CN114563870B

CN114563870B - 一种激光振镜扫描装置

Info

Publication number: CN114563870B
Application number: CN202210189911.8A
Authority: CN
Inventors: 秦应雄; 李恒阳
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2042-02-28
Also published as: CN114563870A

Abstract

本发明公开了一种激光振镜扫描装置，属于激光加工领域。装置包括：聚焦镜组、分光式振镜和透射光吸收模块。入射光被聚焦镜组汇聚，照射在分光式振镜上的激光发生透射和反射产生透射光和反射光，透射光被透射光吸收模块吸收，反射光用于激光加工。其中，分光式振镜的入射面镀增反膜，背面镀增透膜，振镜基材选择低吸收材料，通过减少正面介质增反膜的层数和减少透射光在振镜后表面的反射，有效降低振镜膜层和基体材料吸收的激光能量，大幅提高振镜承受的激光功率，同时保证膜层较高的损伤阈值。本发明在高功率激光加工以及其他振镜扫描能量传输过程有广泛的应用。

Description

一种激光振镜扫描装置

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种激光振镜扫描装置。

背景技术

激光扫描振镜系统是一种利用若干由伺服电机控制的可转动反射镜控制光束传播方向的系统，由计算机控制电机动作，实现在工件表面或内部的不同位置形成聚焦。振镜镜片是将机械运动作用在光线轨迹的直接核心器件，其在反射激光的同时，不可避免地会吸收部分光能转化成热能。

工作状态下，振镜镜片吸收能量导致的温升不能被忽视。为了在振镜工作中的每个角度都得到高反射率，一般在振镜镜片的工作面镀多层介质膜、Al膜，而介质膜材料、膜层之间的界面和镜片基体都会吸收部分光能；此外，振镜背面通常被毛化处理。这些因素都会导致振镜镜片的整体吸收率高。由于生产实际中对振镜的运动速度由很高的要求，振镜的转动惯量需要很小，故难以在高速振镜本体上添加复杂的液冷热沉装置。

光纤激光器的最大输出功率已经在万瓦、十万瓦级，而振镜系统由于热承载能力不足，在5000瓦以上的功率就有损坏风险，无法匹配地应用在高功率激光加工中。振镜镜片的热累积是振镜加工设备向更高功率加工发展的最大瓶颈。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光振镜扫描装置，旨在解决振镜镜片的热累积的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光振镜扫描装置，包括聚焦镜组、分光式振镜和透射光吸收模块；入射激光被聚焦镜组汇聚，照射在分光式振镜上的激光大部分反射，小部分透射穿过振镜，透射光被透射光吸收模块吸收，反射光用于激光加工；

其中，分光式振镜的入射面除外保护膜外，镀有不大于17层的高低折射率交替的介质增反膜，不使用金属膜打底，从而实现了大部分反射、小部分透射、超低吸收的效果。更少层数的增反膜，可以减少膜层材料和膜层之间界面对光的吸收。介质膜层中高折射率材料包括但不限于HfO₂，低折射率材料包括但不限于SiO₂。出射面的背面镀有增透膜，以得到超高透射率。此设计通过让更少层数的反射膜暴露在高功率激光下，提高了入射面增反膜的损伤阈值和良品率。同时，特殊设计的膜层和低吸收率的振镜基材，减少光在振镜镜片基材中的来回反射从而，减少振镜和膜层吸收的光能，使其能匹配更高功率的激光源。

其中，振镜入射面增反膜的反射率为90％～99％，出射面增透膜的透过率>99％。

振镜基体材料是使用在工作波长吸收率极低的材料，包括但不限于高纯度SiO₂。

进一步地，分光式振镜的背面面型设为倾斜面或锯齿形，倾斜角度取有利于激光入射到背面时入射角小的角度。锯齿形以适应在大角度入射情形下使用振镜的情况。在入射角超过70°时，振镜后表面的反射率将远高于50％，接近全反射条件，不利于设计增透膜系。本方案在振镜背面设计一种锯齿形的结构，锯齿的方向和角度都由入射光的角度决定，尽可能使经过振镜镜片的入射光到达振镜镜片后表面时的入射角最小，此法可以大大减少镀膜层数，提高制造效率和耐用性。同时，锯齿形结构能在改变振镜后表面面型的同时控制镜片的转动惯量，不因为引入不对称面型而导致振镜的质量分布不均，导致振镜电机工作负载增大、响应不灵敏。

优选地，振镜镜片的基体材料为在激光波段吸收率低的材料以最大程度减少激光在透镜介质中传播时的吸收。振镜正面的增反膜反射率设计在90％～99％范围，相比在高功率激光加工中使用的超过99.5％以上反射率的增反膜，反射率下降，膜层层数、厚度大大减小，使膜层的吸收减小。反面的增透膜层将透射率控制在99％以上，大大减少透射光经过镜片基材一次到镜片后表面时的反射，让绝大部分光从后表面透射从而减少再次被反射回镜片中的能量占比。以上的设计目的均为尽可能减少激光照射下的振镜的温升，使振镜能匹配高功率激光加工的应用场景，通过对光学镀膜层数、工艺的控制将镜片的膜层和镜片基体内对激光吸收控制在最低水平。

优选地，透射光吸收结构将被设置在振镜后。比如在通过振镜的透射光传播路径上设置为带水冷的毛化表面吸光结构。

装置还包括用于连接、控制的软硬件，如电机和夹具，以及控制振镜运动的驱动器、软件等，电机用于通过夹具控制分光式振镜的运动，调整光线偏折角度使得激光聚焦在工件表面。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

有益效果：

1、本发明通过对分光式振镜前后膜层的设计和振镜基材的选择，实现了在不增加振镜转动惯量的前提下，大大减少振镜由于光吸收导致的温升，使振镜这一经典的激光加工装备得以应用在万瓦级高功率的激光加工、激光清洗领域。

2、本发明提供的激光振镜扫描装置适当减少了振镜正面增反膜的层数，减小了镀膜的工艺难度和成本。

附图说明

图1为本发明所述的分光式振镜的结构示意图。

图2为本发明实施例一提供的激光振镜扫描装置的结构示意图。

图3为本发明实施例二提供的激光振镜扫描装置的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：1、聚焦镜组，2、分光式振镜，3、透射光吸收模块，4、工件，5、振镜运动控制相关组件，2-1、多层增反膜，2-2、振镜基体，2-3、多层增透膜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

首先对本发明所述的增反膜和增透膜的原理进行说明。光在两介质的界面会发生反射和折射，其中折射光会进入与入射光不同的另一种介质内部，这里称透射光。根据菲涅尔公式，s光和p光，在不同角度都会有一部分能量被反射，一部分能量透射。为了在目的不同的工作界面让更多的光反射或者透射，需要在光学镜片的基材上进行镀膜。多层介质膜能利用光在各层膜之间的干涉得到很高的反射率或者透射率。一般来说，膜层数越多，增反或者增透能力越强，但随着膜层变厚，增反增透的效果体现出明显的边际效应，同时，膜层材料对光有一定的吸收作用，镀膜过程中在膜层材料中引入的杂质，在大功率激光照射时，非常容易导致膜层损伤。

当光正入射时，设增反膜是高折射率-低折射率交替结构，共2s+1层，每一层模厚度为

其中靠近空气和靠近基板的两层都是高折射率层。则根据相关物理光学公式和膜层、基材折射率，有反射率R：

其中，n₀是空气的折射率，n_h是高折射率膜层材料的折射率，n_l是低折射率膜层材料的折射率，n_g是镜片基板材料的折射率。

图1为本发明所述的分光式振镜的结构示意图。正面镀多层增反膜，镀膜后的正面反射率(反射光强/输入光强)控制在90％～99％，背面镀多层增透膜，背面透射率(出射光强/从振镜基体进入增透膜之前的光强)控制在99％以上。振镜基材可选择石英玻璃等对光吸收作用相对微弱的材料。设镀膜后，正面反射率为97％，背面透射率为99.5％，则相比传统工艺，正面镀99.8％的增反膜，考虑极端情况(镜片后表面完全反射或吸收)，被镜片后表面反射的光会在镜片基材中来回反射直至被完全吸收，则在65°入射角时，10000瓦的偏振随机光在传统方法的振镜镜片条件下，基体吸收的能量约为3.3瓦，而本发明给出的振镜镜片基体吸收的能量约为1.5瓦。假设镀膜采用的高低折射率材料分别为折射率2.4的TiO₂，折射率1.38的MgF₂，则传统方法需至少镀12个完整的高低折射率结构，而使用本发明给出的方法则可以只镀7个。设两种膜层的单层吸收均在0.01％左右，则传统方法膜层吸收约25瓦，本发明给出的膜层吸收小于15瓦。可见，本发明给出的方法将振镜镜片上的损耗降低了42％。同时，本例给出了一种锯齿形振镜镜片后表面的形式，后表面的锯齿形倾斜角度按照能让光线以尽可能小的入射角入射为设计原则，这样能减少增透膜层数。

图2为本发明实施例一提供的一种激光振镜扫描装置，用于激光清洗。入射光线先被聚焦镜组聚焦，经过振镜时，绝大部分的能量反射，少部分能量穿过振镜基材，被增透膜透射，极少部分被振镜吸收。透射光被锯齿型倾斜后表面折射，传播一段距离后被毛化表面的吸收结构吸收，透射光热处理结构中有水冷。反射光因振镜系统的调控，在加工材料的特定位置形成焦点。

图3为本发明实施例二提供的一种激光振镜扫描装置，用于激光加工。其对于激光调控的原理和对于振镜镜片的设计方法，与实施例一相同。为了实现加工平面上两个自由度的反射光因振镜系统的调控，在加工材料的特定位置形成焦点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种激光振镜扫描装置，其特征在于，包括聚焦镜组、分光式振镜和透射光吸收模块；照射在所述分光式振镜上的激光发生透射和反射产生透射光和反射光，透射光被所述透射光吸收模块吸收，反射光用于激光加工；

其中，所述分光式振镜的入射面镀有增反膜，入射面的背面镀有增透膜；分光式振镜的背面面型设为倾斜面或锯齿形，倾斜角度取有利于激光入射到振镜后表面时入射角小的角度。

2.如权利要求1所述的激光振镜扫描装置，其特征在于，所述增反膜的反射率为90％～99％，增透膜的透过率>99％。

3.如权利要求2所述的激光振镜扫描装置，其特征在于，所述增反膜的结构为高低折射率交替的介质膜层，层数不大于17层。

4.如权利要求1所述的激光振镜扫描装置，其特征在于，聚焦镜组置于振镜之前，焦距取激光透过聚焦镜组后被振镜反射到工作面的平均总光程。

5.如权利要求1所述的激光振镜扫描装置，其特征在于，所述透射光吸收模块为带水冷的毛化表面吸光结构。

6.如权利要求1所述的激光振镜扫描装置，其特征在于，还包括电机和夹具，电机用于通过夹具控制分光式振镜的运动，调整光线偏折角度使得激光聚焦在工件表面。