用于大功率激光处理的系统和方法技术方案

本文公开了一种大功率激光处理系统，该系统包含激光源和至少一个光学元件。该激光源用于提供第一波长的大功率激光照射，该光学元件包含对于该第一波长照射基本是透明的衬底、在该衬底的第一侧面上的至少一个强反射涂层、以及在该衬底的第二侧面上的至少一个抗反射涂层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及激光处理系统，并尤其涉及用于大功率激光处理系统 的光学元件。
技术介绍
传统的市场上可买到的激光器的功率输出可以是数千瓦级。由于 激光器具有低的总功率效率，所以它们被未转换成有效输出的输入功 率加热。在10%的典型总效率的情况下，激光器内累积超大量的热， 并且通常利用循环冷水、强制通风或它们的组合除去此热量。用于弯 曲、聚焦和指引输出激光束的固定或半固定光学元件也被激光器的废 热加热，但是更重要地被激光束本身照射。由于这些光学元件不能是 完全透明的或具有很好的反射性，所以它们吸收很少量的激光功率并 将其转换成额外的热，此热也必须被除去。谐振腔反射镜、折叠平板、 准直望远镜等等通常是激光器封装的一部分，因此可容易地用该激光 器使用的任何装置冷却。但是，用于将激光束指引到通常被称为扫描头的工件上的系统常 常在物理上远离激光器本身，并且甚至可表现为机械手末端的操纵装 置的形式，或者动态连接到激光器本身。激光器和处理器之间的此远 程和动态连接使得很难以使用激光器内置的相同冷却系统冷却扫描 系统，而在扫描器的位置处设置等效冷却系统通常困难且昂贵。扫描系统需要被冷却的原因如下。激光束照射通常包含一个或两个反射镜以及聚焦透镜的光学器件。尽管这些光学器件在热激光器环 境之外，并且激光束在它们的位置处扩展从而减小激光束的功率密 度，但是冲击反射镜的所有功率并未都被反射。少量的激光束功率、通常为0.3%-0.5%可用于加热每个反射镜。在激光束功率为6kW时， 0.3%为30W，该功率如果被吸收则会将反射镜的大部分加热到会损 坏反射镜的温度。用于激光器本身的反射镜被固定在适当位置，因此可与激光器框 架牢固地热接触，该框架如果被有源冷却则会提供通到有源冷却介质 的具有低热阻的传导通路。另一方面，用于将激光束指引到工件的反 射镜通常被支承在细长的致动器轴上，该致动器轴通常是旋转受限的 力矩马达的轴。出于与马达本身对加热的影响的敏感性有关的原因， 该轴故意用具有高热阻的材料例如不锈钢制成。结果，反射镜的唯一 有效冷却机制是自然对流。可示出，当周围空间例如为20'C并且平板例如为50"C时，平板 的由自然对流导致的热损失大约是平板表面的6.6xl(r2W/cnr2。此设 定了在希望将平板即反射镜的温度保持为或低于50。C的情况下该平 板可吸收的功率的上限。这通常是希望的，因为否则反射镜的外形可 能会变化偏离理想外形，并且还因为连接到该反射镜的致动器的性能 通常会因热而变差。传统的设计激光处理反射镜的过程已经选择光束孔径，然后选择 反射镜尺寸，该反射镜尺寸应大得足以产生适合于手边工作的焦斑大 小。所需的最小光束直径为D= (1.221) (F)/焦斑直径，其中F是 透镜焦距而X是激光波长。例如，在C02激光器的波长(10.6微米或 1.06xl(T3cm)和20cm的焦距下，形成直径为lxl(T2cm的焦斑所需的 最小孔径的直径为(1.22) ( 1.06xl(T3) (20) / ( 1x10-2 ) =2.59cm。 设计成以45度的额定入射角操作并且允许围绕该通光孔径具有一些 边界的具有此孔径的反射镜的面积为大约1.65D2,或者在此情况下为 稍大于llcm2，并且在周围空气为20。C的情况下在温度为50。C时可耗 散6.6xl(T2W/cm2xllCm2=0.73W。 (30。C的温升，并且绝对温度为50'C)。假设反射涂层反射光束的99.7%,此反射镜可用于大约 0.73/0.003-244W的光束功率，该光束功率直到最近才是足够的。但 是，如前文所示，由于现在的激光束功率在千瓦的范围内，高达这种 反射镜可吸收的允许热量的25倍，所以如果希望避免出现有源冷却 可能导致的复杂性、花费以及系统恶化，则需要一种新的、更加高效 的反射镜设计。我们将这种反射镜称为低吸收率反射镜。因此，需要一种具有改进的激光处理性能而不依赖于有源冷却的 经济和高效的大功率激光处理系统。
技术实现思路
本专利技术提供了根据本专利技术的一个实施例的一种大功率激光处理 系统，该系统包含激光源和至少一个光学元件。该激光源提供了具有 第一波长的大功率激光照射。光学元件包含对于该第一波长基本是透 明的衬底，在该衬底的第一侧上的至少一个强反射涂层，以及在该衬 底的第二侧上的至少一个抗反射涂层。根据另外的实施例，本专利技术还 提供了一种执行大功率激光处理的方法。根据另 一个实施例，本专利技术提供了 一种提供大功率激光处理系统 的方法，该方法包含提供具有第一波长的大功率激光照射的步骤，并 且提供至少一个光学元件的步骤，该至少一个光学元件包含对于该第 一波长照射基本是透明的衬底。在该衬底的第一侧上设置至少一个强 反射涂层，并且在该衬底的第二侧上设置至少一个抗反射涂层。根据本专利技术的另 一个实施例，本专利技术提供了 一种大功率激光处理 系统，该系统包含提供具有第一波长的大功率激光照射的激光源、和 至少一个光学元件，该光学元件包含对于该第一波长照射基本透明的 衬底、在衬底的第一侧上的至少一个强反射涂层、和在衬底的第二侧 上的至少一个抗反射涂层。通过该反射镜的能量被散热结构俘获。附图说明参照附图可进一步理解下文的说明，在附图中图1示出根据本专利技术的一个实施例的使用低吸收率反射镜的激光处理系统的示例性图解视图2示出根据本专利技术的一个实施例的系统用的反射镜和转子组 件的示例性图解视图3示出沿图2的线3-3的图2内所示的反射镜和转子组件的示 例性图解侧剖视图解侧剖视图7示出根据本专利技术的一个实施例的旋转受限的马达系统的示 例性图解视图；并且图8和9示出根据本专利技术的其它实施例的其它旋转受限的马达系 统的示例性图解视图。所示的附图仅是示例性的。具体实施例方式申请人已经发现大功率激光处理系统可设计成工作而不需要有 源冷却。此结果可通过将光学元件尤其反射镜构造成使得只有很少的 入射激光功率被反射镜吸收来实现。实际上，底层材料和涂层材料的 组合被选择为使得未被反射的能量完全通过反射镜而没有被吸收，并 且被这样的结构俘获，即该结构在固定位置将该能量转换成热，在该 固定位置处热量可通过自然对流或传导或它们的组合除去。用于设计低吸收率反射镜以适合特定激光处理应用的过程如下。 首先，确定将使用的激光器的工作波长和光束功率。然后，反射镜衬 底材料被选择为在此波长下尽可能地透明。然后，单位为瓦特的光束 功率乘以(l-R)，其中R是反射镜的预计反射率。这是通过涂层泄 漏的功率量。该结果然后乘以(l-T),其中T是衬底的预计透明度。 这是通过涂层泄漏的在一次通过反射镜基底时被吸收的功率量(PA )。 然后，用通过涂层泄漏的功率量减去此结果(l-R) - (1-T)。这是通 过涂层泄漏的并且可被反射镜的内反射部分或完全吸收或者透射通过反射镜的背面的剩余功率。透射度由背面的费涅反射确定。此结果然后乘以(F),其中F是在反射镜背面被抛光的情况下在该背面的 预计费涅反射率。如果背面未被抛光，则大部分光将被散射回反射镜 内并且经过多次反弹后被吸收。例如，F可等于0.5。将此结果加到 Pa上。这是单位为瓦特的反射镜吸收的总功率。然后，通过用上述结 果除以6.6xlO-2W/cm2来确定单位为平方厘米的最小所需反射镜面 积。然本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率激光处理系统，该系统包含用于提供第一波长的大功率激光照射的激光源和至少一个光学元件，该至少一个光学元件包含对于所述第一波长照射基本是透明的衬底、在所述衬底的第一侧面上的至少一个强反射涂层、以及在所述衬底的第二侧面上的至少一个抗反射涂层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维布朗，
申请(专利权)人：杰斯集团公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]