一种温度计、激光头及调焦方法与流程

本发明涉及激光调焦，特别是涉及一种温度计、激光头及调焦方法。

背景技术：

1、目前在高功率激光领域中，常用的激光头焦点位置的确定通过设置在激光头内的光栅传感器来确定，该焦点位置的确定方式需要在激光头内设置额外的器件，从而增加了激光头设备的成本和体积。为了解决上述的问题，现有的技术手段是通过在激光头内设电机，通过电机直接驱动调整准直镜的位置，从而使焦点达到预设的位置，并在加工过程中通过冷却水保证镜片的温度稳定，以此避免激光头的焦点偏移。但上述方式只是在开始时进行定焦，由于分布在聚焦透镜的能量密度越来越高，聚焦透镜的热效应越来越显著，会导致激光头设定好的零焦点随着聚焦透镜温度变化而变化，研究发现不同激光功率照射在聚焦镜片上时，镜片温度不同，热胀冷缩导致透镜曲率变化，激光头的零焦跟着变化，即焦点的偏移变化量和镜片温度存在对应关系，所以由于聚焦透镜的热效应，目前的激光头定焦后容易发生焦点偏移现象，导致在进行激光加工时容易出现误差，影响加工精度。

技术实现思路

1、本发明为了解决目前存在的焦点偏移现象，提供一种温度计、激光头及调焦方法，本发明通过定制的温度计表示焦点偏移量与聚焦镜片温度的关系，以此调整聚焦镜片的位置，对焦点偏移进行误差补偿，可有效提高激光加工过程中的加工精度。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种温度计，所述温度计的设计过程如下：

4、温度计中的水银热膨胀系数β表示为：

5、

6、式中，v表示常温时水银体积，t表示探测温度；

7、由于△v＝πr2△l，式中△v表示体积变化量，△l表示水银在温度计的容腔中的液面高度，r表示温度计的液面半径；

8、因此，根据上述式(1)得：

9、△v＝π*r2*△l＝β*△t*v (2)

10、式中，△t表示温度变化量；

11、由于△t＝t-t0，式中，t0表示水银的初始温度；

12、所以对式(2)进行简化得到液面高度△l关于温度t的关系式：

13、

14、其中π、β、v、t0均为常量；

15、通过激光焦点分析仪器实测出聚焦镜片在不同温度下的焦点偏移量，得到聚焦镜片在不同温度t时的实测焦点偏移数据，然后以实测的焦点偏移数据作为刻度，用以表示温度计的液面高度△l，即此时的△l表示的是聚焦镜片在温度t下的焦点偏移量，上述的实测数据表示为(t，△l)，将式(3)输入到数控机床中，并输入多组连续增大的数据(t，△l)，得到多个连续对应的液面半径r，数控机床根据得到的液面半径r对温度计的水银容腔半径进行加工，得到表示焦点偏移量与聚焦镜片温度t对应关系的温度计。

16、本发明的温度计先得到液面高度与温度的关系，然后通过激光焦点分析仪器测出聚焦镜片在不同温度下的激光头焦点偏移量，根据测出的不同温度下的焦点偏移，通过改变温度计内部直径将温度显示的刻度调成对应的聚焦镜片的焦点偏移量，完成制作以焦点偏移为刻度的温度计，该温度计是一种专用于表明焦点偏移量与温度对应的温度计，可简单明了地用于指示目前聚焦镜片在实时温度下的焦点偏移量。

17、本发明还提供一种激光头，包括上述的温度计和壳体，所述壳体设有激光腔、调节腔和测温腔：

18、所述激光腔内设有聚焦镜片及用于固定所述聚焦镜片的金属固定座；

19、所述调节腔设有调节口与所述激光腔相通，所述调节腔内设有调节机构，所述金属固定座的支柄穿过所述调节口与所述调节机构连接，由所述调节机构带动所述金属固定座进行升降运动；

20、所述测温腔内固定安装所述温度计，所述测温腔的底部设有连接腔，并通过所述连接腔与所述激光腔相通，所述金属固定座的导热片置于所述连接腔内并固定有指示针，所述指示针的顶部穿出所述连接腔并置于所述测温腔内用以指示所述金属固定座的线性位移量，所述温度计的测温端活动插接穿出所述导热片的测温孔，所述温度计的刻度表示的是焦点偏移量，焦点偏移量等于所述调节机构需要对所述金属固定座进行调节的线性移动量；

21、所述壳体的侧壁开设有视窗，所述视窗与所述测温腔对应，用以观察所述温度计的实时刻度，根据实时刻度，通过所述调节机构带动所述金属固定座进行升降运动，以使所述指示针的顶部与所述温度计的实时刻度对应。

22、该实例提供一种应用上述特制的温度计的激光头，通过该温度计的刻度变化可表示聚焦镜片的实时偏移量，该温度计的刻度可通过视窗显示，该温度计相对于激光头静止，即通过上述刻度定制的温度计的刻度变化量可用于表示聚焦镜片所需的线性移动量，可及时通过调节机构对聚焦镜片的位置进行调整，以使用于指示聚焦镜片的线性移动量的指示针与实时刻度对应，此时即可完成对聚焦镜片在实时温度下的焦点偏移量的补偿，以提高激光头的加工精度。

23、进一步，所述调节机构包括滑块、导轨和调节旋钮，两个所述导轨固定在所述调节腔的腔壁上，所述滑块安装在两个所述导轨之间，且所述滑块的一面与所述金属固定座的支炳固定连接，另一面设有齿条，所述调节旋钮通过轴承安装在所述壳体上，一端伸入所述调节腔内通过齿轮与所述齿条啮合，另一端置于所述壳体外用于旋拧。

24、由于为了简化激光头的内部结构，此处通过调节旋钮与滑块的配合以实现对聚焦镜片的线性位移进行调节，具体是通过旋拧调节按钮以使滑块上的齿条带动滑块进行同步升降运动，进而使滑块通过金属固定座带动聚焦镜片实现同步升降。其中导轨是便于对滑块进行导向滑动，保证滑块的升降稳定。

25、进一步，所述滑块的两侧与两个所述导轨之间产生的阻尼值大于所述滑块、金属固定座及聚焦镜片的总重力值。即在安装时，保证滑块与两个导轨之间的摩擦阻尼值大于滑块及其所连接部件的重力，这样，当调节旋钮通过滑块带动聚焦镜片进行升降运动调整好位置时，滑块不会由于聚焦镜片及金属固定座的重力而出现下滑的现象，使调节旋钮停止拧动后，可保证聚焦镜片的位置稳定性，不会造成线性移动量的误差，可提高调焦的准确性。

26、进一步，当所述指示针的顶部与所述温度计的零刻度对应时，所述金属固定座的支柄底部与所述调节口的底部接触，同时所述金属固定座的导热片底部与所述连接腔的底部接触；

27、当所述指示针的顶部与所述温度计的最大刻度对应时，所述金属固定座的支柄顶部与所述调节口的顶部接触，同时所述金属固定座的导热片顶部与所述连接腔的顶部接触。

28、可根据刻度的上下限对应设计调节口和连接腔的高度，以保证聚焦镜片在进行调节时，可在设定的刻度范围内进行调节，不会形成干涉。

29、进一步，所述视窗包括窗框及由所述窗框包裹的透明片，所述视窗安装在所述外壳的侧壁上，以使所述透明片与所述测温腔对应。

30、可通过透明片观察测温腔内温度计的刻度，在实际设计时，保证刻度范围置于透明片的可视范围，以使操作人员在聚焦镜片温度稳定后，清晰地观察到所到达的刻度，然后通过调节机构对聚焦镜片的线性位移量进行调节，以使指示针的顶部与实时刻度对应，即可完成对聚焦镜片的焦点偏移量进行补偿，保证激光头的加工精度。

31、进一步，所述温度计的测温端为金属圆柱体，与所述导热片的测温孔进行滑动配合，当所述调节机构带动所述金属固定座进行升降运动时，所述导热片通过所述测温孔沿所述测温端进行同步滑动升降。

32、温度计的测温端与导热片的测温孔采用滑动配合，在可进行热传导的同时，也不影响导热片相对温度计进行滑动，避免影响聚焦镜片进行线性位移量的调节。同时，在本发明中，聚焦镜片经金属固定座、导热片将热传导给温度计进行测温，此过程中发生的热传导损失忽略不计，即温度计所测量的温度即表示聚焦镜片的实时温度。

33、进一步，所述壳体的底部设有锥形的射筒，所述射筒内部形成有射出腔，且在所述射出腔的底部设有出口，所述射出腔与所述激光腔连通，激光经所述聚焦镜片聚焦后通过所述射出腔，并从所述射出腔底部的出口射出。

34、进一步，所述壳体在所述调节腔的一侧设有盖板，所述盖板盖设在所述壳体的表面用以对所述调节腔进行封闭。

35、在调节腔的一侧设有可拆卸的盖板，盖板可通过螺钉固定安装在外壳的侧壁上，可通过拆卸下盖板，对调节旋钮的齿轮与滑块的齿条接洽处滴入润滑油进行润滑保养，以使调整时旋拧更顺畅，保养完毕后盖上盖板即可。

36、一种激光头调焦方法，包括上述的激光头，进行调焦的过程如下：

37、s1、激光发生器发射出激光照射在所述聚焦镜片上，经所述聚焦镜片聚焦后射出，此时所述聚焦镜片的温度经过所述金属固定座、导热片传递到所述温度计中，所述温度计的水银液面升高，通过所述视窗观察液面变化，直至液面保持稳定；

38、s2、根据液面稳定后所对应的实时刻度，通过所述调节机构带动所述金属固定座进行升降运动，以使所述指示针的顶部与所述温度计的实时刻度对应，完成对聚焦镜片的调焦。

39、相比现有技术，本发明的有益效果如下：

40、本发明先定制出聚焦镜片的焦点偏移量与温度对应的温度计，然后设计调节机构用于调节聚焦镜片的线性位移量，之后依据温度计测量出聚焦镜片实时温度对应的焦点偏移量时，操作人员可清楚地通过视窗观察到实时刻度，然后通过调节机构调整聚焦镜片的线性位移量，当指示针的顶部与实时刻度对齐时，即可完成聚焦镜片的焦点偏移量的补偿，完成激光头的调焦。本发明可有效提高激光加工过程中的加工精度。