CN103594920B - Co2激光聚束的磁约束装置及方法 - Google Patents
Co2激光聚束的磁约束装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103594920B CN103594920B CN201310539815.2A CN201310539815A CN103594920B CN 103594920 B CN103594920 B CN 103594920B CN 201310539815 A CN201310539815 A CN 201310539815A CN 103594920 B CN103594920 B CN 103594920B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- magnetic
- pack
- magnetic confinement
- mutual exclusion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 3
- 230000004323 axial length Effects 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 5
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- 230000005374 Kerr effect Effects 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
本发明的一种CO2激光聚束的磁约束装置及方法,涉及激光测量技术领域。该装置依次包括:用于安置CO2激光器(102)的四维运动平台(101)、用于使激光聚束的磁约束装置、用于检测激光聚束性能的光斑尺度传感器(109);上述磁约束装置主要包括可以高速旋转的互斥磁约束体(108),该互斥磁约束体(108)由多对极性相反的磁体构成,中间形成磁腔(107),CO2激光器(102)发出的激光束能够穿过该磁腔(107)。当激光穿过磁腔时,因为激光在互斥磁场中发生光线偏转,使得激光束的***光线往中心偏移,从而实现激光聚束性能提高的目的。
Description
技术领域
本发明涉及激光检测技术领域,更具体的说,是一种利用互斥磁约束体提高CO2激光聚束性能,从而提高激光能量、加工精度的一种CO2激光聚束的磁约束装置及方法。
背景技术
光在磁场作用下,光学特性将发生变化,前人的研究包括塞曼效应、法拉第磁光效应、科顿-穆顿效应和克尔磁光效应等。这些效应均起源于物质的磁化,反映了光与物质磁性间的联系。
MichaelFaraday发现线偏振光在介质中传播时,若在平行于光的传播方向上加一强磁场,则光振动方向将发生偏转,偏转角度ψ,与磁感应强度B和光穿越介质的长度L的乘积成正比,即ψ=VBL。偏转方向取决于介质性质和磁场方向,这种现象称为磁致旋光效应。该效应可用来分析碳氢化合物,因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性;在激光技术中可用来隔离反射光,也可作为调制光波的手段。
AiméCotton和HenriMouton发现光在透明液体介质中传播时,若在垂直于光的传播方向上加一外磁场,则介质表现出单轴晶体的性质,光轴沿磁场方向,主折射率之差正比于磁感应强度的平方,此效应称为磁致双折射。
KerrJohn发现了入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时,振动面发生旋转的现象,称为Magneto-OpticKerrEffect(MOKE)。MOKE分极向、纵向和横向三种类型,分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形。极向和纵向Kerr磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度,一般极向的效应最强,纵向次之,横向则无明显的磁致旋光。不同的磁畴有不同的自发磁化方向,引起反射光振动面的不同旋转,通过偏振片观察反射光时,将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。
上面这些研究都说明了激光在磁场中产生偏转的现象。但对于互斥磁场作用下激光发生偏转聚束的方法和装置,到目前为止还没有相关研究和报道。
激光切割焊接中,一般采用3000W的CO2气体激光器作为激光能源,通过聚焦镜片聚焦高能激光,由焦点位置的激光实现对材料的切割与熔融焊接。对于不同厚度的材料,必须调整焦点位置,才能确保加工质量,因此采用恒等长光路补偿***解决光路长度的变化造成切割质量下降问题,通过数控联动方式调整光路补偿***中反射镜片的位置,使其在切割范围内的光路长度等长,保证激光光斑尺寸不变和切割质量的稳定。当前国际先进的激光切割精度可以达到0.05mm/m,最高的聚焦光斑直径可达0.01mm,由于激光聚焦调节的难度,对厚板材的聚焦切割存在质量差、切割困难的问题,切割的板材厚度一般限制在3mm左右。激光焊接也存在类似的问题,受激光光斑尺寸的限制,以及光斑聚焦位置的移动限制,焊接的板材厚度一般在2mm左右。
因此,本发明提出了CO2激光聚束的磁约束方法和装置,通过对已发射激光的发散角进行改变,促使激光进行聚束,使得激光光斑不受聚焦位置的影响,保持光斑尺寸的高聚束特性和一致性,则可实现对更厚板材的切割与焊接,同时能提高激光加工的质量和精度。为我国激光准直与测量相关的技术领域,包括船舶制造、航空航天装配等带来巨大的经济效益和技术支持。
发明内容
本发明目的在于,提供一种CO2激光聚束的磁约束方法及装置,实现对激光聚束性能提高的目的。
一种CO2激光聚束的磁约束装置,其特征在于:依次包括:用于安装CO2激光器的四维运动平台、用于使激光聚束的磁约束装置、用于检测激光聚束性能的能量密度传感器;上述磁约束装置包括精密导轨、安装于精密导轨上的轴承支架、安装于轴承支架内的水平轴承;还包括安装于水平轴承内的约束体旋转支架,约束体旋转支架为空心轴结构,该空心轴结构中还嵌装互斥磁约束体,该互斥磁约束体由多对极性相反的磁体构成,中间形成磁腔,CO2激光器发出的激光束能够穿过该磁腔;还包括与约束体旋转支架一端相连的旋转驱动机构。
所述的CO2激光聚束的磁约束装置的方法,其特征在于包括以下过程:当CO2激光器发出的激光穿过由互斥磁约束体形成的磁腔时,因为激光在互斥磁场中发生光线偏转,使得激光束的***光线往中心偏移,从而实现激光聚束性能提高的目的;而激光聚束性能的提高可以通过能量密度进行判断,能量密度的大小可以由能量密度传感器进行检测;激光聚束性能的改变通过调整磁腔中磁场强度的大小来改变,磁腔磁场强度的大小和磁腔直径、磁腔长度有关。磁场强度增大,磁腔直径变小,聚束性能提高。相反,磁场强度减小,磁腔直径变大,聚束性能降低。
针对激光加工过程中,激光无法精密加工这一问题,本发明提出了一种CO2激光聚束的磁约束方法及装置,利用N-N/S-S强互斥磁场,作用在激光束上,对激光束进行聚束压缩,实现外延激光束发散角的偏转。利用强永磁互斥场和可调强度电磁互斥场,改变磁腔内径、磁极对数量、磁腔长度等磁场特性参数,以激光能量密度为指标参数,实现激光聚束特性改变的检测。并提出了各向同性的旋转互斥磁场,避免各向异性磁场对激光聚束性能的影响,建立一套磁约束激光高聚束特性的方法与***装置。本发明将为我国激光加工、航空航天、船舶制造等领域的研究与发展提供关键理论与支撑技术。
为了确保磁约束体能通过激光,把磁约束体旋转支架设计成空心轴,激光可以从空心轴中穿过。激光束从磁腔中穿过时,应确保激光束能穿过磁腔的首尾孔中心,因此通过四维运动平台调整激光束的位姿,来实现激光束穿过磁腔的中心。调整互斥磁约束体和CO2激光器之间的位置,找到最合适对激光束进行聚束的距离。互斥磁约束体架在精密导轨上,导轨的直线度要求很高,确保互斥磁约束体在导轨上做轴向移动时,不影响激光聚束性能。激光聚束性能的提高通过能量密度传感器来检测,能量密度传感器也安装在精密导轨中轴线上,确保激光基本打在传感器的中心位置。磁腔的形状和磁场的分布受到磁极对的数量、尺寸影响,未必是各向同性的。因此,对互斥磁约束体进行高速旋转,以形成各向同性的磁腔,提高激光的聚束性能。
所述互斥磁约束体为永磁体形式或电磁铁形式。当所述互斥磁约束体为永磁体形式时,磁腔长度的改变通过永磁体轴向长度的调整来实现;磁腔直径的改变通过互斥磁约束体中各磁极对间距离的调整来实现。当所述互斥磁约束体为电磁铁形式时,磁腔长度的改变通过轴向串联多个电磁铁来实现,串联的电磁铁数量增大,则磁腔长度增大;磁腔直径的改变通过电磁铁线圈电流大小的调整来实现,电流增大,磁腔直径减小,电流减小,磁腔直径增大。
附图说明
图1是本发明的磁约束体聚束装置结构图;
图1中标号名称:101—四维运动平台;102—CO2激光器;103—精密导轨;104—轴承支架;105—水平轴承;106—约束体旋转支架;107—磁腔;108—互斥永磁体;109—能量密度传感器;110—从动带轮;111—传动皮带;112—电机;113—主动带轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的高能CO2激光聚束的磁约束方法及装置进行说明。
如图1所示,本发明的CO2激光聚束的磁约束方法及装置包括:
四维运动平台101,激光器安装在该平台上,实现激光器位姿的控制与调节,确保激光束在磁腔中心位置穿过;
CO2激光器102,发射CO2高功率激光的装置;
精密导轨103,调整互斥磁约束体和CO2激光器之间的位置,选择最合适对激光束进行聚束的距离;
轴承支架104,支承轴承,同时连接在精密导轨上,确保轴承能高速旋转;
水平轴承105,空心轴装夹磁约束体安装在轴承上,确保磁约束体的高速旋转,提供各向同性的磁场;
约束体旋转支架(空心轴结构)106,把永磁体和电磁铁形成的磁约束体装夹起来,对电磁铁可实现磁极对距离的调节,能装配在轴承上进行旋转;空心轴中心孔及磁腔的中心孔尽量确保同轴;
磁腔107,由永磁体或者电磁铁形成的圆柱形磁场区域,变化参数包括磁腔直径、磁腔长度两个参数;
互斥磁约束体108,由N-N或S-S构成的互斥磁约束体,对激光形成偏转效应;
能量密度传感器109,安装在精密导轨上,用于检测激光在聚束前后能量密度的变化,从而反映磁约束体对光斑聚束性能的改变;
从动带轮110,与空心轴过盈配合,和传动皮带一起实现磁约束体的旋转,提供各向同性的磁腔;
传动皮带111:连接从动带轮110和主动带轮113,形成带传动链;
电机112:提供磁约束体旋转的动力源。
如图1所示,检测过程中,CO2激光聚束的磁约束方法及装置实现步骤如下:
步骤1:对电磁铁调整磁约束体距离,对永磁体调整线圈电流大小,形成某一个直径、长度下的磁腔;
步骤2:在四维运动平台作用下,调整激光位姿,在PSD传感器的协助下,利用计算机控制算法,实现激光同时穿过磁腔的首尾孔中心;
步骤3:在精密导轨上,调整互斥磁约束体和CO2激光器之间的位置,找到最合适对激光束进行聚束的距离;
步骤4:利用能量密度传感器来检测能量密度大小,以此来反映激光聚束性能,在施加磁约束前后,分别测量能量密度大小,比较激光聚束前后的聚束性能;
步骤5:通过传动皮带连接磁约束体上的从动带轮和电机的主动带轮;
步骤6:旋转电机,产生各向同性的磁场,观察各向同性磁场(电机旋转)和各向异性磁场(电机停止)的情况下,激光聚束性能的提高。
步骤7:利用本发明的装置,对任何加工激光施加一个各向同性的磁约束体,提高激光的聚束性能,实现激光精密切割、焊接等加工能力。
Claims (6)
1.一种CO2激光聚束的磁约束装置,其特征在于:
依次包括:用于安装CO2激光器(102)的四维运动平台(101)、用于使激光聚束的磁约束装置、用于检测激光聚束性能的能量密度传感器(109);
上述磁约束装置包括精密导轨(103)、安装于精密导轨(103)上的轴承支架(104)、安装于轴承支架(104)内的水平轴承(105);还包括安装于水平轴承(105)内的约束体旋转支架(106),约束体旋转支架(106)为空心轴结构,该空心轴结构中还嵌装互斥磁约束体(108),该互斥磁约束体(108)由多对极性相同的磁体构成,中间形成磁腔(107),CO2激光器(102)发出的激光束能够穿过该磁腔(107);还包括与约束体旋转支架(106)一端相连的旋转驱动机构。
2.根据权利要求1所述的CO2激光聚束的磁约束装置,其特征在于:所述互斥磁约束体(108)为永磁体形式或电磁铁形式。
3.根据权利要求1所述的CO2激光聚束的磁约束装置,其特征在于:上述旋转驱动机构由电机(112)、与电机输出轴相连的主动带轮(113)、安装于约束体旋转支架(106)一端的从动带轮(110)、连接主动带轮(113)和从动带轮(110)的传动皮带(111)组成。
4.根据权利要求1所述的CO2激光聚束的磁约束装置的工作方法,其特征在于包括以下过程:
当CO2激光器(102)发出的激光穿过由互斥磁约束体(108)形成的磁腔(107)时,因为激光在互斥磁场中发生光线偏转,使得激光束的***光线往中心偏移,从而实现激光聚束性能提高的目的;
而激光聚束性能的提高可以通过能量密度进行判断,能量密度的大小可以由能量密度传感器(109)进行检测;
激光聚束性能的改变通过调整磁腔(107)中磁场强度的大小来改变,磁腔(107)磁场强度的大小和磁腔直径、磁腔长度有关。
5.根据权利要求4所述的CO2激光聚束的磁约束装置的工作方法,其特征在于包括以下过程:
当所述互斥磁约束体(108)为永磁体形式时,磁腔长度的改变通过永磁体轴向长度的调整来实现;磁腔直径的改变通过互斥磁约束体(108)中各磁极对间距离的调整来实现。
6.根据权利要求4所述的CO2激光聚束的磁约束装置的工作方法,其特征在于包括以下过程:
当所述互斥磁约束体(108)为电磁铁形式时,磁腔长度的改变通过轴向串联多个电磁铁来实现,串联的电磁铁数量增大,则磁腔长度增大;磁腔直径的改变通过电磁铁线圈电流大小的调整来实现,电流增大,磁腔直径减小,电流减小,磁腔直径增大。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310539815.2A CN103594920B (zh) | 2013-11-05 | 2013-11-05 | Co2激光聚束的磁约束装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310539815.2A CN103594920B (zh) | 2013-11-05 | 2013-11-05 | Co2激光聚束的磁约束装置及方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN103594920A CN103594920A (zh) | 2014-02-19 |
CN103594920B true CN103594920B (zh) | 2016-03-02 |
Family
ID=50084955
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201310539815.2A Expired - Fee Related CN103594920B (zh) | 2013-11-05 | 2013-11-05 | Co2激光聚束的磁约束装置及方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN103594920B (zh) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104907694B (zh) * | 2015-06-25 | 2016-06-08 | 中机西南能源科技有限公司 | 一种蜂窝板式制冰换热器用激光焊接装置 |
CN115142795B (zh) * | 2022-06-24 | 2023-06-13 | 山东大学 | 一种激光辅助地质钻机及其非淹没式施工工艺 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN2419711Y (zh) * | 2000-01-28 | 2001-02-14 | 国家数字交换***工程技术研究中心 | 集束式超大功率二氧化碳激光器 |
CN102322825A (zh) * | 2011-06-02 | 2012-01-18 | 南京航空航天大学 | 超长孔系零件同轴度光学测量***及方法 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6750972B2 (en) * | 2000-11-17 | 2004-06-15 | Cymer, Inc. | Gas discharge ultraviolet wavemeter with enhanced illumination |
DE112012005144B4 (de) * | 2011-12-07 | 2018-07-05 | Mitsubishi Electric Corporation | CO2 Laservorrichtung und Materialbearbeitungsvorrichtung |
-
2013
- 2013-11-05 CN CN201310539815.2A patent/CN103594920B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN2419711Y (zh) * | 2000-01-28 | 2001-02-14 | 国家数字交换***工程技术研究中心 | 集束式超大功率二氧化碳激光器 |
CN102322825A (zh) * | 2011-06-02 | 2012-01-18 | 南京航空航天大学 | 超长孔系零件同轴度光学测量***及方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
磁约束放电激励对N2激光输出特性的影响;王涓等;《激光技术》;20001231;第24卷(第5期);第281-286页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103594920A (zh) | 2014-02-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10279426B2 (en) | Machining device | |
Kurihara et al. | Reconfiguration of magnetic domain structures of ErFeO3 by intense terahertz free electron laser pulses | |
CN102055127B (zh) | 带防反射装置的保偏光纤激光器 | |
CN103594920B (zh) | Co2激光聚束的磁约束装置及方法 | |
JP6149370B2 (ja) | 磁区不連続部検出方法 | |
BR112012024448B1 (pt) | Folha de aço elétrico de grão orientado e método para produzir a mesma | |
CN106684683B (zh) | 连续和脉冲叠加式单光束固体激光器 | |
KR20070075661A (ko) | 광전송 모듈, 이의 제조방법 및 이를 채용한 열보조자기기록 헤드 | |
Miyaji et al. | Intense longitudinal electric fields generated from transverse electromagnetic waves | |
CN103278309B (zh) | 光学元件体内激光损伤自动快速探测装置 | |
CN101458403A (zh) | 磁光晶体及其制备方法以及磁光晶体的应用装置 | |
CN201966481U (zh) | 带防反射装置的保偏光纤激光器 | |
CN105652355A (zh) | 一种基于脉冲偏振旋转的等离子体光栅的制备方法 | |
CN108037471B (zh) | 高密度等离子体产生的磁场的测量装置和测量方法 | |
CN103594913B (zh) | HeNe激光聚束的磁约束装置及方法 | |
JP4942958B2 (ja) | 少なくとも二つの部品をレーザ溶接する方法、およびこの方法を適用する関連する装置 | |
CN110444095A (zh) | 一种激光热透镜焦距测量实验装置 | |
CN114850660A (zh) | 一种涡旋光束的激光加工方法 | |
JP2016127746A (ja) | リニアアクチュエータ及びそれを用いたフーリエ変換型分光装置 | |
KR101051746B1 (ko) | 전기강판의 자구미세화방법 및 자구미세화 처리된 전기강판 | |
Li et al. | Application of ultrasonic surface waves in the detection of microcracks using the scanning heating laser source technique | |
BR112013030612B1 (pt) | Aparelho para a fabricação de chapa de aço para fins elétricos de grãos orientados e método para fabricar chapa de aço para fins elétricos de grãos orientados | |
Li et al. | Fabrication of magneto-optical microstructure by femtosecond laser pulses | |
Dupuy et al. | Comparison between laser thermal effects and ablation effects with ultrashort pulses laser on GO SiFe electrical steel | |
Mohanty et al. | Optical trap with spatially varying polarization: application in controlled orientation of birefringent microscopic particle (s) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160302 Termination date: 20211105 |