一种高效激光清洗装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高效激光清洗装置及方法。本发明专利技术包括控制器、光纤激光器阵列、激光耦合器、激光准直器、变焦激光清洗头。本发明专利技术采用所述光纤激光器阵列可以实现超高激光器功率输入，提高清洗效率。针对不同的应用场景，所述变焦激光清洗头可将输入激光的圆形光斑转换成长度可调的能量分布均匀的线形光斑，提高清洗效果和清洗效率。同时，针对待清洗样品凹凸不平表面，所述变焦激光清洗头可以实现大焦深，保证一定离焦范围内清洗效果一致。本发明专利技术同时提供了色差校正片、实时监测器件、镜头保护片等，保证了本装置激光清洗的效果好、效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种高效激光清洗装置及方法
本专利技术涉及激光清洗领域，具体涉及一种高效激光清洗装置及方法。
技术介绍
激光清洗是基于光与物质相互作用的一种新型高效的环保清洗技术，激光清洗具有无研磨、非接触、热效应小和适用于多种材质的物体等清洗特点，被认为是可靠、有效和环保的清洗技术。激光清洗相比于传统的化学清洗，能够有效降低对环境的破坏程度。相比于人工清洗，能够极大提升清洗的效率。因此，激光清洗被誉为21世纪的绿色清洗方式，未来有望应用于航空航天、高铁、海洋、核电等重要工程领域。激光清洗通过无机械接触的方式，使激光直接作用在污染物/氧化层上，使污染物直接发生气化、烧蚀、光分解等相互作用，最终实现精确可控的表面污染物/氧化层薄层去除。激光与清洗物体表面至少可以产生三个方面的作用：1、热膨胀效应，即利用基底与表面污染物对某一波长激光能量吸收系数的差别，使基底物质与表面污物吸收能量产生热膨胀，从而克服基底对污染物的吸附力而脱落；2、分子的光分解或相变，即在瞬间使污垢分子或使人为涂上的辅助液膜汽化、分解、蒸发或爆沸，使表面污垢松散并随此作用脱离基底表面；3、激光脉冲的冲击振动效应，利用高频率的脉冲激光辐照待清洗表面，使光束转变为声波产生共振使污垢层或凝结物振动碎裂。激光清洗具有清洗质量高、无耗材、效率高且不产生污染废水的突出优点。激光清洗不需使用任何化学药剂和清洗液，清洗下来的废料基本上都是固体粉末，体积小、易于存放、可回收，可以轻易解决化学清洗带来的环境污染问题；激光可以通过光纤传输，与机器手和机器人相配合，方便地实现远距离操作，能清洗传统方法不易达到的部位，这在一些危险的场所使用可以确保人员的安全；激光清洗能够清除各种材料表面的各种类型的污染物，达到常规清洗无法达到的清洁度。而且还可以在不损伤材料表面的情况下有选择性地清洗材料表面的污染物。目前，激光清洗已经成功应用于碳钢表面除锈、青铜类/石质类文物除污、飞机表面除漆、橡胶模具表面除残留物、印刷电路板清洗等众多领域。然而，目前激光清洗领域，仍然存在着诸多不足之处：(1)一般均采用单一波长的脉冲激光器进行清洗加工，完全依赖高斯激光束的重叠扫描将材料表面的污染物烧蚀去除，受限于不同材料对单一波长激光能量的吸收率以及激光与物质相互作用机理差异，难以针对多种成分(金属锈蚀、有机高分子附着物、无机氧化物等)的复合型污染物进行彻底清除，清洗质量不高，不能胜任复杂污染物的超精细清洗需求。(2)部分清洗场景(如金属表面除锈、除漆)需要较高的清洗阈值，如果再进一步提高清洗效率，则需要较大的激光器功率，目前商用稳定的激光器功率往往达不到要求。(3)很多激光清洗系统中激光加工头中的激光经过激光反射镜后通过聚焦镜聚焦后作用在清洗样品表面，通常反射镜出来的光束经过聚焦后形成一个很小的光斑，这样在激光清洗时就在清洗样品上形成点光斑，光斑分布不均匀，导致清洗时光斑中心位置的效率高，光斑两侧低，即清洗效果不均匀。(4)目前激光清洗系统一般采用一维或二维振镜扫描的方式，这种方式操作简单，但是由于振镜在往复摆动过程中在两个端点的位置由于加减速的过程会造成局部的能量集中，容易对样品表面的局部位置造成过烧。而且清洗样品的过程是有一个一个的激光点斑搭接组成，为了保证清洗效果，需要设置一定的光斑搭接率，这就造成能量损失，清洗效率不高。(5)激光清洗过程的监测方法主要采用激光诱导击穿光谱(LIBS)、激光诱导荧光光谱(LIF)、表面成像(如CCD相机)、声发射技术和测量表面参数(如表面硬度、粗糙度、表面的电位)等方法实现，但是这些监测方法均需要采用较为复杂且昂贵的设备才能实施，并且这些设备操作麻烦。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种高效激光清洗装置。本装置包括控制器、光纤激光器阵列、激光耦合器、激光准直器、变焦激光清洗头。本专利技术采用所述光纤激光器阵列可以实现超高激光器功率输入，提高清洗效率。针对不同的应用场景，所述变焦激光清洗头可将输入激光的圆形光斑转换成长度可调的能量分布均匀的线形光斑，提高清洗效果和清洗效率。同时，针对待清洗样品凹凸不平表面，所述变焦激光清洗头可以实现大焦深，保证一定离焦范围内清洗效果一致。针对不同的待清洗样品，所选用的清洗激光波长也有所不同，所述变焦激光清洗头内可选配色差校正片，针对不同的波长，经过色差校正后可以方便使用同一激光清洗头，灵活方便且降低清洗成本。所述变焦激光清洗头内含实时监测器件，通过收集清洗样品表面的反射率可以简单有效的监控清洗效果。所述变焦激光清洗头内含激光清洗镜头保护器件，有效隔绝清洗外部环境，保护激光清洗头的使用效果和使用寿命。增加吸尘器，及时处理清洗过程中的粉尘和烟雾颗粒等。本装置清洗效果好，清洗效率高。本专利技术的技术解决方案如下：光纤激光器阵列输出激光波长λ，输出激光经光纤传输至激光耦合器，所述激光耦合器将激光耦合进传能光纤后传输至激光准直器，激光经过所述激光准直器后变成平行光束进入变焦激光清洗头，所述变焦激光清洗头外形如装置图1中虚线所示，其内部构造按照激光传输方向依次是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜、一维扫描振镜、第十五透镜、吸尘器、实时监测器件。激光经过所述第十五透镜之后打到待清洗样品表面上。用于控制和数据采集的电脑与所述光纤激光器阵列相连。所述电脑与变焦激光清洗头相连。所述电脑与一维扫描振镜相连。所述电脑与实时监测器件相连。所述第一透镜为平面透镜、第二透镜为负透镜、第三透镜为负透镜、第四透镜为正透镜、第五透镜为正透镜、第六透镜为负透镜、第七透镜为正透镜、第八透镜为负透镜、第九透镜为正透镜、第十透镜为正透镜、第十一透镜为负透镜、第十二透镜为正透镜、第十三透镜为负透镜、第十四透镜为正透镜、第十五透镜为平面透镜。所述第二透镜为双凹透镜、第三透镜为双凹透镜、第四透镜为双凸透镜、第五透镜为双凸透镜、第六透镜为双凹透镜、第七透镜为弯月形凸透镜、第八透镜为弯月形凹透镜、第九透镜为弯月形凸透镜、第十透镜为双凸透镜、第十一透镜为弯月形凹透镜、第十二透镜为柱面平凸透镜、第十三透镜为柱面平凹透镜、第十四透镜为柱面平凸透镜。所述第二透镜设置有孔径光阑。所述第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜均为球面透镜；第一透镜、第十透镜为非球面透镜。所述第三透镜、第四透镜和第五透镜的组合焦距为f3-5，所述第六透镜、第七透镜和第八透镜的组合焦距为f6-8，所述第九透镜、第十透镜和第十一透镜的组合焦距为f9-11，且5<∣f9-11/f6-8∣<15，0.5<∣f6-8/f3-5∣<1.5。所述第十二透镜的焦距为f12，所述第十三透镜的焦距为f13，所述第十四透镜焦距为f14，且0.5<∣f12/f13∣<1.5，2<∣f14/f13∣<5。所述第二透镜的透光孔径为D1，且5毫米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效激光清洗装置，其特征在于，包括：控制器(C)、光纤激光器阵列(L)、激光耦合器(1)、激光准直器(2)、变焦激光清洗头(3)；/n所述光纤激光器阵列(L)输出波长λ的激光，经由激光耦合器(1)耦合进传能光纤后传输至激光准直器(2)，激光经过所述激光准直器(2)后变成平行光束进入变焦激光清洗头(3)；/n所述变焦激光清洗头(3)内部构造按照激光传输方向依次是第一透镜(301)、第二透镜(302)、第三透镜(303)、第四透镜(304)、第五透镜(305)、第六透镜(306)、第七透镜(307)、第八透镜(308)、第九透镜(309)、第十透镜(310)、第十一透镜(311)、第十二透镜(312)、第十三透镜(313)、第十四透镜(314)、一维扫描振镜(315)、第十五透镜(316)、实时监测器件(318)，激光经过所述第十五透镜(316)之后打到待清洗样品表面(4)上；/n所述控制器能够控制所述光纤激光器阵列(L)输出同步脉冲激光，所述控制器能够控制变焦激光清洗头(3)进行变焦以调节清洗激光线宽，所述控制器(C)能够控制一维扫描振镜(315)转动，所述控制器(C)能够实时接收实时监测器件(318)的监测数据并根据监测数据发出指令。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高效激光清洗装置，其特征在于，包括：控制器(C)、光纤激光器阵列(L)、激光耦合器(1)、激光准直器(2)、变焦激光清洗头(3)；
所述光纤激光器阵列(L)输出波长λ的激光，经由激光耦合器(1)耦合进传能光纤后传输至激光准直器(2)，激光经过所述激光准直器(2)后变成平行光束进入变焦激光清洗头(3)；
所述变焦激光清洗头(3)内部构造按照激光传输方向依次是第一透镜(301)、第二透镜(302)、第三透镜(303)、第四透镜(304)、第五透镜(305)、第六透镜(306)、第七透镜(307)、第八透镜(308)、第九透镜(309)、第十透镜(310)、第十一透镜(311)、第十二透镜(312)、第十三透镜(313)、第十四透镜(314)、一维扫描振镜(315)、第十五透镜(316)、实时监测器件(318)，激光经过所述第十五透镜(316)之后打到待清洗样品表面(4)上；
所述控制器能够控制所述光纤激光器阵列(L)输出同步脉冲激光，所述控制器能够控制变焦激光清洗头(3)进行变焦以调节清洗激光线宽，所述控制器(C)能够控制一维扫描振镜(315)转动，所述控制器(C)能够实时接收实时监测器件(318)的监测数据并根据监测数据发出指令。


2.根据权利要求1所述的一种高效激光清洗装置，其特征在于，所述第一透镜(301)为平面透镜、第二透镜(302)为负透镜、第三透镜(303)为负透镜、第四透镜(304)为正透镜、第五透镜(305)为正透镜、第六透镜(306)为负透镜、第七透镜(307)为正透镜、第八透镜(308)为负透镜、第九透镜(309)为正透镜、第十透镜(310)为正透镜、第十一透镜(311)为负透镜、第十二透镜(312)为正透镜、第十三透镜(313)为负透镜、第十四透镜(314)为正透镜、第十五透镜(316)为平面透镜；
所述第二透镜(302)为双凹透镜、第三透镜(303)为双凹透镜、第四透镜(304)为双凸透镜、第五透镜(305)为双凸透镜、第六透镜(306)为双凹透镜、第七透镜(307)为弯月形凸透镜、第八透镜(308)为弯月形凹透镜、第九透镜(309)为弯月形凸透镜、第十透镜(310)为双凸透镜、第十一透镜(311)为弯月形凹透镜、第十二透镜(312)为柱面平凸透镜、第十三透镜(313)为柱面平凹透镜、第十四透镜(314)为柱面平凸透镜。
所述第二透镜(302)设置有孔径光阑；
所述第二透镜(302)、第三透镜(303)、第四透镜(304)、第五透镜(305)、第六透镜(306)、第七透镜(307)、第八透镜(308)、第九透镜(309)均为球面透镜；第一透镜(301)、第十透镜(310)为非球面透镜。
所述第三透镜(303)、第四透镜(304)和第五透镜(305)的组合焦距为f3-5，所述第六透镜(306)、第七透镜(307)和第八透镜(308)的组合焦距为f6-8，所述第九透镜(309)、第十透镜(310)和第十一透镜(311)的组合焦距为f9-11，且5<∣f9-11/f6-8∣<15，0.5<∣f6-8/f3-5∣<1.5；
所述第十二透镜(312)的焦距为f12，所述第十三透镜(313)的焦距为f13，所述第十四透镜(314)焦距为f14，且0.5<∣f12/f13∣<1.5，2<∣f14/f13∣<5；
所述第二透镜(302)的透光孔径为D1，且5毫米<D1<10毫米。


3.根据权利要求1所述的一种高效激光清洗装置，其特征在于，所述第二透镜(302)的前后表面的半径分别为-20.1795毫米和20.1795毫米，第三透镜(303)的前后表面的半径分别为-189.7113毫米和19.2800毫米，第四透镜(304)的前后表面的半径分别为19.0070毫米和-17.4884毫米，第五透镜(305)的前后表面的半径分别为52.3556毫米和-55.2488毫米，第六透镜(306)的前后表面的半径分别为-32.0711毫米和40.0056毫米，第七透镜(307)的前后表面的半径分别为39.4392毫米和46.4453毫米，第八透镜(308)的前后表面的半径分别为-22.4407毫米和-60.9624毫米，第九透镜(309)的前后表面的半径分别为-226.9021毫米和-89.5169毫米，第十透镜(310)的前后表面的半径分别为389.8138毫米和-49.3114毫米，第十一透镜(311)的前后表面的半径分别为-51.7762毫米和-143.5781毫米，第十二透镜(312)的前表面的X、Y半径分别为无限大和200.0000毫米，后表面为平面，第十三透镜(313)的前表面为平面，后表面的X、Y半径分别为-150.0000毫米和无限大，第十四透镜(314)的前表面的X、Y半径分别为无限大和600.0000毫米，后表面为平面。


4.根据权利要求1所述的一种高效激光清洗装置，其特征在于，所述第一透镜(301)的中心厚度为5.0000±0.1000毫米，所述第一透镜(301)与第二透镜(302)之间的空气间隔为10.0000±0.1000毫米；所述第二透镜(302)的中心厚度为2.0000±0.1000毫米，所述第二透镜(302)与第三透镜(303)之间的空气间隔为变量，变化范围从9.4550±0.1000至30.0000±0.1000毫米；所述第三透镜(303)的中心厚度为2.0000±0.1000毫米，所述第三透镜(303)与第四透镜(304)之间的空气间隔为0.0500±0.1000毫米；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：周志强，佟艳群，任旭东，丛嘉伟，陈兰，周王凡，任乃飞，上官剑锋，马健，杨键，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32