CN102489875A - 一种利用柱面镜进行激光倾斜入射的能量补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种利用柱面镜进行激光倾斜入射的能量补偿方法，本发明技术方案是在不改变激光光斑形状的要求下，提出一种利用单个柱面镜或者柱面镜组合的方式，通过对激光作用延伸方向进行预压缩的方式，实现倾斜入射作用区域等同于垂直入射的一种能量补偿方案，获得比常规补偿方法更灵活、不改变光斑形状的处理方法，对激光冲处理工艺等具有很好的参考价值，适用性广。

Description

一种利用柱面镜进行激光倾斜入射的能量补偿方法

技术领域

本发明是一种利用柱面镜进行激光倾斜入射的能量补偿方法，属于激光加工技术领域，在激光倾斜入射时，该方法引入柱面镜或者柱面镜组合，对激光光斑在某一方向按照一定比率进行压缩，保证激光投影区域功率密度保持恒定的技术。

背景技术

激光冲击处理等加工过程中，当激光倾斜入射到材料表面时，激光光斑在作用面上的投影会被拉长，假设作用面为平面，激光倾斜入射方向与激光作用面的法线的夹角为θ，则激光光斑面积与垂直照射相比会增大1/cosθ。如图1所示。当激光冲击处理复杂曲面结构时，激光入射角度可能随时发生变化，要保持激光作用区域的功率密度稳定或者光斑形状稳定时，需要采用能量补偿的方案。目前激光倾斜入射的激光冲击处理要保证功率密度稳定采用的方法一般是增加激光脉冲能量或者缩小激光光斑大小等方法，但采用双面强化时，不仅需要双面的功率密度匹配，还需要形状的匹配，需要有一种适用的功率密度补偿方法。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种利用柱面镜进行激光倾斜入射的能量补偿方法，其目的是利用单个柱面镜或者双柱面镜组合的方式，对激光作用延伸方向进行预压缩，使倾斜入射作用区域等同于垂直入射的以实现能量补偿。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

在激光倾斜入射时，引入柱面镜或者柱面镜组合，对激光光斑在某一方向按照一定比率进行压缩，压缩比率按照激光倾斜入射方向与激光作用面的法线的夹角θ的cosθ计算，当激光倾斜入射方向与激光作用面的法线的夹角θ小于60°时，采用以下方法之一对激光倾斜入射的能量进行补偿：

(1)采用单个凸柱面镜I放置在激光对作用面的入射路径上，凸柱面镜I的焦距f为400～2000mm，凸柱面镜I的中心线平行于激光的入射方向，凸柱面镜I的中心点距离作用面的距离D1应满足以下公式：

D1＝fcosθ                 公式1

式中：

D1为凸柱面镜I的中心点距离作用面的距离

f为凸柱面镜I的焦距

θ为激光倾斜入射方向与激光作用面的法线的夹角

(2)将凸柱面镜II与凹柱面镜组合在一起，放置在激光对作用面的入射路径上，凸柱面镜II的焦距f1和凹柱面镜的焦距f2满足以下公式：

D2＝f1-f2                   公式2

f2/f1＝cosθ                公式3

式中：

D2为凸柱面镜II和凹柱面镜的中心点之间的距离

f1为凸柱面镜II的焦距

f2为凹柱面镜的焦距

θ为激光倾斜入射方向与激光作用面的法线的夹角。

本发明技术方案的特点是在不改变激光光斑形状的条件下，利用单个柱面镜或者双柱面镜组合的方式，通过对激光作用延伸方向进行预压缩的方式，保证压束后激光保持原来的入射方向，实现倾斜入射作用区域等同于垂直入射，不改变光斑形状，比常规补偿方法更灵活，使激光冲处理工艺得到技术上的提升和进步，扩大了适用性。

附图说明

图1为激光倾斜入射时光斑面积的变化示意图

图2为采用单个凸柱面镜I的功率密度补偿方法的原理示意图

图3为采用凸柱面镜II与凹柱面镜组合方式的功率密度补偿方法的原理示意图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

参见附图2～3所示，该种利用柱面镜进行激光倾斜入射的能量补偿方法，其特征在于：当激光1倾斜入射方向与激光1作用面2的法线3的夹角θ小于60°时，采用以下方法之一对激光倾斜入射的能量进行补偿：

(1)采用单个凸柱面镜I4放置在激光1对作用面2的入射路径上，凸柱面镜I4的焦距f为400～2000mm，凸柱面镜I4的中心线平行于激光1的入射方向，凸柱面镜I4的中心点距离作用面2的距离D1应满足以下公式：

D1＝fcosθ                   公式1

式中：

D1为凸柱面镜I4的中心点距离作用面2的距离

f为凸柱面镜I4的焦距

θ为激光1倾斜入射方向与激光1作用面2的法线3的夹角。

在实际工作过程中，由于θ角产生变化，可以通过调节凸柱面镜I4离作用面的距离D1来使满足公式1的要求，使激光1在作用面2的投影始终与激光1作用在凸柱面镜I4前的最小截面相等，在激光脉冲能量稳定情况下，保证激光功率密度不变。

(2)将凸柱面镜II5与凹柱面镜6组合在一起，放置在激光1对作用面2的入射路径上，凸柱面镜II5的焦距f1和凹柱面镜6的焦距f2满足以下公式：

D2＝f1-f2                    公式2

f2/f1＝cosθ                 公式3

式中：

D2为凸柱面镜II5和凹柱面镜6的中心点之间的距离

f1为凸柱面镜II5的焦距

f2为凹柱面镜6的焦距

θ为激光1倾斜入射方向与激光1作用面2的法线3的夹角。

在实际工作过程中，一般取凸柱面镜II5与凹柱面镜6共焦点，保证压束后激光保持原来的入射方向。由于θ角产生变化，可以通过更换不同的凸柱面镜II5与凹柱面镜6的组合来满足公式2、3的要求，使激光1在作用面2的投影始终与激光1作用在凸柱面镜II5与凹柱面镜6的组合前的最小截面相等。

与现有技术相比，本发明技术方案提出了一种利用单个柱面镜或者柱面镜组合的方式，通过对激光作用延伸方向进行预压缩的方式，实现倾斜入射作用区域等同于垂直入射的一种能量补偿方案，获得比常规补偿方法更灵活、不改变光斑形状的处理方法，对激光冲处理工艺等具有很好的参考价值，适用性广。

Claims (1)

1.一种利用柱面镜进行激光倾斜入射的能量补偿方法，其特征在于：当激光(1)倾斜入射方向与激光(1)作用面(2)的法线(3)的夹角θ小于60°时，采用以下方法之一对激光倾斜入射的能量进行补偿：

(1)采用单个凸柱面镜I(4)放置在激光(1)对作用面(2)的入射路径上，凸柱面镜I(4)的焦距f为400～2000mm，凸柱面镜I(4)的中心线平行于激光(1)的入射方向，凸柱面镜I(4)的中心点距离作用面(2)的距离D1应满足以下公式：

D1＝fcosθ           公式1

式中：

D1为凸柱面镜I(4)的中心点距离作用面(2)的距离

f为凸柱面镜I(4)的焦距

θ为激光(1)倾斜入射方向与激光(1)作用面(2)的法线(3)的夹角

(2)将凸柱面镜II(5)与凹柱面镜(6)组合在一起，放置在激光(1)对作用面(2)的入射路径上，凸柱面镜II(5)的焦距f1和凹柱面镜(6)的焦距f2满足以下公式：

D2＝f1-f2            公式2

f2/f1＝cosθ         公式3

式中：

D2为凸柱面镜II(5)和凹柱面镜(6)的中心点之间的距离

f1为凸柱面镜II(5)的焦距

f2为凹柱面镜(6)的焦距

θ为激光(1)倾斜入射方向与激光(1)作用面(2)的法线(3)的夹角。

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