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CN1311870A - 产生改善的激光束的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在材料的表面处理中很有用的改善的激光束以及一种产生改善的激光束的装置。本发明的改善的激光束包括在外部区比在中心区的强度更高的功率分布。本发明包括一种装置,该装置包括与焦点对准的光学元件和/或将激光束成形成有利于材料表面处理的新颖的分布的柱面光学元件和功率球面。本发明进一步包括一种应用这种装置来聚焦和/或成形激光束以产生激光感应表面改善的方法,下文中称为“LISI”。

Description

产生改善的激光束的装置和方法
本发明涉及一种在材料的表面处理中很有用的改善的激光束以及一种产生改善的激光束的装置。本发明的改善的激光束包括在外部区比在中心区的强度更高的功率分布。本发明包括一种装置，该装置包括用于将激光束聚焦和/或定形成有利于材料表面处理的新颖截面的光学元件。本发明的激光束和装置都有利于激光感应表面改善，下文中称为“LISI”。
已经应用激光束来处理和/或加工工件，比如金属工件。应用激光束进行材料的表面处理的已有技术的设备包括激光束发送系统和相对于激光束移动工件的运动系统。激光束对工件的处理的结果是许多变量的函数，包括但并不限于功率分布和激光束的形状。应用激光束对工件表面进行均匀的处理通常是一种理想状态。
一系列的已有技术的激光束处理设备都具有非均匀表面处理的缺点，因为这种设备所使用的激光束为高斯分布或正态功率分布。参见Jones等人的“Laser-beam Analysis Pinpoints Critical Parameters”,Laser Focus World(1993年1月)。另一种类型的已有技术的激光束在该束的整个横截面上具有均衡或均匀的功率分布。这种激光束描述在美国专利US5,124,993中。这种均匀的功率分布由于增加了在激光束照射区的外围区中的热传输，因此能够在这些区域中产生更小的能量沉积。
这种处理的非均匀性导致在所处理的工件的表面的非规则性以及在该激光束所照射的工件的表面下的非均匀的处理深度。已有技术的激光束结构通常为环行(circular)。这种环行束的功率密度中心最大，由此在该束的中心产生最大的能量沉积。典型的已有技术中的激光束的功率分布如在附图1A所示。
在LISI处理中，在点A处的功率为恒定的时间函数，因此沉积在点A的能量EDA与在点A处的功率PA与点A被照射的时间长度T的乘积成比例。当功率分布在空间上非均匀时，所得的能量沉积分布是成比例地非均匀的。
已有技术的激光束的高斯功率分布的另一个缺点是功率密度和相应的能量沉积以距离束中心的径向距离的函数下降。因此，应用这种已有技术的激光束处理的工件在激光束的中心区过处理而在外部激光束区欠处理。处理的深度与功率分布成比例。被处理的区域在此称为“熔化区”。在附图1B中示出了在具有高斯功率分布的已有技术的激光束的典型的熔化区。在附图1C中示出了从在附图1B中所描述的熔化区分布和在附图1A中所示的功率分布中得出的温度的时间变化。
已有技术的处理方法在处理工件的过程中应用激光束的重叠以增加欠处理的外部区的处理深度。对于LISI处理，表面的特征比如光滑度和组成均匀性都很重要，尤其是硬度和抗腐蚀的特性。已有技术的激光束处理方法所要求的激光束重叠导致了在处理深度、组成和表面分布方面的非均匀性。所有这些非均匀性都是不希望的。
在照射之前在工件上淀积前体材料的LISI处理中，在前体材料并入到基片熔化之前，在环行束的外部区中的较低的功率密度可能导致该前体材料熔化并消失。这就可能导致非处理的辐射区。
激光束处理系统的效率是许多变量的函数，包括但并不限于激光束的形状、大小以及功率分布。已有技术的激光束处理设备具有处理速率不足的缺陷，部分地导致了较小的束面积、非均匀的功率分布以及环行束形状。
本发明具有如下的优点：(a)改善功率分布，(b)提高表面质量，以及(c)提高表面处理的速率。通过应用一种激光束成形和聚焦装置来实现这些优点，该装置产生具有一种新颖的功率分布的改善激光束，该新颖的功率分布为相对于中心区增加在外部区的功率。通过本发明的改善的功率分布得到改善的表面质量。提高的处理速率是由更大的非环行束表面面积以及更均匀的功率分布实现的。
本发明包括一种用于材料表面处理的改善的激光束以及用于产生这种改善的激光束的装置。
该激光束进一步包括这样的一种功率分布，该功率分布为在中心区基本恒定、在外部区增加以及在端部区以基本为阶跃函数的方式降低。在此所使用的术语“在中心区基本恒定”意味着在中心区的功率分布偏差的最大范围小于在中心区的最大的功率级的7.5％。
这种功率分布类似于蝙蝠头，因此在此称为“蝙蝠耳”分布。在外部区中的功率的峰值强度或幅值与在中心区的平均强度或幅值之比大于或等于1.2。
在中心区中的基本恒定的分布在中心区产生了基本均匀的能量沉积和材料处理。在外部区增加的功率分布补偿在该区中的能量或热流量的增加。
本发明可以用于具有足够体积的工件的LISI处理以便在能量沉积区的之外的工件区(非能量沉积区)用作较大的热沉。工件的热沉的特性使得在能量沉积区和非能量沉积区之间的界面处能量或热流量增加。
在端部区中的功率分布的基本阶跃函数降低提供了对在大致等于功率分布的宽度的区域中的材料处理的控制。这提供了一种改善的材料处理，其中沿着连续的平行通路将激光束施加到工件。在这种处理中，理想的是使激光束重叠最小，因为这种重叠相对于在束的中心区中的能量沉积增加了在重叠区中的能量沉积，因此降低了覆盖面积的处理速率。
本发明的装置还涉及用于产生本发明的激光束的光学元件的组合。该光学元件的组合包括准直光学元件、第一柱面光学元件和第二柱面光学元件。
该装置包括将其设置获得所描述的尺寸和能量分布的特性的光学元件。该装置对准直的或非准直的输入激光束进行适当的聚焦，并可以将其构造成占最小的空间。可以改变该装置的焦距以满足已有的或理想的性能要求。
因为通常是在除了相应的环行束的情况下的其它情况下运行，应用光纤光学地输送输入激光束，反向散射的能量的量和随后可能的损失最小。将该装置设计成光学元件主动冷却或被动冷却以使在整个情况下以较高的功率连续地运行。
一种气体输送系统可以并入到该装置中以有助于激光处理和冷却该装置或防止污染光学元件。该装置可以由任何结构材料制成，但从激光束的安全考虑应该包括不透明的壁。内壁表面和外壁表面可以施加以涂层增加对任何寄生反射的吸收。还应该使用保护性的玻璃盖来保护光学元件不被污染且不改变该装置的效率。还可以将该装置设计成可以从安装支架上分离开而本身不会被损坏。
图1A描述了已有技术的激光束的高斯功率分布。
图1B描述了在附图1A中所描述的已有技术的典型激光束的熔化区。
图1C描述了从在附图1B中所描述的熔化区分布和在附图1A中所示的功率分布中得出的温度的时间变化。
图2A描述了本发明的激光束在宽度尺寸方面的功率分布。
图2B描述了本发明的激光束在长度尺寸方面的功率分布。
图2C描述了本发明的激光束矩形横截面分布的顶视图。
图3描述了本发明的装置的实施例的侧视图。
图4描述了本发明的装置的实施例的顶视图。
在优选的实施例中，如附图2C所示，本发明的激光束具有宽度尺寸22和长度尺寸24的矩形的横截面20。在优选的实施例中，所说的束的宽度尺寸至少为所说的束的长度尺寸的8倍。在下文中将在一半的最大强度的位置上所测量的宽度尺寸与长度尺寸之比称为“纵横比”。
如在附图2中所示，本发明的激光束在宽度尺寸上包括这样的功率分布，即该功率分布在中心区10基本恒定、在外部区12增加而在其宽度尺寸的端部区14上基本以阶跃函数的方式降低。在外部区中的功率分布的强度或幅值与在中心区的强度或幅值之比大于或等于1.2。下文中称该比率为“外部与中心强度之比”。
在如附图2A所示的优选实施例中，中心区延伸至少该激光束的宽度的50％。在如附图2A所示的另一优选实施例中，中心区在该激光束的宽度的60％-75％的范围内延伸。
在如附图2B所示的优选实施例中，在长度尺寸上的功率分布基本恒定。在如附图2B所示的优选实施例中长度尺寸小于1毫米。
在优选实施例中，本发明的激光束可以有选择性地沿着与第一和第二激光束的长度尺寸平行的轴线移动。
本发明的装置还涉及对从激光源中发射的激光束进行成形，使其最大的外部与平均中心强度之比率大于或等于1.2。这种装置描述在附图3和4中。它包括准直光学元件32，用于对从激光源发射的激光束进行准直。本发明进一步包括具有第一弯曲的外部表面33的第一柱面光学元件34。设置该第一柱面光学元件以从准直光学元件接收经准直的激光束。第一柱面光学元件与准直光学元件间隔0.1毫米至5,000.0毫米。
本发明进一步包括具有第二弯曲的外部表面35的第二柱面光学元件36，该第二弯曲的外部表面35设置在与第一弯曲表面旋转错开89.5度至90.5度的范围内。第二柱面光学元件设置成接收来自第一柱面光学元件的激光束。在优选的实施例中，第一和第二弯曲表面彼此正对着。
如附图3和4所示，本发明的优选的实施例进一步包括设置在激光束源和准直光学元件之间的双凹面透镜30，以使在所说的准直光学元件上比没有双凹面透镜的情况投射更为发散的激光束。
在另一优选实施例中，本发明进一步包括能够发射波长为1.06微米的激光的激光源并进一步包括所说的激光束从其引出的600微米直径的光纤。在优选的实施例中，从双凹面透镜发射出的激光束的发散角度为4.4度。在优选的实施例中，该透镜可以由熔化的石英玻璃制成并且进一步包括一种适合于波长为1.06微米的垂直入射辐射的抗反射涂层。
在另一优选的实施例中，双凹面透镜的焦距为75毫米并将其设置成距离激光束的有效激光源点98毫米。准直光学元件为焦距为100毫米的球形光学元件，并将其设置在距双凹面透镜41.3毫米处。
在一优选的实施例中，第一柱面光学元件是一种焦距为200毫米并距离准直光学元件22毫米的柱面透镜。在一优选的实施例中，第二柱面光学元件是一种焦距为152.4毫米并距离第一柱面光学元件5毫米的柱面透镜。第二柱面光学元件相对于第一柱面光学元件绕激光束的轴线旋转90度，并将其设置得使它的弯曲表面对着第一柱面光学元件。在一优选的实施例中，获得理想的能量分布的焦平面位于距离第二柱面光学元件167.2毫米处。
本发明的前面的公开和描述都是实例性的和解释性的。在不脱离本发明的精神的前提下可以在尺寸、形状和材料以及实例性结构细节方面作出各种改变。

Claims (20)

1．一种激光束，包括一中心区和两外部区，每个所说的外部区都包括外部边沿，所说的激光束包括这样的一种功率分布，该功率分布为在中心区基本恒定、在外部区增加而在外部边沿以基本为阶跃函数的方式降低，以使所说的束的最大的外部与平均中心强度之比大于或等于1.2。
2．权利要求1所述的激光束，其中所说的激光束具有包括宽度尺寸和长度尺寸的矩形横截面轮廓。
3．权利要求2所述的激光束，其中所说的中心区延伸至少所说的束的宽度的50％。
4．权利要求3所述的激光束，其中所说的中心区延伸至少所说的束的宽度的60％-75％。
5．权利要求2所述的激光束，其中所说的束的纵横比大于或等于8。
6．权利要求2所述的激光束，其中在长度尺寸上的功率分布基本恒定。
7．权利要求6所述的激光束，其中所说的长度尺寸小于1毫米。
8．权利要求2所述的激光束，其中所说的束沿着与所说的束的长度尺寸平行的轴线有选择性地移动。
9．一种具有矩形横截面轮廓的激光束，包括宽度尺寸和长度尺寸，所说的宽度至少为所说的长度尺寸大小的8倍，所说的激光束在宽度尺寸上进一步包括一种功率分布，所说的功率分布包括中心区和包括外部边沿的外部区，所说的分布为在中心区基本恒定、在外部区增加而在所说的宽度尺寸的外部边沿以基本为阶跃函数的方式降低。
10．权利要求9所述的激光束，其中所说的中心区延伸至少所说的束的宽度的50％。
11．权利要求9所述的激光束，其中所说的束的纵横比大于或等于8。
12．权利要求9所述的激光束，其中在长度尺寸上的功率分布基本恒定。
13．一种对从激光束源发射的激光束进行成形以使最大的外部与平均中心强度之比大于或等于1.2的装置，包括：
    a．设置成对从光源发射的激光束进行准直的准直光学元件；
    b．具有第一弯曲的外部表面的第一柱面光学元件，所说的第一柱面光学元件设置成从所说的准直光学元件接收经准直的激光束，其中所说的第一柱面光学元件与所说的准直光学元件间隔0.1至5,000.0毫米；以及
    c．具有第二弯曲的外部表面的第二柱面光学元件，该第二弯曲的外部表面设置在与第一弯曲表面旋转错开89.5度至90.5度的范围内，所说的第二柱面光学元件设置成接收自第一柱面光学元件的激光束。
14．权利要求13所述的装置，其中所说的准直光学元件是一种准直透镜。
15．权利要求13所述的装置，其中所说的第一和第二柱面光学元件都是柱面透镜。
16．权利要求13所述的装置，其中所说的第一和第二柱面元件整体形成。
17．权利要求13所述的装置，其中所说的第一柱面光学元件的焦距为200毫米。
18．权利要求13所述的装置，其中所说的第二柱面光学元件的焦距为152.4毫米。
19．权利要求13所述的装置，其中所说的第一和第二弯曲表面彼此正对着。
20．权利要求13所述的装置，进一步包括设置在激光束源和所说的准直光学元件之间的双凹面透镜，以使在所说的准直光学元件上投射更发散的激光束。
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