孔，并不適用于寬幅面密集激光打孔。

當(dāng)下，振鏡掃描以及多面棱鏡的應(yīng)用技術(shù)較為成熟，如棱鏡的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用氣浮軸承進(jìn)行配合安裝，則可實(shí)現(xiàn)高度轉(zhuǎn)動(dòng)，給多面棱鏡與振鏡掃描結(jié)合密集打孔提供了堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。基于上述各點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適用于中低功率co2連續(xù)激光器高速密集打孔的光學(xué)系統(tǒng)尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于多面棱鏡與振鏡高速密集打孔光學(xué)系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于多面棱鏡與振鏡高速密集打孔光學(xué)系統(tǒng)，包括一次擴(kuò)束組件、二次擴(kuò)束組件以及反射打孔組件；

所述一次擴(kuò)束組件包括負(fù)焦擴(kuò)束鏡、正焦擴(kuò)束鏡，負(fù)焦擴(kuò)束鏡傾斜設(shè)置，并與激光器輸出的傾斜光束同軸；正焦擴(kuò)束鏡設(shè)在負(fù)焦擴(kuò)束鏡透射光側(cè)的下方、并與負(fù)焦擴(kuò)束鏡的透射光光軸同軸設(shè)置；

所述二次擴(kuò)束組件包括聚焦鏡、棱鏡、兩片后擴(kuò)束鏡；所述聚焦鏡同軸設(shè)在正焦擴(kuò)束鏡的透射光側(cè)下方，所述棱鏡縱向設(shè)置，棱鏡上周向分布有分光棱面，棱鏡通過電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)；所述聚焦鏡的焦點(diǎn)位于棱鏡的分光棱面上；所述兩片后擴(kuò)束鏡對(duì)稱設(shè)在多面棱鏡的上方，且兩片后擴(kuò)束鏡的中心軸交點(diǎn)位于多面棱鏡分光棱面上；

所述反射打孔組件為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，包括四片反射鏡、振鏡以及f-θ鏡；所述四片反射鏡呈兩組對(duì)稱設(shè)置，其中一組的兩片反射鏡分別與兩片后擴(kuò)束鏡的透射光束呈45度傾斜設(shè)置；

每組一側(cè)的反射鏡的反射光側(cè)均設(shè)有振鏡，振鏡中心軸與對(duì)應(yīng)反射鏡反射光軸呈45度設(shè)置，振鏡的下方設(shè)有所述的f-θ鏡，f-θ鏡水平設(shè)置、并聚焦振鏡的反射掃描光束。

進(jìn)一步的，所述負(fù)焦擴(kuò)束鏡、正焦擴(kuò)束鏡、聚焦鏡、棱鏡、后擴(kuò)束鏡、反射鏡以及f-θ鏡均為圓柱狀。

進(jìn)一步的，所述棱鏡為正多邊形柱狀，驅(qū)動(dòng)棱鏡旋轉(zhuǎn)的電機(jī)軸配合設(shè)在氣浮軸承上，伸出氣浮軸承的電機(jī)軸與棱鏡固接。

進(jìn)一步的，所述振鏡的掃描頻率為150-250hz，棱鏡的轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)速60000r/min。

進(jìn)一步的，所述棱鏡為輕質(zhì)鋁合金。

進(jìn)一步的，所述振鏡的電機(jī)軸垂直于對(duì)應(yīng)反射鏡的反射光軸。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)、本發(fā)明采用多面棱鏡與振鏡高速掃描光學(xué)系統(tǒng)，基于多面棱鏡超高速旋轉(zhuǎn)分光特性，基于單振鏡高速線性掃描特性，以及基于f-θ鏡焦點(diǎn)共面特性，適用于中低功率co2連續(xù)激光器高速密集打孔，尤其適用于對(duì)孔型圓度要求不高的密集激光打孔場(chǎng)合。

(2)、本發(fā)明采用雙片式棱鏡后聚焦鏡，即雙光路，其一是保證打孔速度與打孔幅面倍增，其二是不因分光路過多而導(dǎo)致光程差較大，引起打孔質(zhì)量差異性較大，確保了打孔孔型與尺寸的基本一致性。

(3)、本發(fā)明的單振鏡掃描實(shí)現(xiàn)線性掃描，掃描角±12.5°左右，單光路可實(shí)現(xiàn)寬幅掃描打孔，f-θ鏡則確保掃描光斑大小一致性與焦點(diǎn)共面，在振鏡以同等角速度擺角時(shí)，f-θ鏡還確保各孔間距的基本一致性。

(4)、本發(fā)明的高速掃描打孔需打孔材料勻速移動(dòng)，移動(dòng)方向與振鏡掃描線性方向垂直或近似垂直，單向運(yùn)動(dòng)，確保打孔材料不會(huì)被重復(fù)打孔，振鏡掃描打孔為z型打孔方式，可通過微調(diào)整振鏡掃描角來確保打孔材料表面無重合或部分重合孔。

(5)、本發(fā)明確保多面棱鏡掃描在f-θ鏡聚焦光束段的引起的擺動(dòng)方向與振鏡掃描所引起的擺動(dòng)方向垂直，避免因振鏡往返擺動(dòng)導(dǎo)致打孔形狀一致性差異，即保證了整個(gè)幅面打孔尺寸與形狀的一致性。另外，可通過沿光軸方向上斜向移動(dòng)棱鏡前聚焦鏡來改善打孔圓度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體光路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中序號(hào)：傾斜光束1、負(fù)焦擴(kuò)束鏡2、正焦擴(kuò)束鏡3、聚焦鏡4、棱鏡5、后擴(kuò)束鏡6、反射鏡7、振鏡8、電機(jī)軸9、f-θ鏡10、打孔材11。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參見圖1，一種基于多面棱鏡與振鏡高速密集打孔光學(xué)系統(tǒng)，包括一次擴(kuò)束組件、二次擴(kuò)束組件以及反射打孔組件；

所述一次擴(kuò)束組件包括負(fù)焦擴(kuò)束鏡2、正焦擴(kuò)束鏡3，負(fù)焦擴(kuò)束鏡2傾斜設(shè)置，并與激光器輸出的傾斜光束1同軸；正焦擴(kuò)束鏡3設(shè)在負(fù)焦擴(kuò)束鏡2透射光側(cè)的下方、并與負(fù)焦擴(kuò)束鏡2的透射光光軸同軸設(shè)置；

所述二次擴(kuò)束組件包括聚焦鏡4、棱鏡5、兩片后擴(kuò)束鏡6；所述聚焦鏡4同軸設(shè)在正焦擴(kuò)束鏡3的透射光側(cè)下方，所述棱鏡5縱向設(shè)置，棱鏡5上周向分布有分光棱面，棱鏡5通過電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)；所述聚焦鏡4的焦點(diǎn)位于棱鏡5的分光棱面上；所述兩片后擴(kuò)束鏡6對(duì)稱設(shè)在多面棱鏡5的上方，且兩片后擴(kuò)束鏡6的中心軸交點(diǎn)位于多面棱鏡5分光棱面上；

所述反射打孔組件為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，包括四片反射鏡7、振鏡8以及f-θ鏡10；所述四片反射鏡7呈兩組對(duì)稱設(shè)置，其中一組的兩片反射鏡7分別與兩片后擴(kuò)束鏡6的透射光束呈45度傾斜設(shè)置；

每組一側(cè)的反射鏡7的反射光側(cè)均設(shè)有振鏡8，振鏡8中心軸與對(duì)應(yīng)反射鏡7反射光軸呈45度設(shè)置，振鏡8的下方設(shè)有所述的f-θ鏡10，f-θ鏡10水平設(shè)置、并聚焦振鏡8的反射掃描光束。

進(jìn)一步的，所述負(fù)焦擴(kuò)束鏡2、正焦擴(kuò)束鏡3、聚焦鏡4、棱鏡5、后擴(kuò)束鏡6、反射鏡7以及f-θ鏡10均為圓柱狀。

進(jìn)一步的，所述棱鏡5為正多邊形柱狀，驅(qū)動(dòng)棱鏡5旋轉(zhuǎn)的電機(jī)軸配合設(shè)在氣浮軸承上，伸出氣浮軸承的電機(jī)軸與棱鏡5固接。

進(jìn)一步的，所述振鏡8的掃描頻率為150-250hz，棱鏡5的轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)速60000r/min，棱鏡5上均布有60面以上的分光棱面。

進(jìn)一步的，所述棱鏡5為輕質(zhì)鋁合金。

進(jìn)一步的，所述振鏡8的電機(jī)軸9垂直于對(duì)應(yīng)反射鏡7的反射光軸。

使用時(shí)，連續(xù)co2激光器輸出的傾斜光束1正入射到負(fù)焦擴(kuò)束鏡2發(fā)散，后經(jīng)過正焦擴(kuò)束鏡3實(shí)現(xiàn)光束一次擴(kuò)束，一次擴(kuò)束光束由聚焦鏡4聚焦到多面棱鏡5分光表面，經(jīng)過超高轉(zhuǎn)速的多面棱鏡5分光，形成扇形發(fā)散光束，發(fā)散光束掃過兩片后擴(kuò)束鏡6，實(shí)現(xiàn)二次擴(kuò)束，二次擴(kuò)束后的光束為具有掃描性質(zhì)的平行光束；二次擴(kuò)束光束在四片反射鏡7的反射下，入射到振鏡8，振鏡8通過電機(jī)軸9往返均勻角速度擺動(dòng)，形成扇形掃描光束，掃描光束最后經(jīng)過f-θ鏡10聚焦到打孔材11表面，形成線性掃描，同時(shí)打孔材11勻速移動(dòng)，便實(shí)現(xiàn)了打孔材料上的密集打孔。打孔重合或部分重合時(shí)，微調(diào)振鏡8掃描角，可降低甚至消除重合或部分重合孔；同樣的，如需改善打孔圓度，沿光軸方向移動(dòng)聚焦鏡4。

本發(fā)明采用多面棱鏡與振鏡高速掃描光學(xué)系統(tǒng)，基于多面棱鏡超高速旋轉(zhuǎn)分光特性，基于振鏡高速線性掃描特性，基于f-θ鏡焦點(diǎn)共面特性以及基于打孔材料的運(yùn)動(dòng)特性，適用于中低功率co2連續(xù)激光器高速密集打孔，尤其適用于對(duì)孔型圓度要求不高的密集激光打孔場(chǎng)合。兩次擴(kuò)束為后續(xù)打孔縮小激光光斑提供必要保障，以確保即便是焦距不夠短的f-θ鏡聚焦下，也能超高速打孔。

激光束經(jīng)過棱鏡前聚焦鏡聚焦，以聚焦光束打到多面棱鏡上，確保多面棱鏡上的光斑較小并不會(huì)損壞多面棱鏡，控制了多面棱鏡的尺寸，輕量化多面棱鏡。在確保單鏡面反射掃描范圍滿足雙光路下，多面棱鏡面數(shù)越多，相同轉(zhuǎn)速下的棱鏡分光頻率越大，單位時(shí)間內(nèi)密集打孔個(gè)數(shù)越多，足以實(shí)現(xiàn)單光路10000孔/s-100000孔/s量級(jí)。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。