专利名称：宽带光斑成型抛物面镜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及激光加工应用领域，特别是涉及将激光束进行聚焦整形变换的光学 元件。
背景技术：
宽带光斑成型抛物面镜是一种将激光束进行聚焦整形变换的光学元件，属于激光加 工应用领域。它能够将原始大功率激光束聚焦整形成能量分布均匀的窄条形光斑，主要 应用于激光表面热处理，激光淬火等利用高能量激光束进行材料表面处理的加工领域。
通常对大功率激光束进行聚焦的一种方法是采用球面或非球面(如标准抛物面、椭 圆面、双曲面等)反射聚焦镜。该技术存在的问题是反射聚焦镜将激光束会聚成多模 圆形(如图2所示)，这种圆形光斑内光束的能量分布是不均匀的，光斑中心能量密度 高，而边缘能量密度低。这样激光加工时，光斑照射区域中心部分热传导条件差，散热 慢，边缘部位热传导条件好，散热快，这两种因素使得光斑照射中心部位的温度高于边 缘部位的温度。这种光斑能量分布不合理现象，造成中心能量过剩，边缘能量欠缺，激 光能量不能充分利用，改性层不均匀，呈月牙状分布(如图5所示)，这不利于进行激 光材料表面热处理。另一种方法是采用方形积分镜，将原始激光束聚焦成一定大小的光 强分布均匀的矩形光斑。该技术存在的问题是制造复杂，粘结剂受到高功率激光束的 照射容易退化变质；由于粘结剂不易散热，小镜片吸收激光热量后容易变形，从而影响
聚焦质量。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供将原始原型激光束聚焦整形成一定大小的窄条形分布光 斑，光斑内激光束光强分布均匀，且制作简单，使用方便的一种宽带光斑成型抛物面镜。
宽带光斑成型抛物面镜，包括镜面，其特征在于，所述镜面上的每一点均满足曲面
方程"(")2+ + +2(,-"2+ ，其中，(x， y， z)为直角坐标系的一个点，/为抛物面镜的焦距，h为镜面中心与y轴间的距离，f </ </或/</2<3/， D为抛
物面镜的通光口径。
本实用新型的技术效果体现在本实用新型将原始圆形激光束聚焦成一定大小的窄 条形光斑，光斑内激光光强均匀分布，这将促进激光热处理，淬火时处理厚度的均匀性， 以避免被处理表面存在显著的过渡区，减小重叠部分的回火区。该宽带光斑成型抛物面 镜可利用回转高精车机床一次成型加工，制造工艺简单，可提高反射镜耐高功率激光束 和散热的能力及聚焦质量。
图l为本实用新型结构示意图2为现有技术中原始激光束能量分布图3为采用本实用新型反射聚焦后回转面上的窄条状光斑分布图； 图4为采用本实用新型反射聚焦后焦平面上的窄条状光斑分布图； 图5为传统反射聚焦得到的硬化带为月牙形分布图6为采用本实用新型进行激光淬火后得到的硬化带为均匀分布图。
具体实施方式
本实用新型的设计原理是在标准抛物面反射聚焦镜的回转方向相垂直的方向上采
用新型类抛物面代替标准抛物面。图2为现有技术中原始激光束能量分布图，原始圆形
激光束经该抛物面镜反射聚焦后，将在回转面与焦平面上形成一对相互垂直的窄条形光
斑(如图3， 4所示)。
图1为宽带光斑成型抛物面镜的结构图。该宽带光束成型抛物面镜1与入射激光束
2成45°夹角，镜面中心点"距离激光反射回转轴3 (即y轴)的距离为A。在该镜面中 心点O'，入射激光束2与出射激光束的夹角为9(T。而抛物面的焦点在F处，焦距为/， 则F点的坐标为F (//2,-/ + / )。该宽带光斑成型抛物面弧线采用非标准抛物线方程
("0)，其中y为抛物线的焦距，y轴就是激光反射回转轴。于是，该抛物面镜上的每一点均满足方程y =.(/-W2 + + + 2(/ — /2)Vx^ ，其中，(x， y,
z)为直角坐标系的一个点，镜面中心点0'与激光反射回转轴3 (即y轴)的距离A满足:
1〈/ 〈/或/〈/z〈3/， D为该反射镜的通光口径。该抛物面弧线AB将激光束反射到
回转轴3 (即y轴)处形成长度为a的线段CD，也就是所设计的回转面上窄条形光斑 的长边。
如图1所示，入射平行激光束2经抛物弧线AB反射后将会聚于该抛物线的焦点F 处。那么当该抛物面弧线AB绕激光反射回转轴3 (即y轴)旋转时，将在该抛物面镜 的焦面(即z-0平面)附近形成与回转面处相垂直的窄条形光斑。
窄条形光斑的长度与该抛物面镜的焦距/ ，镜面中心点O'距离激光反射回转轴3(即 y轴)的距离A，以及抛物面弧线AB的长度相关。
实施例
采用本实用新型技术方案的宽带光斑成型抛物面镜及大功率横流C02激光器，选择 45#钢为实施对象，对其进行了激光相变硬化实验。原始圆形激光束经该宽带光斑成型 抛物面镜反射聚焦后，将在回转面与焦平面上形成一对相互垂直的窄条形光斑(如图3， 4所示)。经宽带激光相变硬化处理后，得到单道淬火带尺寸宽度L为10mm，其硬化带 形状分布均匀(如图6所示)。
经实验结果证实，本实用新型满足了前述的目的，达到了前述的使用效果。
权利要求1、宽带光斑成型抛物面镜，包括镜面，其特征在于，所述镜面上的每一点均满足曲面方程其中，(x，y，z)为直角坐标系的一个点，f为抛物面镜的焦距，h为镜面中心与y轴间的距离，或f<h<3f，D为抛物面镜的通光口径。
专利摘要本实用新型提供一种激光光束聚焦整型抛物面镜，包括镜面，所述镜面上的每一点均满足曲面方程y＝[(f-h)<sup>2</sup>+x<sup>2</sup>+z<sup>2</sup>+2(f-h)(√x<sup>2</sup>+2<sup>2</sup>)]/2f，其中，(x，y，z)为直角坐标系的一个点，f为抛物面镜的焦距，h为镜面中心与y轴间的距离，(D/2)＜h＜f或f＜h＜3f，D为抛物面镜的通光口径。本实用新型将原始圆形激光束聚焦成一定大小的窄条形光斑，光斑内激光光强均匀分布，这将促进激光热处理，淬火时处理厚度的均匀性，避免被处理表面存在显著的过渡区，减小重叠部分的回火区。
文档编号G02B5/10GK201262650SQ20082019075
公开日2009年6月24日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年9月12日
发明者乐 周, 英 王, 曦 罗, 陈培锋 申请人:华中科技大学