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专利号: 2020107293244
申请人: 江苏大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 清洁
更新日期:2024-10-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种高效激光清洗装置,其特征在于,包括:控制器(C)、光纤激光器阵列(L)、激光耦合器(1)、激光准直器(2)、变焦激光清洗头(3);

所述光纤激光器阵列(L)输出波长λ的激光,经由激光耦合器(1)耦合进传能光纤后传输至激光准直器(2),激光经过所述激光准直器(2)后变成平行光束进入变焦激光清洗头(3);

所述变焦激光清洗头(3)内部构造按照激光传输方向依次是第一透镜(301)、第二透镜(302)、第三透镜(303)、第四透镜(304)、第五透镜(305)、第六透镜(306)、第七透镜(307)、第八透镜(308)、第九透镜(309)、第十透镜(310)、第十一透镜(311)、第十二透镜(312)、第十三透镜(313)、第十四透镜(314)、一维扫描振镜(315)、第十五透镜(316)、实时监测器件(318),激光经过所述第十五透镜(316)之后打到待清洗样品表面(4)上;

所述控制器能够控制所述光纤激光器阵列(L)输出同步脉冲激光,所述控制器能够控制变焦激光清洗头(3)进行变焦以调节清洗激光线宽,所述控制器(C)能够控制一维扫描振镜(315)转动,所述控制器(C)能够实时接收实时监测器件(318)的监测数据并根据监测数据发出指令;

所述第一透镜(301)为平面透镜、第二透镜(302)为负透镜、第三透镜(303)为负透镜、第四透镜(304)为正透镜、第五透镜(305)为正透镜、第六透镜(306)为负透镜、第七透镜(307)为正透镜、第八透镜(308)为负透镜、第九透镜(309)为正透镜、第十透镜(310)为正透镜、第十一透镜(311)为负透镜、第十二透镜(312)为正透镜、第十三透镜(313)为负透镜、第十四透镜(314)为正透镜、第十五透镜(316)为平面透镜;

所述第二透镜(302)为双凹透镜、第三透镜(303)为双凹透镜、第四透镜(304)为双凸透镜、第五透镜(305)为双凸透镜、第六透镜(306)为双凹透镜、第七透镜(307)为弯月形凸透镜、第八透镜(308)为弯月形凹透镜、第九透镜(309)为弯月形凸透镜、第十透镜(310)为双凸透镜、第十一透镜(311)为弯月形凹透镜、第十二透镜(312)为柱面平凸透镜、第十三透镜(313)为柱面平凹透镜、第十四透镜(314)为柱面平凸透镜;

所述第二透镜(302)设置有孔径光阑;

所述第二透镜(302)、第三透镜(303)、第四透镜(304)、第五透镜(305)、第六透镜(306)、第七透镜(307)、第八透镜(308)、第九透镜(309)均为球面透镜;第一透镜(301)、第十透镜(310)为非球面透镜;

所述第三透镜(303)、第四透镜(304)和第五透镜(305)的组合焦距为f3‑5,所述第六透镜(306)、第七透镜(307)和第八透镜(308)的组合焦距为f6‑8,所述第九透镜(309)、第十透镜(310)和第十一透镜(311)的组合焦距为f9‑11,且5<∣f9‑11/f6‑8∣<15,0.5<∣f6‑8/f3‑5∣<1.5;

所述第十二透镜(312)的焦距为f12,所述第十三透镜(313)的焦距为f13,所述第十四透镜(314)焦距为f14,且0.5<∣f12/f13∣<1.5,2<∣f14/f13∣<5;

所述第二透镜(302)的透光孔径为D1,且5毫米

所述变焦激光清洗头(3)将输入激光的圆形光斑转换成长度可调的能量分布均匀的线形光斑。

2.根据权利要求1所述的一种高效激光清洗装置,其特征在于,所述第二透镜(302)的前后表面的半径分别为‑20.1795毫米和20.1795毫米,第三透镜(303)的前后表面的半径分别为‑189.7113毫米和19.2800毫米,第四透镜(304)的前后表面的半径分别为19.0070毫米和‑17.4884毫米,第五透镜(305)的前后表面的半径分别为52.3556毫米和‑55.2488毫米,第六透镜(306)的前后表面的半径分别为‑32.0711毫米和40.0056毫米,第七透镜(307)的前后表面的半径分别为39.4392毫米和46.4453毫米,第八透镜(308)的前后表面的半径分别为‑22.4407毫米和‑60.9624毫米,第九透镜(309)的前后表面的半径分别为‑226.9021毫米和‑89.5169毫米,第十透镜(310)的前后表面的半径分别为389.8138毫米和‑49.3114毫米,第十一透镜(311)的前后表面的半径分别为‑51.7762毫米和‑143.5781毫米,第十二透镜(312)的前表面的X、Y半径分别为无限大和200.0000毫米,后表面为平面,第十三透镜(313)的前表面为平面,后表面的X、Y半径分别为‑150.0000毫米和无限大,第十四透镜(314)的前表面的X、Y半径分别为无限大和600.0000毫米,后表面为平面。

3.根据权利要求1所述的一种高效激光清洗装置,其特征在于,所述第一透镜(301)的中心厚度为5.0000±0.1000毫米,所述第一透镜(301)与第二透镜(302)之间的空气间隔为

10.0000±0.1000毫米;所述第二透镜(302)的中心厚度为2.0000±0.1000毫米,所述第二透镜(302)与第三透镜(303)之间的空气间隔为变量,变化范围从9.4550±0.1000至

30.0000±0.1000毫米;所述第三透镜(303)的中心厚度为2.0000±0.1000毫米,所述第三透镜(303)与第四透镜(304)之间的空气间隔为0.0500±0.1000毫米;所述第四透镜(304)的中心厚度为8.0000±0.1000毫米,所述第四透镜(304)与第五透镜(305)之间的空气间隔为0.2000±0.1000毫米;所述第五透镜(305)的中心厚度为5.0000±0.1000毫米,所述第五透镜(305)与第六透镜(306)之间的空气间隔为变量,变化范围从6.0000±0.1000至

41.2976±0.1000毫米;所述第六透镜(306)的中心厚度为5.2000±0.1000毫米,所述第六透镜(306)与第七透镜(307)之间的空气间隔为0.0500±0.1000毫米;所述第七透镜(307)的中心厚度为2.0000±0.1000毫米,所述第七透镜(307)与第八透镜(308)之间的空气间隔为6.0000±0.1000毫米;所述第八透镜(308)的中心厚度为2.0000±0.1000毫米,所述第八透镜(308)与第九透镜(309)之间的空气间隔为变量,变化范围从79.2531±0.1000至

130.0000±0.1000毫米;所述第九透镜(309)的中心厚度为7.0000±0.1000毫米,所述第九透镜(309)与第十透镜(310)之间的空气间隔为0.2000±0.1000毫米;所述第十透镜(310)的中心厚度为9.5000±0.1000毫米,所述第十透镜(310)与第十一透镜(311)之间的空气间隔为0.8000±0.1000毫米;所述第十一透镜(311)的中心厚度为4.0000±0.1000毫米,所述第十一透镜(311)与第十二透镜(312)之间的空气间隔为5.0000±0.1000毫米;所述第十二透镜(312)的中心厚度为6.0000±0.1000毫米,所述第十二透镜(312)与第十三透镜(313)之间的空气间隔为10.0000±0.1000毫米;所述第十三透镜(313)的中心厚度为6.0000±

0.1000毫米,所述第十三透镜(313)与第十四透镜(314)之间的空气间隔为10.0000±

0.1000毫米;所述第十四透镜(314)的中心厚度为6.0000±0.1000毫米,所述第十四透镜

313与一维扫描振镜(315)之间的空气间隔为变量,变化范围从70.5000±0.1000至

125.0000±0.1000毫米;所述一维扫描振镜(315)与第十五透镜(316)之间的空气间隔为

40.0000±0.1000毫米;所述第十五透镜(316)的中心厚度为6.0000±0.1000毫米。

4.根据权利要求1所述的一种高效激光清洗装置,其特征在于,所述变焦激光清洗头(3)的工作波段为532纳米至近红外1064纳米,出射的激光光斑焦深大于20毫米。

5.根据权利要求1所述的一种高效激光清洗装置,其特征在于,所述第一透镜(301)为可插拔平面透镜,所述第十五透镜(316)为可插拔保护镜。

6.根据权利要求1所述的一种高效激光清洗装置,其特征在于,所述一维扫描振镜(315)最大偏转角度±12.5度,所述变焦激光清洗头(3)出射的清洗激光线宽在10毫米到50毫米之间连续可调;所述变焦激光清洗头(3)的工作距离(从一维扫描振镜(315)到待清洗样品表面(4)的距离)固定为100毫米。

7.根据权利要求1所述的一种高效激光清洗装置,其特征在于,所述光纤激光器阵列(L)所包含的每一台激光器参数均相同,均为光纤脉冲激光器,重复频率2赫兹至50千赫兹。

8.根据权利要求1所述的一种高效激光清洗装置,其特征在于,所述实时监测器件(318)采用独立激光光源1550纳米波长,光斑直径5毫米,与激光照射方向成30度夹角方向设置反射光采集探头,探头采用InGaAs光电二极管,二极管探头前加1550纳米的窄带滤光片。

9.根据权利要求1‑8任一项所述激光清洗装置的一种高效激光清洗方法,其特征在于,包括:

S1:参数选择及系统初始化

各部件开机,选择激光波长1064纳米,重复频率1千赫兹,根据清洗功率要求选择开启3台激光器,清洗激光头出光线宽为30毫米,扫描速度1000毫米每秒,清洗范围:30毫米×100毫米,清洗前后样品表面反射率分别为20%和90%;在此参数下,光纤激光器阵列(L)需采用n个波长为1064纳米的脉冲光纤激光器组成,控制器控制光纤激光器阵列(L)的3个脉冲激光器开启并同步,设置重复频率为1千赫兹,保证3个激光器同一时间发出激光脉冲;控制器控制变焦激光清洗头(3)进行变焦,使输出激光线光斑的长度为30毫米;控制器设置一维扫描振镜(315)的扫描速度为1000毫米每秒,清洗范围为30毫米×100毫米;控制器实时采集实时监测器件(318)的反射率数据;

S2:清洗过程

脉冲激光器发出的激光经过激光耦合器(1)之后耦合进传能光纤,在传能光纤内部,3个激光脉冲叠加,实现脉冲能量3倍增强,所述激光经过激光准直器(2)之后变成平行光束进入变焦激光清洗头(3),激光经过变焦激光清洗头(3)之后变成长度为30毫米的线光斑照射至待清洗样品表面进行清洗;

S3:监视过程

在清洗过程中,实时监测器件(318)实时采集的反射率数据传输至控制器中,如果反射率低于设定范围,则控制器给出中断信号,提示本次清洗效果欠佳,提前结束,重新设置后再进行清洗;

否则,待全部清洗结束后电脑提示清洗顺利完成,本次清洗结束;在整个清洗过程中,吸尘器(317)保持打开状态,以吸收清洗掉的污物;

上述S1‑S3的清洗过程中,如果清洗面积过大,可采用逐步累加的方式进行清洗,即先清洗其中一部分,清洗结束之后再清洗另外一部分,直至全部面积清洗完成。