一种双激光器水松纸打孔光学系统
技术领域
本发明涉及CO2激光器打孔技术领域，具体为一种双激光器水松纸打孔光学系统。
背景技术
激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、熔覆、打孔、微加工等多种激光加工工艺，利用了激光与物质相互作用的基本特性。由于激光束具有与加工材料的非接触性、加工速度快与质量优异等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。
水松纸作为香烟过滤嘴外包层，具有良好精致的外观，通常需要在上面进行激光打孔，以改善空气通透能力和空气稀释度，降低消费者抽烟时吸入体内的焦油量等，从而最大程度上减少吸烟对人体健康的危害，提高感官体验。而作为10.6um左右波长的CO2激光器，由于高吸收率因素，是水松纸激光打孔中不可替代的激光器。
随着时代的发展进步，消费者对香烟的外观要求越来越高，这就不可避免影响到水松纸的制作，多道繁琐的制作工艺，将使得最终水松纸的厚度较以前偏厚，而表面的印层、镀层等，会进一步影响到水松纸最终在激光打孔中对激光的吸收率，吸收率降低或者厚度偏厚，都意味着打孔过程需要激光束与材料更长时间的接触或者更高的使用功率，才能保证孔型一致性、降低毛刺与变异系数。
目前，CO2激光器虽然已稳定在千瓦、万瓦级，但从工业市场使用来看，同一台高功率CO2激光器，其低功率出光与高功率出光下的光束质量、能量分布模式上会有所区别，通常情况下，低功率出光在能量分布模式与光束质量上均会相对偏好，国产激光器上尤为明显；同样的，低功率CO2激光器相对于高功率CO2激光器而言，能量分布模式与光束质量上能够做到更好，这就意味着2台同样功率的低功率CO2激光器，其组合效率与效果上会明显高于单台2倍功率的高功率激光器。
这对于超高速的水松纸激光打孔而言，影响会比较明显，大量的用户端加工数据表明，通过提高功率改善水松纸打孔透气度变异系数与毛刺等，远不如通过提高水松纸与激光的接触时间来改善效果。
然而从目前市面上使用的水松纸打孔机光路系统来看，几乎都采用单激光器与单组主光路与多道子光路来进行激光打孔。典型的，市面上比较常见的有8、16、32道子光路打孔系统，随着子光路数的增多，需要匹配不同面数的多面棱镜，在激光打孔中会要求更高的激光输出功率。
众所周知，判别水松纸打孔优劣性的，不仅仅有高低透气度包容性、透气度变异系数、孔型一致性、孔毛刺等，还包含打孔效率、走纸速度、单位长度上的孔数、激光能量利用率等，这其中多因素影响，相互矛盾牵制。
比如高的走纸速度，就会增大变异系数、恶化孔型一致性、毛刺偏多等，为了改善这一矛盾，一种方案是以减少多面棱镜扫描角降低子光路数量，即降低了打孔道数，这不利于提高单位时间打孔效率；一种方案是提高激光器出光功率，在超高速多道打孔时，对变异系数特别是单道低透气度等的改善有限，但激光能量利用率会降低；一种方案是减少单位长度上的孔数，虽然减少孔数一定程度上有助于改善以上问题，但为保证透气度相应的孔型会偏大，在使用时会降低水松纸韧性，在多道实现高透气度时，透气度上限会随之降低，从而影响了高低透气度包容性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双激光器水松纸打孔光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种双激光器水松纸打孔光学系统，包括2组光路系统，该2组光路系统共用1片多面棱镜；每组光路系统包括CO2激光器、第一金属平面反射镜、第二金属平面反射镜、扩束负焦镜、扩束正焦镜、长焦聚焦镜构成1套主光路，以及包括长焦准直镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、短焦聚焦镜组构成n套子光路；另外还包括水松纸；
所述主光路的CO2激光器水平方向依次设置第一金属平面反射镜、第二金属平面反射镜；
所述主光路的第二金属平面反射镜斜下方依次设置扩束负焦镜、扩束正焦镜、长焦聚焦镜以及多面棱镜；
所述多面棱镜斜上方依次设置子光路的长焦准直镜、第一平面反射镜；
所述子光路的第一平面反射镜水平方向设置第二平面反射镜；
所述子光路的第二平面反射镜下方设置短焦聚焦镜组、水松纸。
优选的，所述主光路的第一金属平面反射镜、第二金属平面反射镜内部设置有水冷通道，光束偏转角在30°-150°之间；
所述主光路的扩束负焦镜、扩束正焦镜、长焦聚焦镜中心轴同轴，镜片材料均为硒化锌或锗；
所述主光路的扩束负焦镜、扩束正焦镜各包含至少1片镜片，扩束倍数在1-8倍范围内；
所述主光路的长焦聚焦镜为长焦单镜片，焦距在200mm-500mm之间，硒化锌或锗材料，镜片类型包含平凸型、双凸型以及正弯月型；
所述多面棱镜具有10-100个反射分光镜面，为柱面型多面棱镜，材料为铝合金；
所述子光路的长焦准直镜为长焦单镜片，焦距在200mm-500mm之间，硒化锌或锗材料，镜片类型包含平凸型、双凸型以及正弯月型；
所述主光路的长焦聚焦镜与子光路的长焦准直镜中心光轴交于多面棱镜分光镜面表面；
所述主光路的长焦聚焦镜焦距小于等于子光路的长焦准直镜焦距；
所述子光路的第一平面反射镜、第二平面反射镜规格相同，基准光束偏转角均为90°，材料包括Si、SiC、铜、铝合金；
所述子光路的短焦聚焦镜组为双片式消像差镜组，硒化锌或锗材料，焦距在30mm-100mm范围之间。
优选的，所述2组光路系统主光路的CO2激光器、第一金属平面反射镜、第二金属平面反射镜、扩束负焦镜、扩束正焦镜、长焦聚焦镜两两之间的光程一一对应相同，且该2套主光路相对于多面棱镜中心轴竖直对称面对称；
所述2组光路系统的n套子光路，满足n≥2，所有子光路的长焦准直镜与第一平面反射镜之间光程相同，且从中心到边缘一一相对于多面棱镜中心轴竖直对称面对称，多面棱镜与所有子光路的长焦准直镜光程相同，相邻长焦准直镜之间的中心轴夹角相同，且均在2°-5°之间；
所述2组光路系统的所有子光路第一平面反射镜与第二平面反射镜中心连线，垂直于对应子光路的长焦准直镜中心轴，而短焦聚焦镜组中心轴则平行于对应子光路的长焦准直镜中心轴；
所述2组光路系统的所有子光路短焦聚焦镜组中心轴垂直于水松纸表面，且焦点落在水松纸表面上。
优选的，所述2组光路系统主光路第一金属平面反射镜、第二金属平面反射镜具备角度调节功能，长焦聚焦镜可沿镜片中心轴方向移动；
所述多面棱镜具备角度调节功能与三维坐标轴调节功能，单个分光镜面反射扫描角大于每组光路系统的n套子光路最大夹角并完全覆盖n套子光路；
所述2组光路系统子光路第一平面反射镜、第二平面反射镜具备角度调节功能；
所述2组光路系统子光路第二平面反射镜、短焦聚焦镜组具备沿第一平面反射镜、第二平面反射镜中心光轴方向移动功能，且短焦聚焦镜组可沿镜片中心轴方向移动。
优选的，其使用方法包括以下步骤：
A、2组光路系统主光路的CO2激光器出射带有mrad级别发散角的激光光束，通过第一金属平面反射镜、第二金属平面反射镜连续反射，反射光束入射到扩束负焦镜、扩束正焦镜形成的扩束镜系统上进行一次扩束；
B、扩束光束再经过长焦聚焦镜聚焦，使得聚焦光束焦点附近光束段落到多面棱镜分光镜面上，在多面棱镜高速旋转时，分光镜面对入射光进行反射并实现光束扫描，扫描光束逐次经过每组光路系统的n套子光路；
C、在此过程中，扫描光束每经过套子光路时，依次由对应子光路的长焦准直镜进行二次扩束获得近平行扫描光束，近平行扫描光束再由第一平面反射镜、第二平面反射镜反射，反射扫描光束最终经过短焦聚焦镜组聚焦，聚焦焦点光斑落在水松纸表面实现打孔，与此同时水松纸在高速移动中，从而实现对应单道密集打孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种双激光器水松纸打孔光学系统，基于CO2激光器光束质量特性，基于多面棱镜高速转动及分光特性，基于水松纸对CO2激光束的吸收特性，基于超高速激光扫描打孔光学特性，通过双激光器共同出光打孔，在超高速走纸下有助于改善打孔毛刺，降低变异系数，拓宽透气度上下限，并有效提高宽幅面水松纸多道打孔效率。
2、本发明提供的双激光器，相对于功率之和的单高功率激光器而言，能量分布模式与光束质量上能够做到更好，可以更好的适用于超高速水松纸激光打孔，实现1+1>2的质变，从而改善打孔毛刺、降低变异系数等。
3、本发明提供的光学系统，经过2次扩束，在良好的镜片参数配合以及光学像差优化下，可以获得更小的聚焦光斑尺寸，从而可保证获得更小的打孔尺寸，单道打孔可有效拓宽透气度下限，并改善打孔毛刺，保证孔型一致性，降低变异系数。
4、本发明提供的光学系统，为了匹配超高速走纸打孔，意味着焦点光斑需要随走纸进行摆动，可以通过调整长焦聚焦镜聚焦焦点相对于高速多面棱镜面的离焦量来实现，另外多面棱镜之前的长焦聚焦镜焦距较长，相对于该位置短焦聚焦镜相同的离焦量下光斑尺寸更小，有助于降低多面棱镜尺寸，从而降低对气浮轴承的要求，确保光路稳定性。
5、本发明提供的双主光路系统，共用一个多面棱镜，大幅降低多面棱镜与气浮轴承成本，并降低设备难度，2n个子光路，在保证打孔质量的同时，可实现更多道同步打孔，提高打孔效率，同时由于可以用多道孔密集排布实现高透气度，可一定程度上提高高透气度的上限。
6、本发明提供的光学系统，在同等走纸速度和单位长度打孔孔数下，相对于同样打孔道数的单激光打孔机而言，多面棱镜面数增多，虽然单镜面扫描时间相同，但由于子光路数量的减少从本质上大幅提高了单道打孔时间，尤其有利于对厚度偏厚的水松纸进行打孔，同时也可改善打孔毛刺，保证孔型一致性，降低变异系数。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的双激光器水松纸打孔光学系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参考图1，本发明提供了一种双激光器水松纸打孔光学系统：包括2组光路系统，该2组光路系统共用1片多面棱镜7；每组光路系统包括CO2激光器1、第一金属平面反射镜2、第二金属平面反射镜3、扩束负焦镜4、扩束正焦镜5、长焦聚焦镜6构成1套主光路，以及包括长焦准直镜8、第一平面反射镜9、第二平面反射镜10、短焦聚焦镜组11构成n套子光路；另外还包括水松纸12；
所述主光路的CO2激光器1水平方向依次设置第一金属平面反射镜2、第二金属平面反射镜3；
所述主光路的第二金属平面反射镜3斜下方依次设置扩束负焦镜4、扩束正焦镜5、长焦聚焦镜6以及多面棱镜7；
所述多面棱镜7斜上方依次设置子光路的长焦准直镜8、第一平面反射镜9；
所述子光路的第一平面反射镜9水平方向设置第二平面反射镜10；
所述子光路的第二平面反射镜10下方设置短焦聚焦镜组11、水松纸12。
本发明中，所述主光路的第一金属平面反射镜2、第二金属平面反射镜3内部设置有水冷通道，光束偏转角在30°-150°之间；
所述主光路的扩束负焦镜4、扩束正焦镜5、长焦聚焦镜6中心轴同轴，镜片材料均为硒化锌或锗；
所述主光路的扩束负焦镜4、扩束正焦镜5各包含至少1片镜片，扩束倍数在1-8倍范围内；
所述主光路的长焦聚焦镜6为长焦单镜片，焦距在200mm-500mm之间，硒化锌或锗材料，镜片类型包含平凸型、双凸型以及正弯月型；
所述多面棱镜7具有10-100个反射分光镜面，为柱面型多面棱镜，材料为铝合金；
所述子光路的长焦准直镜8为长焦单镜片，焦距在200mm-500mm之间，硒化锌或锗材料，镜片类型包含平凸型、双凸型以及正弯月型；
所述主光路的长焦聚焦镜6与子光路的长焦准直镜8中心光轴交于多面棱镜7分光镜面表面；
所述主光路的长焦聚焦镜6焦距小于等于子光路的长焦准直镜8焦距；
所述子光路的第一平面反射镜9、第二平面反射镜10规格相同，基准光束偏转角均为90°，材料包括Si、SiC、铜、铝合金；
所述子光路的短焦聚焦镜组11为双片式消像差镜组，硒化锌或锗材料，焦距在30mm-100mm范围之间。
本光路中，所述2组光路系统主光路的CO2激光器1、第一金属平面反射镜2、第二金属平面反射镜3、扩束负焦镜4、扩束正焦镜5、长焦聚焦镜6两两之间的光程一一对应相同，且该2套主光路相对于多面棱镜7中心轴竖直对称面对称；
所述2组光路系统的n套子光路，满足n≥2，所有子光路的长焦准直镜8与第一平面反射镜9之间光程相同，且从中心到边缘一一相对于多面棱镜7中心轴竖直对称面对称，多面棱镜7与所有子光路的长焦准直镜8光程相同，相邻长焦准直镜8之间的中心轴夹角相同，且均在2°-5°之间；
所述2组光路系统的所有子光路第一平面反射镜9与第二平面反射镜10中心连线，垂直于对应子光路的长焦准直镜8中心轴，而短焦聚焦镜组11中心轴则平行于对应子光路的长焦准直镜8中心轴；
所述2组光路系统的所有子光路短焦聚焦镜组11中心轴垂直于水松纸12表面，且焦点落在水松纸12表面上。
本发明中，所述2组光路系统主光路第一金属平面反射镜2、第二金属平面反射镜3具备角度调节功能，长焦聚焦镜6可沿镜片中心轴方向移动；
所述多面棱镜7具备角度调节功能与三维坐标轴调节功能，单个分光镜面反射扫描角大于每组光路系统的n套子光路最大夹角并完全覆盖n套子光路；
所述2组光路系统子光路第一平面反射镜9、第二平面反射镜10具备角度调节功能；
所述2组光路系统子光路第二平面反射镜10、短焦聚焦镜组11具备沿第一平面反射镜9、第二平面反射镜10中心光轴方向移动功能，且短焦聚焦镜组11可沿镜片中心轴方向移动。
工作原理：本发明的使用方法包括以下步骤：
A、2组光路系统主光路的CO2激光器1出射带有mrad级别发散角的激光光束，通过第一金属平面反射镜2、第二金属平面反射镜3连续反射，反射光束入射到扩束负焦镜4、扩束正焦镜5形成的扩束镜系统上进行一次扩束；
B、扩束光束再经过长焦聚焦镜6聚焦，使得聚焦光束焦点附近光束段落到多面棱镜7分光镜面上，在多面棱镜7高速旋转时，分光镜面对入射光进行反射并实现光束扫描，扫描光束逐次经过每组光路系统的n套子光路；
C、在此过程中，扫描光束每经过1套子光路时，依次由对应子光路的长焦准直镜8进行二次扩束获得近平行扫描光束，近平行扫描光束再由第一平面反射镜9、第二平面反射镜10反射，反射扫描光束最终经过短焦聚焦镜组11聚焦，聚焦焦点光斑落在水松纸12表面实现打孔，与此同时水松纸12在高速移动中，从而实现对应单道密集打孔。
在实际打孔过程中，通过走纸速度、单位长度上打孔个数来调整多面棱镜7的转动频率，与之相匹配的，根据打孔需要，通过适当调整长焦聚焦镜6实现多面棱镜7分光镜面上的不同离焦量调节，最后调节短焦聚焦镜组11实现焦点位置调节，此时短焦聚焦镜组11聚焦光束实际是在扫描运动，从而可以满足圆形打孔、椭圆形打孔甚至条形打孔。
除此，沿光轴方向整体调节各套子光路的第二平面反射镜10、短焦聚焦镜组11，还可以实现多道同时打孔，对于不需要出光打孔的子光路，可以在该子光路模块额外设计挡光结构进行挡光。
另外，由于实际机加误差、安装误差等的存在，本光路系统可通过矫正第一金属平面反射镜2、第二金属平面反射镜3、多面棱镜7、第一平面反射镜9、第二平面反射镜10的相关调节机构对光路进行调整，以确保获得更好的打孔效果。
综上所述，本发明结构设计新颖，基于CO2激光器光束质量特性，基于多面棱镜高速转动及分光特性，基于水松纸对CO2激光束的吸收特性，基于超高速激光扫描打孔光学特性，通过双激光器共同出光打孔，在超高速走纸下有助于改善打孔毛刺，降低变异系数，拓宽透气度上下限，并有效提高宽幅面水松纸多道打孔效率。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
