激光隧道炉光束微积分聚焦方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开激光隧道炉光束微积分聚焦方法及装置，首先高功率激光发射器产生激光且光斑直径可调，随后将激光束通入一分多光路分配器中将单束激光分均为多条等能量、等光斑的激光束，然后激光束通过光纤导入激光束发射头，激光束发射头固定于支架上，支架上的安装孔的轴心的延长线与碳纤维的轴芯相交，多条激光束聚焦在穿过支架中心的碳纤维上。本发明激光隧道炉光束微积分方法及装置，通过一分多光路分配器的微分作用产生多条等能量、等光斑的激光束，解决了由于多台激光发生器而引起的成本高的问题。由于激光发射头支架的特殊结构，保证了激光束周向聚焦，进一步实现对碳纤维的周向均匀加热的目的，并且解决了通过透镜聚焦而引起的能量损失问题。
【专利说明】激光隧道炉光束微积分聚焦方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光束聚焦的方法及装置，尤其涉及一种可以实现高功率激光束 的周向聚焦从而对碳纤维进行瞬时周向均匀加热，并且可以实现高效率利用激光能量的激 光束微积分聚焦方法及装置。属于激光光束的空间形态调整领域。
【背景技术】
[0002] 自1960年美国科学家梅曼获得第一束激光以来，激光凭借其单色性极好，发散度 极小，亮度（功率）可以达到很高的特性，逐渐被广泛应用于各个【技术领域】，其中激光加热 技术便是重要的激光应用技术之一。并且，激光加热技术也因克服了传统加热方法的能量 利用率低、达到的最高温度较低、加热温度控制难度大以及污染严重等一系列缺点，而作为 一种新型的环保型加热技术逐渐被应用于各个重要产业，具有十分广阔的应用前景。像其 他类型的激光加工方法一样，激光加热技术也需要将一定功率激光束聚焦于被加工的物体 上，使激光与物质相互作用。影响激光束聚焦特性的三个重要因素为：（1)可调节激光束聚 焦位置；（2)能够控制激光束聚焦角度和聚焦光线夹角；（3)聚焦系统结构合理且实验模型 容易加工且经济性高；它们同样决定着激光加热过程中激光能量的利用率。对于圆柱形的 物体采用激光加热，若要实现物件的受热均匀，采用激光束周向中心聚焦加热的方式最佳。 目前，激光束聚焦采用的方法多为利用多台激光发生器周向均布从而达到周向中心聚焦的 目的。但是这种方法成本较高、固定装置复杂、故障率高且有着控制、操作程序繁杂等缺陷， 成为阻碍激光加热技术推广应用的一个瓶颈。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对现有激光束聚焦方法所存在的不足，设计一种新的激光束聚 焦方法及装置，该方法既可以实现对碳纤维进行瞬时周向均匀加热，同时也可以在聚焦过 程中避免不必要的能量损失，从而实现高效率利用激光束能量，节约生产成本，而且便于产 业化投向市场。
[0004] 本发明为解决上述问题采用的技术方案是：激光隧道炉光束微积分聚焦方法，步 骤流程如下：高功率激光发射器产生激光且光斑直径可调，随后将激光束通入一分多光路 分配器中将单束激光分均为四条或多条等能量、等光斑的激光束（此即为激光束的微分， 一条光束等分成多条光束），然后通过光纤导入激光束发射头，激光束发射头固定于由高性 能塑料制成的支架上，支架上的安装孔的轴心的延长线与碳纤维的轴芯相交，激光束发射 头的安装孔根据发射头的外形适当调整，以保证多条激光束聚焦在穿过支架中心的碳纤维 上（此即为激光束的积分），使碳纤维在周向上均匀受热。
[0005] 采用本发明激光隧道炉光束微积分聚焦方法的装置，包括高功率激光发射器、光 纤、一分多光路分配器以及激光束发射头和支架。高功率激光发射器通过光纤与一分多光 路分配器相连，一分多光路分配器将一束光均分成多束光，实现光束的微分，多束光通过光 纤将光引致激光发射头，激光束发射头固定于支架上，支架上的安装孔的轴心的延长线与 碳纤维的轴芯相交。
[0006] 本发明的有益效果是：
[0007] (1)本发明激光隧道炉光束微积分方法及装置，通过一分多光路分配器的微分作 用产生多条等能量、等光斑的激光束，解决了由于多台激光发生器而引起的成本高的问题。
[0008] (2)使用本发明激光隧道炉光束微积分方法及装置，由于激光发射头支架的特殊 结构，保证了激光束的周向聚焦（即激光束的积分效果），从而进一步实现对碳纤维的周向 均匀加热的目的，并且解决了通过透镜聚焦而引起的能量损失问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1激光束聚焦原理图，图中高功率激光束周向聚焦从而实现对碳纤维进行瞬时 周向均匀加热。
[0010] 图2激光束聚焦光路均匀布置的效果图。
[0011] 图3是本发明隧道炉光束微积分聚焦装置的结构示意图。
[0012] 图4是本发明隧道炉光束微积分聚焦装置的支架的左视图。
[0013] 图中：1-高功率激光器，2-光纤，3--分多光路分配器，4-激光发射头，5-支架， 5A-激光发射头安装孔，6-激光隧道炉，7-碳纤维，8-激光束。
【具体实施方式】
[0014] 本发明激光隧道炉光束微积分聚焦方法及装置，装置如图3所示，该装置包括高 功率激光发射器1、光纤2、一分多光路分配器3以及激光束发射头4和支架5。高功率激光 发射器1通过光纤2与一分多光路分配器3相连，一分多光路分配器3将一束光均分成多 束光（如图2所示），实现光束的微分，多束光通过光纤将光引致激光发射头4,激光束发射 头4固定于支架5上，支架5上的安装孔5A均匀分布，见图4所示，支架5可以为金属或 高性能塑料，激光隧道炉6内的温度只有激光束射到的碳纤维上或激光隧道炉6内壁上高， 其他处温度不高，支架5上的安装孔5A的轴心的延长线与碳纤维7的轴芯相交，激光束发 射头4的安装孔5A根据激光束发射头4的外形可适当调整，以保证多条激光束聚焦在穿 过支架5中心的碳纤维7上（此即为激光束的积分），使碳纤维7在周向上均匀受热。
[0015] 本发明激光隧道炉光束微积分聚焦方法中，高功率激光发射器1产生激光且光斑 直径可调，随后将激光束通入，图2和图4所示一分多光路分配器3中将单束激光分为四条 等能量、等光斑的激光束8,然后通过光纤2导入激光束发射头4,激光发射头4固定于由高 性能塑料制成的支架5上，以保证四条激光束聚焦在穿过支架5中心的碳纤维7上，使碳纤 维7在周向上均匀受热。
[0016] 本发明激光隧道炉光束微积分聚焦方法及装置，一分多光路分配器3可产生多条 激光束进行周向聚焦，该过程称为微分。
[0017] 本发明激光隧道炉光束微积分聚焦方法及装置，要求碳纤维7穿过支架5的中心 线位置，以保证激光束8聚焦点位于碳纤维7上。
[0018] 本发明激光隧道炉光束微积分聚焦方法及装置，所示的高功率激光器、一分多光 路分配器和激光发射头，可由多个低功率激光器替代。
[0019] 本发明激光隧道炉光束微积分聚焦方法及装置，图3所示的5A在以上实施方式中 为固定口，其形状可根据激光发射头及激光发射器的外形而调整，形成的聚焦点位置及角 度是固定的。可以将支架5的结构改进，从而实现激光头的小幅摆动，其摆动形式有两种， 第一：在保证图1所示的角度義:不变的情况下改变聚焦点的位置；第二：通过让激光发射头 能够旋转改变聚焦角度_，从而实现聚焦点位置的改变。
【权利要求】
1. 激光隧道炉光束微积分聚焦方法，其特征在于，步骤流程如下：首先高功率激光发 射器产生激光且光斑直径可调，随后将激光束通入一分多光路分配器中将单束激光分均为 多条等能量、等光斑的激光束，然后激光束通过光纤导入激光束发射头，激光束发射头固定 于支架上，支架上的安装孔的轴心的延长线与碳纤维的轴芯相交，多条激光束聚焦在穿过 支架中心的碳纤维上。
2. 采用权利要求1所示的激光隧道炉光束微积分聚焦方法的装置，其特征在于，包括 高功率激光发射器、光纤、一分多光路分配器以及激光束发射头和支架，高功率激光发射器 通过光纤与一分多光路分配器相连，一分多光路分配器将一束光均分成多束光，实现光束 的微分，多束光通过光纤将光引致激光发射头，激光束发射头固定于支架上，支架上的安装 孔的轴心的延长线与碳纤维的轴芯相交。
3. 根据权利要求2所述的激光隧道炉光束微积分聚焦装置，其特征在于，将支架的结 构改进，激光束发射头能小幅摆动。
【文档编号】B23K26/064GK104384710SQ201410545101
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】杨卫民, 姚良博, 阎华 , 丁玉梅 申请人:北京化工大学