一种基于多面棱镜四光路双通道激光刻痕光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多面棱镜四光路双通道激光刻痕光学系统，包括组合准直镜阵列模块、柱面聚焦镜阵列模块、棱镜前平反镜组阵列模块、多面棱镜、长条离轴抛物柱面镜阵列模块、吸光阵列模块、长条斜平反镜组阵列模块、长条平反镜阵列模块、长条斜抛物柱面镜阵列模块以及刻痕材料。本发明专利技术提供的一种适用于取向硅钢激光刻痕细化磁畴以降低铁损,具有刻痕速度超快、扫描幅面极宽、加工效率极高等优势，极大程度提高了多面棱镜的利用效率，同时也成倍提升了激光刻痕效率，且适用于光纤激光器激光刻痕应用的基于多面棱镜的四光路双通道激光刻痕光学系统。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多面棱镜四光路双通道激光刻痕光学系统
本专利技术涉及光纤激光刻痕
，更具体地说，本专利技术涉及一种基于多面棱镜四光路双通道激光刻痕光学系统。
技术介绍
取向硅钢片主要用作变压器的铁芯材料。降低取向硅钢片的铁损可以减少变压器工作过程中的能量损耗，这对于节能减排是非常重要的。取向硅钢片的铁损由磁滞损耗和涡流损耗构成，涡流损耗又分为经典涡流损耗和异常涡流损耗。异常涡流损耗是以磁畴壁移动为基础的涡流损失，与磁畴壁的移动速率成正比，在相同频率下，磁畴壁的移动速率与移动距离成正比，所以磁畴宽度越大，涡流损失也越大。在工频状态下，异常涡流损耗约占铁损的一半左右，随着取向硅钢片的不断进步，其所占的比例还在不断增大。激光刻痕是一种通过激光束照射带钢表面，利用激光束的热量在带钢的表面之下产生弹性-塑性形变区域，通过在弹塑性形变区产生的压应力和刻痕间的张应力来减小取向硅钢主畴宽度，从而达到降低其涡流损耗的物理加工方法，这种方法由于大大降低了铁损，而且是非接触加工，具有非常高的可靠性和可控制性，因此常用于取向硅钢细化磁畴以降低铁损。常见的激光刻痕包括CO2激光刻痕、固体激光刻痕、光纤激光刻痕等，CO2激光器、固体激光器电光转换效率较光纤激光器低很多，由于激光器波长原因，取向硅钢对不同波长的吸收率不同，同时激光表面刻痕的时效性与涂层烧损问题，使得光纤激光刻痕具有一定的优越性。目前相对较为高效的激光刻痕方式为扫描刻痕，包括多面棱镜扫描刻痕与振镜扫描刻痕。就已有的多面棱镜激光刻痕方案中，典型代表有通快的碟片激光器多面棱镜刻痕，大体是准直光束入射到内切圆直径极为庞大的多面棱镜上扫描形成有一定夹角的扫描准直光束，后经若干平反镜折返最终由曲面柱面镜聚焦成椭圆光斑，以椭圆光斑长轴方向进行扫描，缺点是多面棱镜内切圆直径几乎为米数量级，严重降低多面棱镜转速，对电机的选择以及稳定性都会造成极大影响，再者不同位置的光束入射到刻痕材料表面的角度不同，这对于整个扫描的一致性提出挑战，另外以平行光入射到多面棱镜上所形成的扫描区域有较大部分能量因为一致性不够必须损失掉，降低了激光器能量利用率。就已有的振镜扫描刻痕中，以中国专利公开号CN101209514A为例，其采用了振镜阵列与激光器阵列搭配，每个振镜系统都采用二维扫描振镜。存在的问题是，大角度振镜扫描频率有限，单个振镜扫描系统扫描速度并不快；无论采用f-θ镜后聚焦，还是采用可调前聚焦，都会造成不同位置光束相对于刻痕表面有不同入射角，一定程度影响刻痕效果一致性；相同振镜扫描角下，前、后聚焦焦距长短都影响扫描范围，且聚焦光斑尺寸较小，除了会引起刻痕材料容易变形外，还易因输入功率波动导致聚焦光斑能量密度波动较大而造成一致性问题；就控制上来讲，各振镜系统无法做到100％同步，这对于小范围扫描的单个振镜系统所扫描的相邻两道刻痕间距有一定影响，不利于整个幅面刻痕的一致性。基于上述各点，本专利技术提出一种基于多面棱镜四光路双通道激光刻痕光学系统，采用对称式光路结构，基于四台激光器，基于多面棱镜高速扫描特性，实现单通道总长米数量级光斑线性扫描，具有刻痕速度超快、扫描幅面极宽、加工效率极高等优势，适用于光纤激光器激光刻痕应用，尤其适用于取向硅钢激光刻痕细化磁畴以降低铁损。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。本专利技术还有一个目的是提供了一种基于多面棱镜四光路双通道激光刻痕光学系统。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于多面棱镜四光路双通道激光刻痕光学系统，包括组合准直镜阵列模块、柱面聚焦镜阵列模块、棱镜前平反镜组阵列模块、多面棱镜、长条离轴抛物柱面镜阵列模块、吸光阵列模块、长条斜平反镜组阵列模块、长条平反镜阵列模块、长条斜抛物柱面镜阵列模块以及刻痕材料；所述组合准直镜阵列模块包含四组相同短焦消像差准直镜组，圆柱状；所述柱面聚焦镜阵列模块包含四片相同长焦柱面透镜，矩形柱状；所述棱镜前平反镜组阵列模块包含八片相同金属平反镜，内置水冷通道，圆柱状，光束偏转角≤90°；所述多面棱镜为正多边形柱状侧面反射棱镜，面数20～100，偶数个反射面，正多边形内切圆直径较小；所述长条离轴抛物柱面镜阵列模块包含四个相同的长向为离轴抛物线宽向为直线的柱面反射镜，长焦；所述吸光阵列模块包含六组吸光材料；所述长条斜平反镜组阵列模块包含八个相同的宽、高向45°斜面平反镜，90°光束偏转角；所述长条平反镜阵列模块包含八个相同的平行平板反射镜，长向45°斜放置，90°光束偏转角；所述长条斜抛物柱面镜阵列模块包含两个宽向抛物线长向直线的柱面反射镜，90°光束偏转角，短焦；所述组合准直镜阵列模块组合准直镜中心轴与对应光路柱面聚焦镜阵列模块柱面聚焦镜中心轴共线；所述组合准直镜阵列模块、柱面聚焦镜阵列模块各镜片中心轴、棱镜前平反镜组阵列模块各平反镜中心轴、多面棱镜垂直于棱的中心对称面；所述长条离轴抛物柱面镜阵列模块各镜片中心对称面共面；所述组合准直镜阵列模块、柱面聚焦镜阵列模块、棱镜前平反镜组阵列模块构成的四路光路结构相互平行且过多面棱镜中心轴有两个中心对称面；所述柱面聚焦镜阵列模块各镜片可沿光轴移动，单向聚焦，聚焦光斑为椭圆长条状光斑，长轴平行于多面棱镜棱，聚焦焦点位置在多面棱镜镜面附近；所述棱镜前平反镜组阵列模块单光路上的两片平反镜可微调角度，确保多面棱镜反射后对应的扫描光束既保证刻痕材料刻痕均匀一致性，又避免多余的光束入射到别的光路上，多余的光束被吸光阵列模块分别吸收；所述多面棱镜转轴为多面棱镜中心轴，匀速转动，最大转动频率1000Hz，单个镜面扫描角稍大于长条离轴抛物柱面镜阵列模块单个长条离轴抛物柱面镜长度，保证入射到长条离轴抛物柱面镜上的光束能量一致性；所述长条离轴抛物柱面镜阵列模块各镜片抛物线焦点在多面棱镜镜面附近，抛物线中心轴垂直于组合准直镜阵列模块对应的组合准直镜中心轴，长条离轴抛物柱面镜对单向聚焦光束实现对应方向的准直扩束，经过长条离轴抛物柱面镜后的光束为准直光束或近似准直光束。优选的是，所述长条离轴抛物柱面镜阵列模块各镜片长度、长条斜平反镜组阵列模块各镜片长度、长条平反镜阵列模块45°长向投影长度相同，且长条斜抛物柱面镜阵列模块各镜片长度两倍于长条离轴抛物柱面镜阵列模块单镜片长度。优选的是，所述长条斜平反镜组阵列模块同一光路中两个长条斜平反镜镜面相互垂直，所有长条斜平反镜反射面长向中心线相互平行，且均垂直于长条离轴抛物柱面镜抛物线的中心轴。优选的是，所述长条平反镜阵列模块各长条平反镜反射面长向中心线、长条斜抛物柱面镜阵列模块各长条斜抛物柱面镜反射面长向中心线共面，且长条平反镜阵列模块每个光路的长条平反镜反射光束均垂直于对应的长条斜抛物柱面镜阵列模块反射面长向中心线。优选的是，所述长条斜抛物柱面镜阵列模块单镜片对应光路中，入射光束为平行或近平行光束，长条斜抛物柱面镜对光束单向聚焦，聚焦光斑为长条椭圆光斑，多面棱镜扫描过程中，椭圆光斑长轴方向共线。优选的是，所述长条斜抛物柱面镜阵列模块聚焦光束垂直入射到刻痕材料上，刻痕材料沿着聚焦光束形成的扫描线垂直方向移动。优选的是，所述长条斜抛物柱面镜阵列模块聚焦光斑长轴长主要取决于激光器参数、组合准直镜阵列模块组合准直镜焦距、柱面聚焦镜阵列模块柱面聚焦镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多面棱镜四光路双通道激光刻痕光学系统，其特征在于，包括组合准直镜阵列模块(1)、柱面聚焦镜阵列模块(2)、棱镜前平反镜组阵列模块(3)、多面棱镜(4)、长条离轴抛物柱面镜阵列模块(5)、吸光阵列模块(6)、长条斜平反镜组阵列模块(7)、长条平反镜阵列模块(8)、长条斜抛物柱面镜阵列模块(9)以及刻痕材料(10)；所述组合准直镜阵列模块(1)包含四组相同短焦消像差准直镜组，圆柱状；所述柱面聚焦镜阵列模块(2)包含四片相同长焦柱面透镜，矩形柱状；所述棱镜前平反镜组阵列模块(3)包含八片相同金属平反镜，内置水冷通道，圆柱状，光束偏转角≤90°；所述多面棱镜(4)为正多边形柱状侧面反射棱镜，面数20～100，偶数个反射面，正多边形内切圆直径较小；所述长条离轴抛物柱面镜阵列模块(5)包含四个相同的长向为离轴抛物线宽向为直线的柱面反射镜，长焦；所述吸光阵列模块(6)包含六组吸光材料；所述长条斜平反镜组阵列模块(7)包含八个相同的宽、高向45°斜面平反镜，90°光束偏转角；所述长条平反镜阵列模块(8)包含八个相同的平行平板反射镜，长向45°斜放置，90°光束偏转角；所述长条斜抛物柱面镜阵列模块(9)包含两个宽向抛物线长向直线的柱面反射镜，90°光束偏转角，短焦；所述组合准直镜阵列模块(1)组合准直镜中心轴与对应光路柱面聚焦镜阵列模块(2)柱面聚焦镜中心轴共线；所述组合准直镜阵列模块(1)、柱面聚焦镜阵列模块(2)各镜片中心轴、棱镜前平反镜组阵列模块(3)各平反镜中心轴、多面棱镜(4)垂直于棱的中心对称面；所述长条离轴抛物柱面镜阵列模块(5)各镜片中心对称面共面；所述组合准直镜阵列模块(1)、柱面聚焦镜阵列模块(2)、棱镜前平反镜组阵列模块(3)构成的四路光路结构相互平行且过多面棱镜(4)中心轴有两个中心对称面；所述柱面聚焦镜阵列模块(2)各镜片可沿光轴移动，单向聚焦，聚焦光斑为椭圆长条状光斑，长轴平行于多面棱镜(4)棱，聚焦焦点位置在多面棱镜(4)镜面附近；所述棱镜前平反镜组阵列模块(3)单光路上的两片平反镜可微调角度，确保多面棱镜(4)反射后对应的扫描光束既保证刻痕材料(10)刻痕均匀一致性，又避免多余的光束入射到别的光路上，多余的光束被吸光阵列模块(6)分别吸收；所述多面棱镜(4)转轴为多面棱镜(4)中心轴，匀速转动，最大转动频率1000Hz，单个镜面扫描角稍大于长条离轴抛物柱面镜阵列模块(5)单个长条离轴抛物柱面镜长度，保证入射到长条离轴抛物柱面镜上的光束能量一致性；所述长条离轴抛物柱面镜阵列模块(5)各镜片抛物线焦点在多面棱镜(4)镜面附近，抛物线中心轴垂直于组合准直镜阵列模块(1)对应的组合准直镜中心轴，长条离轴抛物柱面镜对单向聚焦光束实现对应方向的准直扩束，经过长条离轴抛物柱面镜后的光束为准直光束或近似准直光束。...

【技术特征摘要】
1.一种基于多面棱镜四光路双通道激光刻痕光学系统，其特征在于，包括组合准直镜阵列模块(1)、柱面聚焦镜阵列模块(2)、棱镜前平反镜组阵列模块(3)、多面棱镜(4)、长条离轴抛物柱面镜阵列模块(5)、吸光阵列模块(6)、长条斜平反镜组阵列模块(7)、长条平反镜阵列模块(8)、长条斜抛物柱面镜阵列模块(9)以及刻痕材料(10)；所述组合准直镜阵列模块(1)包含四组相同短焦消像差准直镜组，圆柱状；所述柱面聚焦镜阵列模块(2)包含四片相同长焦柱面透镜，矩形柱状；所述棱镜前平反镜组阵列模块(3)包含八片相同金属平反镜，内置水冷通道，圆柱状，光束偏转角≤90°；所述多面棱镜(4)为正多边形柱状侧面反射棱镜，面数20～100，偶数个反射面，正多边形内切圆直径较小；所述长条离轴抛物柱面镜阵列模块(5)包含四个相同的长向为离轴抛物线宽向为直线的柱面反射镜，长焦；所述吸光阵列模块(6)包含六组吸光材料；所述长条斜平反镜组阵列模块(7)包含八个相同的宽、高向45°斜面平反镜，90°光束偏转角；所述长条平反镜阵列模块(8)包含八个相同的平行平板反射镜，长向45°斜放置，90°光束偏转角；所述长条斜抛物柱面镜阵列模块(9)包含两个宽向抛物线长向直线的柱面反射镜，90°光束偏转角，短焦；所述组合准直镜阵列模块(1)组合准直镜中心轴与对应光路柱面聚焦镜阵列模块(2)柱面聚焦镜中心轴共线；所述组合准直镜阵列模块(1)、柱面聚焦镜阵列模块(2)各镜片中心轴、棱镜前平反镜组阵列模块(3)各平反镜中心轴、多面棱镜(4)垂直于棱的中心对称面；所述长条离轴抛物柱面镜阵列模块(5)各镜片中心对称面共面；所述组合准直镜阵列模块(1)、柱面聚焦镜阵列模块(2)、棱镜前平反镜组阵列模块(3)构成的四路光路结构相互平行且过多面棱镜(4)中心轴有两个中心对称面；所述柱面聚焦镜阵列模块(2)各镜片可沿光轴移动，单向聚焦，聚焦光斑为椭圆长条状光斑，长轴平行于多面棱镜(4)棱，聚焦焦点位置在多面棱镜(4)镜面附近；所述棱镜前平反镜组阵列模块(3)单光路上的两片平反镜可微调角度，确保多面棱镜(4)反射后对应的扫描光束既保证刻痕材料(10)刻痕均匀一致性，又避免多余的光束入射到别的光路上，多余的光束被吸光阵列模块(6)分别吸收；所述多面棱镜(4)转轴为多面棱镜(4)中心轴，匀速转动，最大转动频率1000Hz，单个镜面扫描角稍大于长条离轴抛物柱面镜阵列模块(5)单个长条离轴抛物柱面镜长度，保证入射到长条离轴抛物柱面镜上的光束能量一致性；所述长条离轴抛物柱面镜阵列模块(5)各镜片抛物线焦点在多面棱镜(4)镜面附近，抛物线中心轴垂直于组合准直镜阵列模块(1)对应的组合准直镜中心轴，长条离轴抛物柱面镜对单向聚焦光束实现对应方向的准直扩束，经过长条离轴抛物柱面镜后的光束为准直光束或近似准直光束。2.根据权利要求1所述的一种基于多面棱镜四光路双通道激光刻痕光学系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵华江，李思佳，李思泉，
申请(专利权)人：上海嘉强自动化技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31