大焦深线形光斑激光清洗镜头及清洗装置的制作方法

本实用新型涉及一种激光工程技术领域，具体而言，尤其涉及一种大焦深线形光斑激光清洗镜头及清洗装置。

背景技术：

传统工业清洗方法包括机械摩擦清洗法、化学腐蚀清洗法、液体固体喷射清洗法和高频超声清洗法，尽管它们在工业清洗行业得到了广泛的应用，但在我国环境保护法规要求越来越严格和高精密器件应用越来越广泛的情况下传统清洗方法的应用受到了很大的限制。

激光清洗是一种非接触性、安全环保的清洗方法，具有无研磨、非接触、无热效应和适用于各种材质等清洗特点，避免了传统清洗行业大量使用水溶性清洗剂对环境的排放污染问题，同时也避免了大量使用易燃易爆和有毒有害清洗剂对人体健康的危害和发生火灾安全的风险等，符合绿色制造的要求。

在模具、航空部件等工件表面粘有亚微米级的污染颗粒时，这些颗粒往往粘得很紧，常规的清洗办法不能够将它去除，而用纳米激光辐射工件表面进行清洗则非常有效，对精密工件或其精细部位清洗十分安全，可以确保其精度。所以激光清洗在清洗行业中独具优势。所以激光清洗被越来越多的运用于磨具的清洗、飞机部件的清洗，精密机械工业中的精确去酯清洗，核电站反应堆内管道清洗等等方面。

随着市场不断发展及应用的广泛性，越来越多的企业、工厂开始采用这种激光清洗技术来代替传统的清洗技术，这时就出现一个根本性问题需要解决，就是清洗工作的效率，现在的激光清洗系统中激光加工头中的激光经过激光反射镜后通过聚焦镜聚焦后作用在清洗样件表面，通常反射镜出来的光束经过聚焦后形成一个很小的光斑，这样在激光清洗时就在清洗工件上形成点斑面，由于点斑面的清洗范围很窄，而且点斑与点斑在清洗时衔接上会有微小缝隙，会使整体清洗效果不很理想，点斑面的清洗方式也会影响到整体的激光清洗效率。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种大焦深线形光斑激光清洗镜头及清洗装置。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种大焦深线形光斑激光清洗镜头，至少包括镜筒以及通过压圈固设在所述镜筒内的三组光学透镜，该镜头以所述镜筒为基础，所述镜筒从物方到像方依次为由融石英制成的激光扩束组、缩束整形组以及光束准直组，用以对小口径高斯光束进行扩束、缩束整形以及准直至具有均匀聚焦线宽和线长的大焦深高斯准直光束。

优选的，所述激光扩束组由三片光学透镜组成，从物方到像方依次为第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜的物像面和镜像面均为凹面，所述第二透镜与所述第一透镜相距78~82mm，且所述第二透镜的物像面为凹面，镜像面为凸面；所述第三透镜与第二透镜相距4.8~5.2mm，且所述第三透镜的物像面和镜像面均为凸面。

优选的，所述第一透镜的中心厚度2.8~3.2mm，其物侧面的口径为11.8~12.2mm，曲率半径为-17.5~-17mm，像侧面的口径为13.8~14.2mm，曲率半径为12.2~12.6mm。

优选的，所述第二透镜的中心厚度30~30.1mm，物侧面的口径为78~82mm，曲率半径为-150~-145mm，像侧面的口径为88~92mm，曲率半径为-72~-68mm。

优选的，所述第三透镜的中心厚度30~30.1mm，口径为104~106mm，物侧面的曲率半径为765~767mm，像侧面的曲率半径为-141~-140mm。

优选的，所述缩束整形组为第四透镜，所述第四透镜与第三透镜之间的距离为19.8~20.2mm，其中心厚度为14.8~15.2mm，口径为99~101mm，物侧面为凸面，曲率半径132~135，像侧面为平面。

优选的，所述光束准直组为第五透镜，所述第五透镜与第四透镜之间的距离为282~284mm，其中心厚度为1.8~2.2mm，口径为2.8~3mm，物侧面为平面，像侧面为凹面，曲率半径为1.6~1.8mm。

大焦深线形光斑激光清洗装置，包括如上述所述的大焦深线形光斑激光清洗镜头，以及激光器、振镜，在所述激光器与清洗面之间依次设有振镜、镜头，由所述激光器产生的光束，通过所述振镜后将光束振动成特定形状的光束，将所述特定形状的光束穿过所述大焦深线形光斑激光清洗镜头后照射到清洗面上。

优选的，所述激光器为脉冲激光器。

优选的，所述脉冲激光器发射出的光束为10mm高斯光束。

本实用新型的有益效果主要体现在：

1、光学透镜均由熔融石英制成，可适应较高功率的激光环境，避免镜片被打坏；

2、通过该镜头对光束进行扩束整形聚焦等，使得射出的光束为高功率线形光束，从而射到清洗物件表面的光束为线光束，形成线斑面，因此清洗范围大，且避免了传统清洗方式中点斑衔接时存在的微小缝隙，提高了整体的清洗效果；

3、激光扩束组的设置实现将入射光为10mm的高斯光束扩束准直至出射光为100mm的高斯准直光束，对最终线性聚焦光斑的线长起到决定性作用；

4、缩束整形组的设置实现将100*100mm的矩形高斯准直光束压缩为100*1mm的线形高斯准直光束；

5、光束准直组的设置实现将线形高斯准直光束进行准直，使其在较大焦深内均保持均匀的聚焦线宽和线长，以实现深度清洗。

附图说明

下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：

图1：本实用新型的结构示意图；

图2：本实用新型的波前图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述。但这些实施方式并不限于本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。

如图1所示，本实用新型揭示了一种大焦深线形光斑激光清洗镜头，至少包括镜筒1以及通过压圈固设在所述镜筒1内的三组光学透镜2，该镜头以所述镜筒1为基础，所述镜筒1从物方到像方依次为激光扩束组3、缩束整形组4以及光束准直组5，由压圈（图中未示出）压紧在所述镜筒1内，该设置可使所述镜头整体迷你化，便于携带，以适应更复杂工作环境。

本实用新型中，所述激光扩束组3、缩束整形组4以及光束准直组5均是由融石英石制成的，熔融石英是用天然高纯度二氧化硅经电炉在高于1760℃以上温度熔融，随后快速冷却而制得的，此过程将晶型二氧化硅转变为非晶型的玻璃熔体。熔融石英熔化温度约1713℃，导热系数低，热膨胀系数几乎是所有耐火材料中最小的，因而它具有极高的热震稳定性。由于激光清洗所用的激光器功率一般偏高，采用融石英为材料可适应比较高功率的激光环境，根据融石英抗激光阈值高的特性，可避免镜片被激光打坏。

本实用新型中，所述激光扩束组3由三片光学透镜组成，从物方到像方依次为第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33，所述第一透镜31的物像面和镜像面均为凹面，其中心厚度2.8~3.2mm，物侧面的口径为11.8~12.2mm，曲率半径为-17.5~-17mm，像侧面的口径为13.8~14.2mm，曲率半径为12.2~12.6mm。优选的，所述第一透镜31的中心厚度3mm，其物侧面的口径为12mm，曲率半径为-17.222mm，像侧面的口径为14mm，曲率半径为12.443mm。所述第二透镜32与所述第一透镜31相距80mm，且所述第二透镜32的中心厚度30~30.1mm，其物像面为凹面，口径为78~82mm，曲率半径为-150~-145mm，像侧面为凸面，口径为88~92mm，曲率半径为-72~-68mm。优选的，第二透镜32的中心厚度30.006mm，其物像面为凹面，口径为80mm，曲率半径为-148.798mm，像侧面为凸面，口径为90mm，曲率半径为-70.562mm。所述第三透镜33与第二透镜32相距5mm，且所述第三透镜33的物像面和镜像面均为凸面，其中心厚度30~30.1mm，口径为104~106mm，物侧面的曲率半径为765~767mm，像侧面的曲率半径为-141~-140mm。优选的，第三透镜33的中心厚度30.003mm，口径为105mm，物侧面的曲率半径为766.355mm，像侧面的曲率半径为-140.029mm。本实用新型中，所述激光扩束组3的设置实现将入射光为10mm的高斯光束扩束准直至出射光为100mm的高斯准直光束，对最终线性聚焦光斑的线长起到决定性作用。

所述缩束整形组4为第四透镜41，所述第四透镜41与第三透镜33之间的距离为19.8~20.2mm，其中心厚度为14.8~15.2mm，口径为99~101mm，物侧面为凸面，曲率半径132~135，像侧面为平面。优选的，所述第四透镜41与第三透镜33之间的距离为20mm，其中心厚度为15mm，口径为100*1mm，物侧面为凸面，曲率半径134.281mm，像侧面为平面。本实用新型中，缩束整形组的设置实现将100*100mm的矩形高斯准直光束压缩为100*1mm的线形高斯准直光束。

所述光束准直组5为第五透镜51，所述第五透镜51与第四透镜41之间的距离为282~284mm，其中心厚度为1.8~2.2mm，口径为2.8~3mm，物侧面为平面，像侧面为凹面，曲率半径为1.6~1.8mm。优选的，所述第五透镜51与第四透镜41之间的距离为283mm，其中心厚度为2mm，口径为100*3mm，物侧面为平面，像侧面为凹面，曲率半径为1.739mm。本实用新型中所述光束准直组的设置实现将线形高斯准直光束进行准直，使其在较大焦深内均保持均匀的聚焦线宽和线长，以实现深度清洗。

如图2所示，最终的波前图中即可可以看出，波前PV 值为0.0042λ，系统的出射波前接近于平面波，出射质量得到了明显的提高，光斑照度均匀。

下面简单阐述一下本实用新型的工作过程：脉冲激光器发射出10mm高斯光束经，通过振镜后将光束振动成特定形状的光束，将所述特定形状的光束穿过依次为第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33，在第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33的作用下，出射光为100mm的高斯准直光束，100mm的高斯准直光束穿过第四透镜41，在第四透镜41的作用下，将100*100mm的矩形高斯准直光束压缩为100*1mm的线形高斯准直光束，线形高斯准直光束穿过第五透镜51，在第五透镜51的作用下，对线形高斯准直光束进行准直，使其在较大焦深内均保持均匀的聚焦线宽和线长，从而以实现对清洗面的深度清洗。

本实用新型的有益效果主要体现在：

1、光学透镜均由熔融石英制成，可适应较高功率的激光环境，避免镜片被打坏；

2、通过该镜头对光束进行扩束整形聚焦等，使得射出的光束为高功率线形光束，从而射到清洗物件表面的光束为线光束，形成线斑面，因此清洗范围大，且避免了传统清洗方式中点斑衔接时存在的微小缝隙，提高了整体的清洗效果；

3、激光扩束组的设置实现将入射光为10mm的高斯光束扩束准直至出射光为100mm的高斯准直光束，对最终线性聚焦光斑的线长起到决定性作用；

4、缩束整形组的设置实现将100*100mm的矩形高斯准直光束压缩为100*1mm的线形高斯准直光束；

5、光束准直组的设置实现将线形高斯准直光束进行准直，使其在较大焦深内均保持均匀的聚焦线宽和线长，以实现深度清洗。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。