[发明专利]可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置与扫描方法

说明书

本发明提供一种可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置与扫描方法，包括：激光源、准直透镜组、扩束透镜组、微透镜阵列，具有N*N阵列式排布的微透镜光学单元，用于对扩束后的光束进行匀化处理，形成均匀的光强分布输出，将光斑能量变为平顶分布；扫描振镜系统；以及场镜系统；其中，准直透镜组安装在可沿着光轴方向前后移动的移动平台上，通过移动平台的前后移动改变激光焦点位置的光斑大小；激光焦点处于扩束透镜组及微透镜阵列的入射焦点正中央位置。本发明的激光扫描装置与扫描方法，提供稳定且激光焦点位置光斑大小及形貌可调的光斑输出，激光光斑的能量分布从传统的高斯分布变为均匀的平顶分布，实现光强的均匀化处理。

技术领域

本发明涉及激光光束扫描技术领域，具体涉及一种可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置与扫描方法。

背景技术

在激光扫描、抛光、焊接、切割、表面整形、打标、激光熔覆加工等激光加工和激光再造领域，利用高功率的激光光束输出，通过准直、会聚等光学处理后，对待处理对象的表面进行对应的加工处理。目前激光器的输出的激光束，通常是圆形平行光束，能量呈高斯型分布，在准直聚焦透镜直接将这种光束进行聚焦后打到加工表面，形成的圆形、矩形、线形光斑的能量也是高斯型分布，光斑中心能量过高，光斑外围能量低，在进行加工(例如熔覆、清扫、表面整形等)时，通常需要比较高的搭接率，加工的效率、均匀性均受到影响。

现有技术中常用的改善是进行光束整形，改变激光能量分布，包括光波导反射整型器、复眼均束整型器和带光阑的望远镜系统等。光波导反射整型器是在光学系统中引入光波导，使入射激光在系统内部多次反射，从而使激光光束均匀分布，其内部光路结构复杂；复眼均束整型器是将入射激光束进行分割和叠加，其能量损失率较高；带光阑的望远镜系统只是将外围能量低的区域进行了隔离，只保留中心高能量区域，属于伪均匀分布，而且激光焦点位置的光斑大小和形貌均不可调。

发明内容

本发明目的在于提供一种可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置与扫描方法，旨在提供一种激光焦点处能量均匀分布的光斑，将激光输出的高斯光束转变为平顶光束，可应用于在激光扫描、抛光、打标、焊接、切割、增加表面平整度、降低表面粗糙度领域。

为实现上述目的，本发明第一方面提出一种可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，包括：

激光源，用于被驱动发射激光光束；

准直透镜组，用于准直激光源发射的光束；

扩束透镜组，用对准直后的光束进行变倍扩束；

微透镜阵列，具有N*N阵列式排布的微透镜光学单元，用于对扩束后的光束进行匀化处理，形成均匀的光强分布输出，将光斑能量变为平顶分布，其中N为大于等于1的正整数；

扫描振镜系统；以及

场镜系统；

其中，所述准直透镜组安装在可沿着光轴方向前后移动的移动平台上，通过移动平台的前后移动改变激光焦点位置的光斑大小；

所述激光焦点处于扩束透镜组及微透镜阵列的入射焦点正中央位置。

优选地，所述准直镜片组被设置成可前后移动的距离控制在±100mm。

优选地，所述扩束透镜组采用伽利略式扩束镜片，由一正透镜和一负透镜组合构成。

优选地，所述扩束镜片由平凸透镜和平凹透镜构成，并且使二者平面的一侧相面对放置。

优选地，所述扩束透镜组采用开普勒式扩束镜片，由两片正焦距的凸透镜组合构成。

优选地，所述扩束透镜组包括固定变倍扩束镜或者变倍扩束镜。