一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置的制作方法

本实用新型涉及激光扫描加工领域，具体涉及一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置。

背景技术：

一、激光加工技术是利用激光束与物质相互作用特性，对材料进行表面标记、雕刻、切割、焊接、打孔等加工技术的总称。激光由于其高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的优点，激光加工技术作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

激光扫描加工技术是激光加工最大的应用领域之一。例如，激光扫描标记、雕刻、蚀刻，是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，这对产品的防伪有特殊的意义。激光扫描清洗是利用聚焦光束在材料表面地毯式扫描，将产品表面的生锈、氧化、灰尘等清扫汽化，从而实现产品的清洁。

激光扫描加工技术的优点主要有：

1、适应性广泛，可以对多种金属、非金属材料（铜、铝、铁、不锈钢、皮革、塑料等）加工。

2、非接触加工，对产品无应力及变形，激光是以非机械式的“刀具”进行加工，对材料不产生机械挤压或机械应力，无“刀具”磨损，无毒，很少造成环境污染。

3、加工精度高，激光束很细，使被加工材料的消耗很小。

4、操作简单，使用微机数控技术能实现自动化加工，能用于生产线上对零部件进行高效率加工，能作为柔性加工系统的一部分。

5、环保无污染。

二、如图1~3所示，是为常见的激光扫描设备的结构原理图，其一般包括激光发生器0001、扩束镜0002、扫描振镜5001和聚焦透镜5002四个部分，其原理如下：

1、激光发生器0001发出的激光束5004，首先经过扩束镜0002的扩束，即可增大激光束直径，扩束后的光束为平行光束。

2、激光束5004入射到扫描振镜5001，扫描振镜的作用主要是利用反射原理对激光束5004进行偏转。激光束5004通过扫描振镜5001的外壳上的光束入射口5005进入扫描振镜5001内部，首先入射到扫描振镜偏转镜片5008上，然后经过其反射，再入射到扫描振镜偏转镜片5010上，并且被其反射，然后入射到聚焦透镜5002中，并被聚焦，得到聚焦激光束，聚焦激光束其焦点所在的平面是为激光束聚焦平面5003。

3、扫描振镜5001的主要原理是利用其内部的扫描振镜偏转镜片5008和扫描振镜偏转镜片5010两个反射镜片对入射的激光束5004进行反射。扫描振镜偏转镜片5008和扫描振镜偏转镜片5010是为两个反射镜片，其表面根据激光发生器0001发出激光束的波长，即入射激光束5004的波长，进行对应的镀膜，镀针对激光束的高反射膜。

4、扫描振镜偏转镜片5008和扫描振镜偏转镜片5010分别可以在偏转电机的带动下快速转动，扫描振镜偏转镜片5008是由扫描振镜偏转电机5009带动偏转；扫描振镜偏转镜片5010是由扫描振镜偏转电机5009带动偏转。如图所示，扫描振镜偏转电机5009、描振镜偏转镜片5010外形呈圆柱体形，皆可绕其自身圆柱体中心的轴旋转从而带动偏转镜片发生偏转。扫描振镜偏转电机5009根据接收的信号而转动一定角度，同时转动过程中传感器检测实际发生的转动角度，并将转动改变量转变为电信号，反馈给控制器，控制器根据反馈的数值判断是否达到需要转动到达的角度，从而实现闭环控制。目前扫描振镜偏转电机及偏转镜片已经模块化，具有成熟的商用标准产品。

5、随着扫描振镜偏转镜片5008和扫描振镜偏转镜片5010两个反射镜片的偏转，入射激光束5004及其被两个反射镜片反射的激光束也会产生角度变化，所以角度变化的激光被聚焦透镜5002聚焦后，可以获得聚焦在不同位置的焦点，从而可以进行加工，例如图中聚焦激光束5006和聚焦激光束5007就是入射激光束被反射到不同角度后，分别被聚焦而形成的聚焦光束对示意图。因聚焦透镜5002呈圆形，所以聚焦激光束可以在一定范围内聚焦将焦点聚焦到一个平面上，即同时位于激光束聚焦平面5003，在此平面上激光被聚焦，聚焦后激光束焦点非常小，能量密度高，可以对材料进行加工。

三、对于上述的激光扫描设备，对于普通应用可以满足，但是对于部分应用，经常遇到以下问题：

1、部分应用难以实现最佳加工效果

因为激光器发生器0001发出的激光束5004的横截面一般是近似的椭圆形，圆度（椭圆的短边与长边的比值）一般是0.9~0.98之间，但是并非正圆，一般圆度非常难以达到1。导致激光束聚焦平面上，激光光斑也是椭圆形。对于大部分的普通激光加工应用，基本可以满足要求，但是对于部分应用：例如需要聚焦后的光斑是正圆的情况，例如，需要在被加工物品表面标刻、雕刻、蚀刻圆形的点，或者利用多个光斑将被加工物品击穿形成圆形的孔，此时就会产生加工完成后，被加工位置的标记图形或者孔是椭圆形而非正圆，此时无法实现最佳加工，而且加工效果的椭圆形与激光束5004的截面的圆度相关。

因此，此时需要将激光束5004的横截面变换成圆形，以提升加工效果达到最佳状态。

2、特殊应用如线扫描、线蚀刻难以实现

对于常见的激光扫描标记、雕刻、蚀刻、清洗等设备的外光路结构，当激光发生器0001、扩束镜0002、聚焦透镜5002确定后，那么聚焦光斑的形状和尺寸就确定，且在不更换硬件的基础上，无法更改形状及尺寸。

那么对于激光扫描加工应用，比如用激光标记、雕刻、蚀刻、清洗等可能会用到的激光扫描划线动作，即扫描一条直线，当要求的直线宽度和聚焦光斑加工所得的直线宽度相等或者成倍数关系时候，可以方便的实现，而当要求的扫描直线宽度与聚焦光斑加工的线宽不具有倍数关系时候，就难以实现，例如，假设，聚集后光直径约2mm，那么将聚焦光斑连成直线，则实际加工的线宽度约1.41mm，如图4所示。但是当需要扫描加工线宽为2.1mm的矩形时候，则无法实现或者效果很差。如要求加工的图形宽度2.1mm长度28.4mm的矩形，如图5所示。如果仍然使用上述光斑加工，则如图6所示。

上述加工方式存在问题，即如果只扫描一次，则需要加工的图形无法完成，因为仍然有部分未扫描到，如果扫描两次，导致效率降低，同时，两次扫描的重叠区域比较多，因重叠区域重复加工导致该区域加工效果变差。

而如果使用变形后的光斑，则使用最佳的光斑形状获得最佳的加工，如图7所示，一方面可以加工效率提升一倍，一方面加工效果方面，可以以最小的重叠面积得到要求加工的矩形。

3、加工效率欠缺

如上述所述，当要求加工的图形与聚焦光斑直径不成倍数关系时候，为了实现图形完整加工，不得不多次扫描，从而增加了加工时间。

4、当前部分光束整形器件、装置等成本高昂且适应性差

为了解决上述问题，出现了衍射光学原器件等光束整形器件或装置，然而，一方面，其器件或者装置一旦成型，即只针对某一种光束截面进行变换，然而，因为激光器批量生产无法完全统一，以及不同的激光加工应用需要光束截面变换的结果不同。所以适应性差。另外，因为此类器件或者装置属于针对性生产，生产量小导致成本高昂。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置。

本实用新型的技术方案如下：

一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置，包括由外壳和底板所组成的密闭空间，所述外壳相对的两侧开设有光束入射孔和光束出射孔，所述密闭空间内沿着所述光束入射孔到光束出射孔的方向上并排设置有固定在所述底板上的第一光束调节机构和第二光束调节机构，所述第一光束调节机构包括第一旋转台、设置在第一旋转台上的第一棱镜安装座、以及设置在第一棱镜安装座上的第一棱镜，所述第二光束调节机构包括第二旋转台、设置在第二旋转台上的第二棱镜安装座、以及设置在第二棱镜安装座上的第二棱镜，所述第一棱镜位于所述光束入射孔与第二棱镜之间，所述第二棱镜位于所述光束出射孔与第一棱镜之间。

进一步的，所述第一旋转台的一侧设置有第一手动调节螺杆，通过手动转动所述第一旋转台。

进一步的，所述第二旋转台的一侧设置有第二手动调节螺杆，通过手动转动所述第二旋转台。

进一步的，所述第一旋转台的一侧还设置有第一锁止机构，通过该第一锁止机构锁定第一旋转台。

进一步的，所述第二旋转台的一侧还设置有第二锁止机构，通过该第二锁止机构锁定第二旋转台。

进一步的，所述第一棱镜采用直角棱镜。

进一步的，所述第二棱镜采用直角棱镜。

进一步的，所述第一光束调节机构还包括第一旋转台底座，所述第一旋转台设置在该第一旋转台底座上，所述第一旋转台底座上分别设有四个第一腰型孔，所述第一旋转台底座通过所述四个第一腰型孔固定在底板上。

进一步的，所述第二光束调节机构还包括第二旋转台底座，所述第二旋转台设置在该第二旋转台底座上，所述第二旋转台底座上分别设有四个第二腰型孔，所述第二旋转台底座通过所述四个第二腰型孔固定在底板上。

进一步的，该装置适用于光束波长范围在190nm~10.6um的激光器。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型适用于光束波长范围在190nm~10.6um之间的所有波长的激光器，入射光束可以是圆形或者椭圆形，先后经过第一棱镜和第二棱镜，得到出射光束。通过两个直角棱镜，光束横截面中一个方向的尺寸发生变化，但另一个方向的尺寸保持不变，所以可以实现光束横截面形状调整。第一棱镜和第二棱镜可分别通过第一旋转台和第二旋转台来转动调节位置角度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为常见的激光扫描设备的结构原理图之一；

图2为常见的激光扫描设备的结构原理图之二；

图3为常见的激光扫描设备的结构原理图之三；

图4为常见的激光扫描设备的激光聚焦光斑扫描直线加工示意图；

图5为常见的激光扫描设备需要加工的矩形图形；

图6为图5的激光聚焦光斑扫描加工示意图之一；

图7为图5的激光聚焦光斑扫描加工示意图之二；

图8为本实用新型实施例提供的一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置的外观示意图；

图9为本实用新型实施例提供的一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置的透视图；

图10为本实用新型实施例提供的一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置的内部结构俯视图；

图11为本实用新型实施例提供的一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置的内部结构主视图；

图12为本实用新型实施例提供的一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置的内部结构立体图；

图13为本实用新型实施例提供的一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置的光路原理示意图；

图14为本实用新型实施例提供的一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置的光路调节示意图之一；

图15为本实用新型实施例提供的一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置的光路调节示意图之二。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、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实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例

本实用新型实施例提供一种应用于激光加工的激光光束截面调节装置，本装置针对常用激光器（指图1中的激光发生器0001），其适用于光束波长范围在190nm~10.6um之间的所有波长的激光器，常见的即波长为265nm、355nm、532nm、632nm、880nm、870nm、1064~1070nm、9.3um、10.2um、10.6um的激光器。

请参阅图8、图9，从外观来看，该装置具有外壳0061和底板0062，外壳0061与底板0062组成密闭空间，外壳0061相对的两侧开设有光束入射孔0007和光束出射孔0008，方便光束入射到装置内，密闭空间内沿着光束入射孔到光束出射孔的方向上并排设置有固定在底板上的第一光束调节机构和第二光束调节机构，光束经过第一光束调节机构和第二光束调节机构变换后出射。另外，外壳0061具有防止灰尘、保护光学器件作用，同时外壳0061具有防止光束在装置内部发生反射、折射等产生杂散光影响其他器件。

本实施例，该装置呈方形，可方便的放入到激光加工设备的光路中，实用性强。

请再参阅图10、图11、图12，第一光束调节机构包括第一旋转台底座0901、设置在第一旋转台底座0901上的第一旋转台0903、设置在第一旋转台0903上的第一棱镜安装座0905、以及设置在第一棱镜安装座0905上的第一棱镜0906。第二光束调节机构包括第二旋转台底座0911、设置在第二旋转台底座0911上的第二旋转台0913、设置在第二旋转台0913上的第二棱镜安装座0915、以及设置在第二棱镜安装座0915上的第二棱镜0916。其中，第一旋转台底座0901上分别设有四个第一腰型孔0902，第一旋转台底座0901通过四个第一腰型孔0902固定在底板0062上。第二旋转台底座0911上分别设有四个第二腰型孔0912，第二旋转台底座0911通过四个第二腰型孔0912固定在底板0062上。第一腰型孔0902和第二腰型孔0912的作用是方便将第一旋转台底座0901和第二旋转台底座0911固定到底板0062上，同时方便调节第一旋转台底座0901和第二旋转台底座0911移动，沿着第一腰型孔0902和第二腰型孔0912的长边方向移动。

第一棱镜位于光束入射孔与第二棱镜之间，第二棱镜位于光束出射孔与第一棱镜之间。光线从光束入射孔进入依次通过第一棱镜和第二棱镜反射后从光束出射孔出射。由于光路可逆，在该结构基础上，光路反向仍然适用。

入射光束横截面如图13的1001和1002所示，即入射光束可以是圆形1001或者椭圆形1002，先后经过第一棱镜0906、第二棱镜0916折射，得到出射光束1003和1004。

本实施例，所述第一棱镜0906和第二棱镜0916均采用直角棱镜。

可见，经过两个直角棱镜，光束横截面中一个方向的尺寸发生变化，但另一个方向的尺寸保持不变，所以可以实现光束横截面形状调整。比如，当入射光束接近圆形，其截面如1001所示，最终可得出射光束1003，此时光束变为椭圆形。

图13中，光路计算采用石英材料，即第一棱镜0906和第二棱镜0916材质是石英，并假设入射光束波长为632nm，此时折射率为1.45701。

第一棱镜0906和第二棱镜0916的材质根据光束的波长而对应选择，包括常见的光学材料，包括但不限于熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃、硒化锌、氟化钙等。

直角棱镜的直角面和斜面，为了增加入射光束的透射，包括但不限于在直角面和斜面镀入射光束的增透膜。

本实施例所采用的直角棱镜，日常使用量大，材料均属于常见材料，加工简单，所以成本较低。

本实施例的第一棱镜0906和第二棱镜0916分别安装在第一棱镜安装座0905和第二棱镜安装座0915上，第一棱镜安装座0905和第二棱镜安装座0915分别安装固定在第一旋转台0903和第二旋转台0913上，第一旋转台0903和第二旋转台0913的功能是调节第一棱镜0906和第二棱镜0916绕其中心轴旋转。

因激光器批量生产的过程难以实现绝对的统一，所以激光器出射光束的横截面呈现近似椭圆形，椭圆的短轴与长轴的比值可以叫做椭圆度e1，椭圆度e1一般是不固定的。另外，不同的激光加工应用所需要的出射光束横截面的椭圆度e2也不同。所以需要进行可调，即一方面，针对某一特定的激光加工应用，其所需要的椭圆度e2固定，然而，针对不同的激光器，其e1不同，因此需要将其变换，得到一致的e2。另外，针对同一激光器，其e1固定，但是在用于不同的激光加工应用时候，需要不同的e2，所以也需要调节变换得到不同的e2。第一旋转台0903和第二旋转台0913两者配合即可实现此功能。

第一旋转台0903的一侧设置有第一手动调节螺杆0904，通过手动转动第一旋转台0903。第二旋转台0913的一侧设置有第二手动调节螺杆0914，通过手动转动第二旋转台0913。通过第一手动调节螺杆0904和第二手动调节螺杆0914，即可实现第一旋转台0903和第二旋转台0913绕中心轴旋转。

当调节完成后，可分别通过第一旋转台0903一侧的第一锁止机构0907锁定第一旋转台0903，及第二旋转台0913一侧的第二锁止机构0917锁定第二旋转台0913。保证稳定性。

本实施例的第一旋转台0903和第二旋转台0913采用常见旋转机构，在其他的领域使用频率较高，所以成本较低。

如图14、15所示，本实施例的第一旋转台0903和第二旋转台0913可固定一个，调节另一个，或者两个同时调节。从而获得不同的变换结果。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。