一种基于多面棱镜四光路双通道激光刻痕光学系统的制作方法

本发明涉及光纤激光刻痕技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于多面棱镜四光路双通道激光刻痕光学系统。

背景技术：

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，本发明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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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，本发明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焦距、长条离轴抛物柱面镜阵列模块长条离轴抛物柱面镜焦距以及传输距离。

优选的是，所述长条斜抛物柱面镜阵列模块聚焦光斑短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、传输距离以及长条斜抛物柱面镜阵列模块长条斜抛物柱面镜焦距。

优选的是，单道刻痕中，同一光路相邻两条刻痕间距主要取决于多面棱镜单个镜面摆动反射时间与刻痕材料的传送速度；单道激光刻痕深度，可通过调节离焦量实现。

优选的是，所述组合准直镜阵列模块为熔融石英材料；所述柱面聚焦镜阵列模块为熔融石英材料；所述棱镜前平反镜组阵列模块为铜材料；所述多面棱镜、长条离轴抛物柱面镜阵列模块、长条斜平反镜组阵列模块、长条平反镜阵列模块和长条斜抛物柱面镜阵列模块均为铝合金材料。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明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，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。

2、本发明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，采用柱面聚焦镜聚焦，聚焦光束为单向汇聚光束，聚焦焦点处光斑为线条椭圆形光斑，长轴与多面棱镜棱平行，在降低多面棱镜外径以提高转速的同时，也确保多面棱镜在千瓦级光纤激光功率下也能正常稳定使用。

3、本发明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，采用四台激光器，四光路入射到多面棱镜上，由于同一时间入射位置不同，单镜面能量的叠加效果明显降低，有助于多面棱镜同时承受更高激光总功率，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，且每束光路单独运行，提供多种选择方案。

4、本发明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，采用长条斜平反镜组阵列模块对扫描准直光束进行反射，目的是便于多面棱镜电机外部机械设计以及确保正常加工高度需求，长条平反镜阵列模块则是整合每个单通道上的两路扫描光路最小间距，在刻痕材料不移动时基本可控制到0间距，以最大程度上对刻痕材料进行激光刻痕。

5、本发明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，采用长条形椭圆聚焦光斑长向扫描对刻痕材料进行加工，一方面提高刻痕一致性，另一方面降低刻痕材料变形量，而且由于聚焦光束均垂直入射到刻痕材料表面，系统加工区域内激光峰值功率密度基本也能保持一致性(差异可控制在3％以内)，使得整个刻痕幅面效果保持一致性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的整体光路结构俯视图；

图2为本发明所述的整体光路结构示意图；

图3为本发明所述的聚焦光斑形状及扫描示意图；

图4为本发明所述的单通道刻痕材料整体刻痕示意图。

图中1、组合准直镜阵列模块，2、柱面聚焦镜阵列模块，3、棱镜前平反镜组阵列模块， 4、多面棱镜，5、长条离轴抛物柱面镜阵列模块，6、吸光阵列模块，7、长条斜平反镜组阵列模块，8、长条平反镜阵列模块，9、长条斜抛物柱面镜阵列模块，10、刻痕材料。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1至图4所示，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。

其中，所述长条离轴抛物柱面镜阵列模块5各镜片长度、长条斜平反镜组阵列模块7各镜片长度、长条平反镜阵列模块8 45°长向投影长度相同，且长条斜抛物柱面镜阵列模块9 各镜片长度两倍于长条离轴抛物柱面镜阵列模块5单镜片长度；所述长条斜平反镜组阵列模块 7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；所述长条平反镜阵列模块8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9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8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9反射面长向中心线；所述长条斜抛物柱面镜阵列模块9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4扫描过程中，椭圆光斑长轴方向共线；所述长条斜抛物柱面镜阵列模块9聚焦光束垂直入射到刻痕材料10上，刻痕材料10沿着聚焦光束形成的扫描线垂直方向移动；所述长条斜抛物柱面镜阵列模块9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 1组合准直镜焦距、柱面聚焦镜阵列模块2柱面聚焦镜焦距、长条离轴抛物柱面镜阵列模块5 长条离轴抛物柱面镜焦距以及传输距离；所述长条斜抛物柱面镜阵列模块9聚焦光斑短轴长主要取决于激光器参数、组合准直镜阵列模块1组合准直镜焦距、传输距离以及长条斜抛物柱面镜阵列模块9长条斜抛物柱面镜焦距；所述单道刻痕中，同一光路相邻两条刻痕间距主要取决于多面棱镜4单个镜面摆动反射时间与刻痕材料10的传送速度；单道激光刻痕深度，可通过调节离焦量实现；组合准直镜阵列模块1为熔融石英材料；所述柱面聚焦镜阵列模块2为熔融石英材料；所述棱镜前平反镜组阵列模块3为铜材料；所述多面棱镜4、长条离轴抛物柱面镜阵列模块5、长条斜平反镜组阵列模块7、长条平反镜阵列模块8和长条斜抛物柱面镜阵列模块9均为铝合金材料。

本发明的使用状态为：使用时，四台光纤激光器出光，经过组合准直镜阵列模块1准直形成准直光束，准直光束由柱面聚焦镜阵列模块2单向聚焦，聚焦光束为一个方向汇聚的光束，聚焦光束再由棱镜前平反镜组阵列模块3接连反射以特定的角度入射到多面棱镜4上，经过多面棱镜4反射，在多面棱镜4绕中心转轴旋转时，反射光束为单向发散性扫描光束，扫描光束再经过长条离轴抛物柱面镜阵列模块5单向准直，获得准直型的反射扫描光束，单光路扫描光束传输方向基本一致，多余的扫描光束被吸光阵列模块6吸收，反射扫描光束后又依次通过长条斜平反镜组阵列模块7、长条平反镜阵列模块8反射，最后依靠长条斜抛物柱面镜阵列模块9单向聚焦，聚焦光束垂直入射到刻痕材料10上，实现椭圆形光斑长轴线性扫描。

图3中，多面棱镜4旋转方向决定最终刻痕材料10上椭圆光斑的扫描方向。

图4中，单通道上，刻痕材料10相对于入射其上的线性扫描聚焦光束垂直方向上进行传送，使得刻痕有些许倾斜，倾斜方向相同。多面棱镜4转向以及刻痕材料10传送方向，共同决定刻痕倾斜方向。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节与这里示出与描述的图例。