CN1224644A - 用脉冲宽度很短和平均功率高的激光使金属去除氧化皮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用激光辐射通过蒸发使氧化物层(氧化皮)从热轧或退火的钢带(40)上去除的方法和装置,该钢带是以重力垂直方向,以至少10m/分的速度移动的。

Description

用脉冲宽度很短和平均功率 高的激光使金属去除氧化皮
本发明涉及用电磁辐射从金属上去除氧化物的方法和装置。本发明主要包括用脉冲激光器产生脉冲宽度很短、脉冲重复频率高且平均功率高的电磁辐射，通过用各种脉冲使氧化物的分子层蒸发而使金属去除氧化皮。
在冶金工业中环境问题集中的工序之一是金属，如钢的湿酸洗，此酸洗为的是去除于热加工期间，如锻造，在带钢轧机上热轧制或退火期间形成的氧化物或氧化铁皮。这种去除此类氧化铁皮的技术自本世化始几乎未变。大部分低碳钢和电工钢带以约250m/分的走带速度浸在盐酸中酸洗。不锈钢较牢地附着有氧化铁皮，因而在酸洗前会需要喷丸或辊压以将此氧化皮弄松或使之裂开。此外，不锈钢的酸洗需用强酸如氢氟酸、硫酸或硝酸，而且需要较长的浸没时间从而使带材的处理线速度为约30-100m/分。改进或消除这种去除氧化皮方法的主要动机在于资金和处理与酸洗有关的酸的环境处理费用。每年一条生产线仅用于处理有害的酸的费用就高达8百万美元之多。化学去除氧化铁皮方法的主要缺点是与处理用于酸洗的化学品相关的环境问题。
用激光从钢上去除或加速去除氧化皮是已知的。比如，US.4,063,063涉及一种用强度足够的CO2激光束照射金属表面从而使氧化物膜快速而强有力地加热以使金属产品去氧化皮的工艺。该专利中提到的激光的光束功率最高为10KW。但是，出现了后续的工作，即该工艺不可能以可与酸洗所达到的线速度相似的线速度用脉冲波或连续波CO2激光完全去除氧化物皮。只有数目大得不合理的和昂贵的激光器才能达到相似的去除氧化皮速度。
日本专利申请2-197588涉及从钢上去除氧化皮或锈蚀的方法。用电磁波谱的UV波长区中的激光束，如波长100-400nm的激发物激光束照射该钢上的氧化皮或锈蚀，脉冲持续时间≤200毫微秒。以使氧化皮或锈蚀产生细的裂纹。由于激发物激光的功率限于约300瓦，而且脉冲重复频率小于1KHZ，所以它也需要数目大得不合理的昂贵的激光器，以实用的线速度去除氧化皮。
CO2、Nd:YAG，及激发物激光器代表了跨越从远红外的(CO2,10.6微米)到近红外的(Nd:YAG,1.064微米)至紫外的激发物(XeCl,308微米，KrF,248微米及ArF。193微米)的波长区的最普通的高平均功率的工业激光器。为获得高的去氧化皮速度，需要使用高功率激光器。大多数高平均功率，如大于1KW的市售激光器以连续波(CW)的模式运行。连续波(CW)运行由于被去除的元素组分所产生的等离子流吸收入射的激光束，所以对于去除氧化皮是有问题的。这是由与CW激光处理相关的相当长的停滞时间而引起的。这已被Schluter等人以题为Descaling of Austenitic Steels by LaserRadiation(Proc,ICALE094,Orlando.Fla.,Oct17-20,1994)文章公开的工作所证实。同一篇文章提供的数据表明，即使脉冲的CO2激光也不足以去除氧化物，因为脉冲持续时间长得足以使入射的激光束与所产生的等离子流相互作用，从而一些进入的激光能量被这类等离子流吸收，因而不再去除另外的氧化物。最终结果是去除氧化皮的速度低。Wehner等人在题为Ablation of Oxide Layers onMetallic Surfaces by Excimer Laser Radiation(Proc.ECLAT90.V2,PP.917)的一文中公开了从激发物激光器发出的短脉冲，如10-250毫微秒的脉冲对去除氧化层更有效，但这些激光仅在低的平均功率，如小于250W和低的重复频率，即小于1KHZ时才能得到。申请人基于克服氧化物层的蒸发热的简单的“球场”估算表明：为从以31m/分移动的1m宽的铝表面一侧去除5微米厚的铝的氧化物需要100kw的平均激光功率。虽然可以Trans Tec/Convergent Energy购得45kw的CO2激光器，但它以CW模式运行。因此，即使用二个这种45kw的激光器来覆盖1m宽的铝表面，因为与CW相关的等离子流的吸收问题或刚才提到的长脉冲宽度激光器，也达不到合乎要求的去氧化皮速度。为从短脉冲宽度的激发物激光器得到这种功率，只有在使用大量的，如400个激光器，每个只处理要处理的材料的整个宽度的一小部分时才是可能的。因此常规的工业激光器不适于经济地去除钢的氧化物层。
这些现有技术激光去氧化皮工艺的主要缺点在于不能从高速运行钢带上完全去除氧化皮。换句话说，用这种类型的去除氧化皮的常规激光技术完全去除氧化皮所需的慢的带速未被证明在经济上是合算的。
因此仍有对不需使用产生环境处理问题的酸的去除金属氧化物工艺的需求。仍需要这样的去氧化皮的工艺：其中高速运行的被氧化的金属带不必进行喷丸预处理来使氧化皮松动以便保证全部去除。需要能经济地去除氧化皮层的激光工艺。为形成这种激光，则必须有大的平均功率，以使其可不需使用加速从金属带上去除金属氧化物的酸和/或喷丸以与常规酸洗所达到的线速度相似的线速度去除此氧化物。对此激光的其它要求是有效地去除金属氧化物，结果是只需最小数量的激光辐射量。为达到这一目的，该激光必须有很短的脉冲宽度、有高的脉冲重复频率、和具有可被选来达到最高去除氧化皮速度的波长。其它的要求是使该激光器的资金和运行费用合理，从而使该工艺在经济上合算。
本发明的主要目的在于提供一种用激光辐射，以每单位体积被去除的氧化物(氧化皮)的最小能量输入去除金属表面氧化物的方法和装置。
本发明的另一目的在于提供一种能从金属上将氧化物膜完全去除的去氧化皮的方法和装置。
本发明的又一目的在于提供一种能从高速率(如大于30m/分)运行的金属带上将氧化物膜完全去除的去氧化皮的方法和装置。
本发明的再一目的包括提供这样的去氧化皮的方法和装置：它们消除了对化学品的需求、消除了对化学品处理的需求、消除了对氧化物膜喷丸的需要和消除了对大而昂贵的湿酸洗线的需要。
本发明涉及用激光辐照从金属上去除氧化皮的方法和装置。该方法包括利用脉冲宽度很短、脉冲重复频率率很高及平均功率很高的电磁辐射，使该激光辐射经过至少一个光学元件而将此辐射聚成入射光束，它在与金属表面接触点上的表面功率密度至少为约5MW/cm2。聚焦后的辐射光束在横向上从覆盖该金属表面的氧化物的一端完全延伸至另一端，以使通过一或多个激光脉冲使此氧化物蒸发而将其去除，由此形成无氧化物的表面。
本发明的另一特点在于：上述的激光辐射的辐射光子波长在紫外线的范围内。
本发明的另一特点在于：上述的光学元件是透镜、反射镜或其组合。
本发明的另一特点在于：上述的光学元件是排成一列的元件组合。
本发明的另一特点在于：上述的光学元件包括将辐射光束分成多个聚焦的副光束的装置，每个副光束的功率小于自此激光器发出的原光束的功率。
本发明的另一特点在于：上述元件包括使每个副光束均匀化的装置，以使提供横越聚焦光束有相当均匀的立体功率分布。
本发明的另一特点在于：上述的均匀化装置包括步长指数光纤及使该辐射光束聚成光纤一端的透镜。
本发明的另一特点在于：上述的均匀化装置包括在顶点有明确的半径的线性散射透镜。
本发明的另一特点在于：上述的副光束被聚焦成至少一条从金属表面的整个宽度的一端横向延伸至另一端的线，或被聚焦成从该金属表面的整个宽度的一端横向延伸至其另一端的点。
本发明的另一特点在于：上述的副光束以10-75°的锐角与金属表面接触。
本发明的另一一特点在于：它还包括将蒸发的氧化物收集为粉末的辅助步骤。
本发明的另一特点在于：包括用非氧化气体保护金属表面接触点及无氧化物表面的辅助步骤。
本发明另一特点在于：上述的激光脉冲宽度小于100微微秒。
本发明另一特点在于：上述激光脉冲重复频率至少为1KHZ。
本发明另一特点在于：上述激光平均功率为至少为1KW。
本发明另一特点在于：上述的金属是被热轧或经退火的带材，它以与激光束脉冲重复频率一致的速度运行。
本发明的另一特点在于：上述金属是以至少1m/分的速度运行的带材。
该设备包括：能产生非常短的脉冲宽度，非常高的脉冲重复频率和表面功率的光束密度至少约5MW/cm2的电磁辐射的激光器、至少一个将辐射光聚成入射光束的光学元件，和一个处理覆盖移动的金属带的氧化物的密封的反应室，该室含有去除氧化物碎屑和保护已清洁的带材表面的非氧化气体。该室还包括接收氧化物覆盖的带材的开缝入口和通过清洁后的带材的开缝出口、至少一个接收辐射光束进入此室的拉长的窗口及从此室中去除已蒸发氧化物的装置。
本发明的另一特点在于；上述的激光辐射光子的波长在紫外线范围内。
本发明另一特点在于：上述的室包括将承载被蒸发的氧化物碎屑的非氧化气体从此室排出的废气管道，将碎屑作为粉末从此气体中去除的过滤器及使清洁的气体返回该室的返回管道。
本发明的另一特点在于：上述的室包括使清洁的气体经此返回管返回的鼓风机。
本发明的另一特点在于：上述的室包括将气体导入此室的喷咀。
本发明的另一特点在于：上述的光学元件包括至少一个透镜、反射镜或其组合。
本发明的另一特点在于：上述的光学元件为多个排成一列的元件。
本发明的另一特点在于：上述的光学元件包括将辐射光束分成多个经聚焦的副光束的装置及包含相当数量的窗口的室，每个窗口是用于接收辐射副光束的。
本发明的另一特点在于：上述光学元件包括使辐射均匀化，以提供自聚焦的光束一端至另一端相当均匀的主体功率分布的装置。
本发明的另一特点在于：上述光学元件包括在顶部具有小半径的线性分光镜的均匀化装置。
本发明另一特点在于：上述光学元件包括具有透镜和步长指数光纤的均匀化装置，该透镜是用来将辐射光束聚到光纤的一端。
本发明另一特点在于：上述辐射光束被聚成一线。
本发明的主要优点包括：取消了用来从金属上去除氧化皮的湿酸洗。本发明另一优点是提供了使氧化物蒸发，从而使该氧化物的碎屑便于收集处理的去氧化皮工艺。其它的优点包括比其它已知的激光去除工艺更快的激光去除氧化皮的工艺，这是因为高的平均激光功率、高的脉冲重复频率、很短的脉冲宽度与选择最佳激光波长的能力的组合所致。所有的这些激光性能都可从高平均功率自由电子激光器获得。
在考虑详细的陈述和附图的基础上将会了解本发明的上述和另外的目的、特性和优点。
图1是提供本发明用于去除金属带氧化皮的聚焦线的光学系统的透视图；
图2是本发明通用光束均匀化器的示意图；
图3是用于图2的光束均匀化器的步长指数光纤的示意图；
图4A是本发明用于将辐射光聚成具有均匀强度的线光学系统的示意图；
图4B显示了图4A的辐射光沿投射线的强度分布的代表性曲线；
图5是说明去除金属带氧化皮的激光系统的本发明的另一实施方案的透视图；
图6是本发明的蒸发去除氧化皮室的详细的透视图；
图7是说明被蒸发的氧化皮碎屑被隋性气体扫掉的图6的光束反应区周围区域细节的透视图；
图8是图6的反应区的侧视图；
图9是本发明另一实施方案的透视图，它说明用于将辐射光聚成一线以使将金属带的氧化皮去除的本发明的镜光学系统。
图10A是本发明的激光去除氧化皮光学系统的另一实施方案的透视图，它说明将激光辐射聚为一点以将氧化皮从金属带上去除的反射平面场透镜光栅扫描系统；
图10B是本发明另一激光去除氧化皮光学系统的实施方案的透视图，它说明焦阑反射镜光栅扫描系统，该系统用于将激光辐射聚成一点以从金属带上去除氧化皮，
图10C详细说明图10B入射聚焦的椭园形斑点。
本发明方法涉及用激光将氧化物。如氧化皮从金属上，如带钢上去除。该方法包括利用脉冲波长很短、脉冲重复频率很高而且平均功率很高的电磁辐射，以使辐射光束通过一系列排成一行的光学元件，如园柱形透镜，反射镜或其组合，以使将光束聚成横向上完全跨越运行的钢带投射光点。换言之，可首先使辐射光通过一均匀化装置，以形成强度均匀的辐射光束。然后，可使此均匀化的光束经排成一列的光学元件以使将光束聚成一条在横向上完全跨越运行的金属带投射的直线。该激光辐射与覆盖带材表面的氧化物相接触的入射点的表面功率密度为至少5MW/cm2。根据该激光束的平均功率，可将其分成一系列功率较低的副光束，其每一个均被聚成线或点，而其长度/直径都小于该带材的整个宽度。但是，还会有足够数量的光束分散器和园柱形的聚光元件或点扫描光学元件，以便使全部带材宽度被一系列横向相接的聚焦的副光束覆盖，以使沿此带材宽度横截面上的覆盖表面的氧化物在每次辐射脉冲期间通过将氧化物的分子层蒸发而完全将氧化皮去除。辐射光束被分成副光束的每一分量按与副光束数目成反比的关系降低原主光束的功率。
密封装置去除被蒸发的碎屑，以使颗粒不再重回到清洁的表面上。该装置含有非氧化性保护气体，如氦或氩，它们吹过整个聚焦光束反应区或光束接触表面，结果将被蒸发的金属氧化物颗粒带走。还有来自去氧化皮室的真空废气管，它将载带被蒸发碎屑的惰性气体经过滤器抽走，该碎屑作为粉末在过滤器处沉积以便最后去除。然后惰性气体可回流到室中。聚焦的激光束的入射角最好不垂直地冲击带材表面，但可以锐角冲击以减少与蒸发的碎屑产生的光束流间的相互反应及该光束对入射的激光辐射的可能的吸收。
通过在同一聚焦光束部位供给很多激光辐射脉冲就达到了全深度的去除氧化物。每个脉冲将分子氧化物层蒸发，直至达到基体金属层为止。这是由在每个部位上光束的停留时间所控制的，而此时间则由脉冲重复频率和带材表面通过聚焦的激光光束的移动线速度决定。被去除的氧化物的深度也可通过调节总的激光平均功率来控制，这种调节是用可变的衰减器进行，而对于固定的脉冲重复频率而言，则是通过调节输于每个脉冲中的能量来进行这种控制。
本发明的激光有独特的性能，它能以经济上有吸引力的速度，用最小数量激光器去除金属氧化物(氧化皮)。该激光器产生的电磁辐射的脉冲宽度非常短，如小于1毫微秒、脉冲重复频率非常高，如大于每秒一百万个脉冲，而且平均功率很高，如1-1000kw的平均功率。这种类型的激光器的例子是自由电子激光器(FEL)。自由电子激光器的其它的优点是：它能在近紫外线、可见光和光谱的IR的部分的宽波长范围内开始运行。由于据信较短的波长，如光谱的UV部分中的波长能较有效地被氧化皮层吸收，因而产生较高的去氧化皮的速度，所以运用本发明的自由电子激光器以使辐射的光子波长在紫外线的范围内。但是还据信：该激光器可以电磁光谱的可见光、近IR、中IR区中的波长运引，并获得有效的氧化皮去除。
自由电子激光器要求开动电子束加速器。一束电子被射入此加速器。被接受的方法是将用低平均功率激光器，如公开于Benson等人的题为：Development of an Accelerafor Rtady Photo Cathode Drive Laser at CEBAF(ProcessParticle Accelerator Conference,1995,Dallas,Texas，引入本文供参考)中的激光器来轰击靶材并由此释放电子。这种光子阴极法产生随后被各种超导RF组件加速的速度非常接近光速的电子束。这些相对论性能量的电子束经由方向交替的固定磁场构成的“摆动者(Wiggler)”区移动，每一磁场都产生垂直于电子束运动方向的罗仑兹(Lorentz)力。在该“摆动者”区中遇到的下一个磁场提供一个与前者方向相反的磁场，从而该电子束受到一个与移动方向垂直，但与刚才遇到的那一个磁场方向为180°的罗仑兹力。因此该电子束的轨迹是沿其经过该“摆动者”区移动的初始方向前后“摆动的”。由于电子是带电颗粒，所以当电子束经过该“摆动者”区时受到的横向加速就引起了电磁辐射的发射。这种辐射被一面在电子束运行方向适当放置的镜子放大。这种辐射导致由横向加速的白由移动的电子束所产生的有效激光束。对于有吸引力的工业装置而言，它必须能连续产生这些电子束，以使此激光可达到高的平均功率。每个通过该“摆动者”磁场的电子束都产生一个激光辐射脉冲。该电子束中的电子越多，则每个被发射出来的激光脉冲的能量越高，该脉冲重复频率也越高，因而平均激光功率也越高。因此，达到高平均功率的激光的关键是高平均电子束流。这意思是：该激光器的光电阴极应以尽可能高的脉冲重复频率在每个电子束中产生尽可能多的电子。如果这是在连续的基础上达到的，那么将会产生有高的脉冲重复频率的高的平均功率的激光。虽然全世界已建造了大量的自由电子激光器，但未产生高的平均功率或能够连续地长期运行。连续运行的100KW平均FEL将使激光去氧化皮以经济上有吸引力的速度完成。
通过用每个脉冲使氧化物的分子层蒸发而去除氧化皮层。通过蒸发指的是：激光脉冲提供足够的能量将该氧化物的温度升至蒸发温度，同时克服熔化热，然后克服该氧化物的蒸发热。进一步理解的是：蒸发去除氧化皮还包括用爆炸性的冲击波去除氧化物，结合氧的气态释放吹扫无氧化物层的金属基体或得益于这种类型的激光器所产生的非常短的脉冲和高的峰值功率的任何其它机理。每个脉冲的非常短的脉冲宽度和高的峰值功率的潜在的优点是：冲击波的机理或某些其它的机理，如氧化物中结合氧的气态释放，可仅通过简单的热力条件达到比先前高的去氧化皮速度。
本发明所用的类型的FEL激光器是在Thomas Jefferson Notional AcceleratorFacility(the Jefferson LAB)建造的。此激光器被述于Department of Energy Review报告中，其题目为Free Electron Laser for Indnstry(Volume I,May,1995，引入本文供参考)。该Jefferson LAB位于Newport News,Virginia并由Southeastern UniversitiesResearch Association(SURA)为DOE工作。不象其它的FEL，该激光器的两个关键特性是连续运行及高的平均功率。这些特性主要是将这类激光用于任何连续的高速工业过程，如激光去氧化皮。
对于本发明，可理解的是，非常短的脉冲宽度指的是时间延续小于1毫微秒，较好是脉冲宽度小于100微微秒，更好是小于10微微秒而最好是小于6微微秒。短到1毫微微秒也是可能的。这种非常短的脉冲宽度是产生有效的氧化皮去除的关键特性。用激光辐射蒸发任何物料的能力取决于输入足够高的表面积功率密度，即大于5百万瓦/cm2(5MW/cm2)的功率密度。每单位脉冲的功率是将脉冲能量除以脉冲宽度而算出的。单位脉冲的表面积能量密度用聚焦激光点的面积除脉冲功率的商确定。因此脉冲宽度越小则达到引起蒸发所需充分的表面功率密度越低。当然，每个脉冲蒸发的物料量由每个激光脉冲中的总能量确定。比如，如果在从以每秒3千万脉冲(30MHZ)的重复频率运行1KWFEL激光器发出的单脉冲中的能量仅为33.3毫焦耳，那么它将用10万个脉冲来去除覆盖2cm2表面积的厚5微米的氧化铁层。但是，因为脉冲重复频率是如此之高，所以这2cm2的面积在1/30秒后被去氧化皮至5微米的深度。当此激光平均功率变大时，每个脉冲中将有更多的能量，从而每个脉冲可蒸发更大体积的氧化物，由此提高总的去氧化皮速度。若将激光平均功率提高到100kw，则它将可能于1/30秒内将200cm2的面积同样去氧化皮至5微米的深度。
由此非常短的脉冲宽度体现的另一关键益处是在有充分的时间产生将大部分吸收入射的激光脉冲的等离子流之前，用来自该脉冲的能量能有效地去除氧化物层，由此降低可从该表面去除氧化皮的重复频率。该分子氧化物层以微微秒的时间范围被去除，然后在下一个激光脉冲到达之前被隋性气体扫去，以使去除下一个分子氧化物层。由于激光束与等离子体相互作用，这可使完全平均激光功率用于氧化物去除而无任何能量损失。这是优于连续波(CW)激光运行的关键。该脉冲宽度在1毫微微秒-100微微秒的范围内。
就本发明而言，将被理解的是，非常高的脉冲重复频率指的是至少1KHZ，而约1MHZ(每秒一百万脉冲)是合乎要求的。因为每个脉冲的能量受经过自由电子激光器的“摆动者”区的每束电子数的限制，所以推荐大于10MHZ的脉冲频率。较好的脉冲重复频率为至少30MHZ，更好是至少40MHZ，也可能采用最高1GHZ(每秒10亿脉冲)的频率。激光束中的高平均功率是合乎需要的，这是因为它确定去氧化皮速度。计算表明：以经济的速度去氧化皮需要约100KW的激光束功率。因此，该脉冲重复频率与每个脉冲的能量之积等于该激光束的平均功率。比如，若每个脉冲的能量为3.33毫焦耳(0.00333焦耳)，则脉冲重复频率应为30MHZ，从而总的光束功率为100KW。若通过将大量电子射入在电子加速器中循环的各电子束中可将每脉冲的能量提高到3.33焦耳，则脉冲重现频率可降到30KHZ，而仍能得到100KW的总平均光束功率。
就本发明而言，将被理解的是，高功率指的是至少1KW的平均功率。该功率大于1KW为好、至少10kw较好、至少100kw最好。100kw的功率使激光去除氧化物层为经济上有吸引力的工艺是合乎要求的。虽然较低的平均激光功率也去除氧化物层，但导致慢的去除速度，结果需要大量的激光器来获得高的去除速度。
就本发明而言，将可理解的是，所述的金属是指在热加工过程，如热锻、热轧、退火等过程中可被氧化的任何金属。这类金属可包括铁基材料，如低、中、高碳钢，镍合金钢、铬合金钢、不锈钢、电工钢及非铁金属，如镍、铝、铜、钛和它们的合金。该金属可被铸造，或处于诸如连轧带、板、箔、棒、方坯、扁坯、铸品等之类的加工状态中。对于铁类金属而言，该金属氧化物或氧化皮将主要是铁的氧化物。
参见图1，标号20指代入射到一个或多个光学元件，如第一散射球状透镜22上的电磁脉冲辐射。虽然脉冲辐射20以正方形截面表示，但可理解的是，这种未聚焦的原光束可有其它形状的截面，如矩形、园形、椭园形等截面。如将于下面更深入地讨论，辐射光束20在其整个空间范围内有均匀的强度分布是重要的。然后散射的电磁辐射光束24经过在垂直X方向上将光束24校成校准过的光束28的第一园柱形透镜26。然后在垂直方向上被校的光束28经过以横的Y轴方向50将光束校成光束32的第二园柱形透镜30。现在光束32已被透镜22、26和30组合成的合成校准器在水平和垂直方向上均被校准。通过明智地选择这三个透镜的焦距及它们之间的间隔，就能单独地调整离开元件30的光束32的水平尺寸和水平校准程度和垂直尺寸和垂直校准程度。光束32然后经将其按直线38聚成入射光束36的第三园柱形透镜34。直线38是在横向上被投射而完全跨越覆盖以箭头42所示方向运行的金属带40的表面44的污物和氧化物的。入射光束36清理带材的表面44，从而形成无氧化物的表面46。横向聚焦线38的长度可为被排成一列的光学元件30和34的实际的横向长度和所选的排成一列的光学元件22、26和30的焦距及其间的间隔所限的任何所需的值。带材40以重力垂直方向运行为好。
图1显示仅从带材40的一侧去除氧化皮。通常在金属带材的另侧也有氧化皮，所以两侧均需清理。将被说明的是，该带材的一侧可用如图1所示的激光光学系统清理，该带材可卷成卷，然后可使此带卷再经过此清理系统以便清理其另一侧。换言之，可放置两台如图1所示的激光光学系统，同时用一台系统将辐射投在该带材的一个表面上，而用另一系统将辐射投在带材的另一表面，来清理带材的两侧。
本发明另一个重要特性是聚焦的激光线的长度横过其长度有均匀的强度分布。这将确保沿此聚焦线的长度将全部厚度的氧化物均匀地除去。有许多可用来达到这种均匀去除的方法，这取决于采用何种类形的光学系统。在图2中示出了一个通用的光束均匀器。全功率激光光束56可具有Gaussian分布58(TEM00)、环形模式(TEM01)或更高数量级模式的立体功率分布。光束均匀器60的功能是将光束56转变成横过其整个空间范围内有均匀能量分布的光束62。这是一种正方形或帽顶形的分布64。达到此种分布的一种方法是将此光束聚到步长指数的光导纤维。
图3展示了将来自激光器54的原校准过的光束56用透镜66聚到步长指数光导纤维68的端部。当此光束沿该光纤长度传播时出现的多次内部反射彼此重叠，从而产生出自该光纤的均匀的主体功率分布70。在此光纤的出口处，放置另一透镜72以使将此光束再校准。如果用光束分割器将自由电子原激光束56分成合理功率，如每个不大于10kw的副光束，则每个副光束可被聚到光纤，从而得到均匀的立体功率分布。但是，该自由电子激光可反过来覆盖相当大的波长范围。价格合理的低衰减光纤仅在激光波长在光谱的近UV、可见光和近IR部分中才是可用的。此辐射的光子波长在紫外线范围中为佳。
图4A说明了一种较佳的用于将直线投射的激光辐射光束均匀化的方法。这种光学系统采用了专门设计的线性散射透镜74，它具有镜的外观，在其顶部有相当清晰的边界。这种透镜已公开于US,4,826,299中，引入本文供参考。它仅沿一个方向扩展激光束20，从而形成沿横向或y-方向50有均匀强度分布的激光辐射光76的光劈。当该辐射光沿Z方向52从此透镜散射开去时，直线长度86沿Y方向线性地增长。沿该线长度的强度分布82不很均匀，但是有某些如图4B中所示的变化84。辅助的平凸园柱形透镜78被投射的激光线80照射，从而将此激光束在欲被去除的氧化物层的表面上清晰地聚成线38。散射透镜74的设计必须包容此激光束的入射直径。该线投射透镜必须在经过其的激光辐射的波长的基础上，用适宜的材料制成。这为的是避免激光辐射在其反射时被投射透镜吸收。比如，如果自由电子激光的波长被调到光谱的近红外部分中的1微米处，那么熔融的硅石或BK7可被用来制造该激光线投射器。这种材料还必须被涂覆以抗该激光波长的反射。若此激光波长在中红外中的2-7微米的范围内，则氟化钙、氟化镁、硫化锌或硒化锌可被用于此激光线投射透镜。最后的聚焦透镜78也用同样的材料和防反射涂层制成，以使将激光的吸收和反射损失减至最小。该聚焦的激光线的宽度受此最后的园柱形透镜78的焦点长度控制。此激光线的长度由此线投射透镜距覆盖金属表面的最后的氧化物的远近确定。如于图10B中所示，最后的园柱形聚焦透镜78可被用于改变此激光辐射线的方向的长的矩形平面镜168和最后的园柱形凹面聚焦镜170的组合所取代。
用此反射透镜法，可将总功率，如100kw的激光束分成多个副光束。图5示出了一对覆盖金属带40全宽度的副光束，其中每一光束覆盖此带宽的一半。可将这原理扩展到任何数量的副光束是可以理解的。比如，若将光束分成10个副光束，每个副光束将去掉此金属带1/10宽的氧化皮。图5的实施方案包括密封的相互作用室90，它具有密封的用于接收带材40的入口，密封的出口92及一对使光束36通入此室的窗口93。室90还包括将被去除的氧化皮碎屑带至过滤器装置96的废气管94、输送管98、使非氧化性气体经气体返回管102循环到该室90中的返回出口104的鼓风机100。鼓风机100使该气体再循环，以收集沉积在过滤器中的氧化皮碎屑，然后使其返回到室90。每个副光束20将如上面图1所述经过组合的校准器(透镜22、26、30)中的一个，或由在图9中详述的反射镜反射，再被园柱形透镜34(或凹面镜)聚焦。
图6-8展示了室90中邻近激光束36入射点处和金属表面44处的反应器的较详细的视图。室90含有供自储气罐110的非氧化性气体108，如氦或氩气。此惰性气体介质用于保护反应区及将被蒸发的氧化物颗粒118从相互作用室中带走。入射的光束36以正面聚在移动中的金属带材表面44上的收缩的矩形波而被展示的。最好是将光束36以某种不垂直的，即以锐角射在带材表面44上。谈到锐角，可以理解是指最好为从法线至金属表面测得范围为10-75°的角度。更好的角度范围是25-60°，最好的角度是30°。由被蒸发的碎屑所产生的等离子流112在垂直于带材表面的方向上有最高的强度是已知的。通过将离开法线方向的入射的聚焦辐射的方向调到此表面上，据信入射光束36被所产生的等离子1/2较少吸收。这在去除氧化物层方面将产生较高的效率。在等离子流112上方和刚超过光束36前方的聚焦的矩形波处装有长缝状的，用于将惰性气体108导在所产生的等离子流112上的喷咀114。本发明的一个重要特性是用非氧化性气氛包围所产生的等离子流和清洁的金属表面46，以防止清洁的金属表面46再氧化。通过在此等离子流和清洁的金属表面周围保持压力足够的非氧化性气体及保持该室与大气的密封，则可使大气气氛，即氧气与等离子流紧邻的激光相互作用区隔开。喷咀114按聚焦线38的全长度延伸。管道94中的废气出口116位于与入射光束36进入处相对的该室的一侧上，它将带有碎屑状的氧化物颗粒118的惰性气体抽入废气管94。最好将管道94和气体喷咀114装在该室的进口侧，即邻近脏的带材表面44处。这将会重新落回已清洁的金属带材上的碎屑量减至最小，从而防止重新污染新去氧化皮表面46。而碎屑颗粒118将落在未处理的表面44上并且重新回到入射的光束36中，在那里它将被再次蒸发。碎屑氧化物(氧化皮)颗粒118如箭头180的方向所示。被朝着该室的入口抽去，结果沉积在去除微米级碎屑颗粒的，位于过滤器装置96中的过滤器106中。如果带材40沿垂直方向运行，从而重力倾向于使碎屑颗粒从此带材向废气出口116落去，那么这将基本上是正确的。过滤装置96还可包括振动机械，以使碎屑颗粒沉积在位于此过滤器下面的收集容器(未示出)中。惰性气体108被抽吸通过过滤器106，然后被鼓风机100再循环，再经喷咀114重新进入真空室90，以集取更多的碎屑118。气罐110定期将新鲜的惰性气体108喷入返回管102，以补充任何损失掉的气体。喷咀中的压力计监测气体压力并用来控制气罐上的电磁阀122。它显示隋性气体108及被该气流集取的碎屑颗粒118的流动模式以及怎样将该颗粒输往废气出口116。可使用与扫描聚焦点系统，如于图10A和10B所述的系统同样的喷咀和废气系统。在此情况下，该聚焦线现在是聚焦点被横过扫描的扫描场宽度。
本发明的另一重要特点示于图8。图8展示了防止大气气氛进入室90中的重要性。除在室90中保持保护性的气氛108外，正确地密封该室也是重要的。比如，虽然可将园柱形透镜34置于室90之外或之内，而最好是将透镜34装在窗口93内，由此形成密封。接收带材40的入口91(图6)和出口92二者最好用柔性材料178，如聚丙烯密封。通过将朝向金属表面44的气体喷咀114以与朝向废气出口116的气体速度分量成一角度来调整，将满载碎屑状氧化物颗粒118的惰性气体导向废气管94。将管道94和气体喷咀114放在脏的带材表面44上方的室的入口侧防止任何会重落回清洁的金属带上的碎屑重新污染新去氧化皮的表面46。
金属移动方向42上的聚焦线38的宽度将由最后的聚焦透镜34的焦点长度。所达到的上校准程度和射在组合的上校准器的第一透镜22上的光束20的散射度确定。从约0.1mm至数cm的整个范围内控制聚焦线38的这种宽度将是可能的。该实际值将取决于该聚焦线的长度和每个脉冲的能量。比如，若将来自激光器54的100kw的原光束14分成每个10kw的10个副光束，并希望去掉1m宽的金属带的氧化皮，那么这10个聚焦线中的每一个将长10cm，而每个将被聚成约2mm的宽度。若此激光器以30MHZ的重复频率和2微微秒的脉冲宽度运行，则这每个10kw的副光束将具有333微焦耳的能量及约83MW/cm2的聚焦表面功率密度。本发明的一个重要特性在于，该表面功率密度(W/cm2)高得足以使该金属带上的氧化物蒸发。这种要求对于本发明在确定聚焦线的长度和宽度方面而言是根本性的，以使输在该线上的每个脉冲、每单位时间的激光能量满足使表面功率密度至少为5MW/cm2的规定。
考虑到这些条件，横向至金属运行方向42的方向的聚焦线长度可小到1mm，宽度到2m，而该聚焦线的宽度可为0.1mm-10cm，前提是只要能保持上述表面功率密度约束即可。比如，用图9中所示的反射模式系统，100kw平均功率激光束的激光线长度可为1m，它完全跨越了金属带的宽度，而聚焦线38的宽度为2mm。由于3.33毫焦耳的脉冲能量及2微微秒的脉冲宽度就产生了由反射镜系统聚焦的，每10cm长的部分所得到的，上述的相同的每个脉冲83MW/cm2的表面功率密度。可用单一的将整个100KW聚束的，或10个每个将10kw聚束的副系统，甚至100个每个将1kw聚束的副系统可获得如此相同的全金属表面去除氧化皮的能力。关于所用的光学系统的细节则取决于其它的问题，如光学元件的对比价格和可获得性。
无需任何机械的或化学的辅助手段将氧化物膜蒸发并从整个金属带的表面积上除去，从而形成基本上无任何氧化物的清洁的金属表面46。比如，在激光处理前将不需要使氧化皮开裂或松动的预处理，如喷丸或辊压，而在此激光处理后，如果有，也是需要少量的简单后处理，如浸渍酸洗，以便去除任何残留量的氧化皮。本发明的去氧化皮的方法由于不再需要处置有毒的酸洗液，所以在环境方面有明显的优点。
金属带表面44在聚焦线38下，以与脉冲重复频率和将氧化物完全去除至基体金属的厚度所需的脉冲能量相配合的速度移动。由于该金属带沿垂直方向以至少10m/分、较好是30m/分，而可能是高达每分钟数百米的线速度连续移动，所以高的脉冲重复频率，如30MHZ意味着多个脉冲将冲击同一部位。由于单个脉冲未包含足以将氧化皮层全部去除的能量，所以这是必要的。每个脉冲去掉几个分子层，以致就需要在同一部位有大量的脉冲以便将氧化皮完全去除至基体金属。
虽然可能制造大到足以覆盖最宽的，如约2m宽的需要去氧化皮的金属带的透镜(或反射镜)的光学组合件，但尚有建议透镜或反射镜的多重组合可能是更佳方法的其它考虑。采用反射镜光学系统，就可能用单组镜子覆盖约1米宽的截面。反射镜光学元件一般能在其反射表面上接收比折射元件更高的功率密度。折射元件有一定程度的辐射吸收，从而引起加热至高的温度。当平均功率高于10kw时，根据光束的直径，光学元件的加热会有明显的影响。大尺寸的折射元件也比其反射性对应物贵，如果所选的波长需要较贵的材料，如硒化锌时则尤为如此。本发明可采用平面、凸面、凹面镜将激光辐聚成横线也是可以理解的。
图9显示本发明的另一实施方案，它采用凸面、平面和凹面镜的组合将激光辐射聚成线。入射的原激光束20冲击凸面镜124的表面，该表面将此光束沿X-方向48和Y-方向50散射成散射光束24。然后散射光束24被起着将沿X方向光束校正成被校正光束28的作用的园柱形凹面镜126阻挡。现在光束28延续，以使沿Y-方向扩展，直至其碰到起着将沿Y-方向光束校正成光束32的作用的园柱形凹面镜128时为止。现在经校正的光束32为矩形，其截面尺寸受镜124、126和128的焦点长度和间隔的控制。这种矩形截面的Y方向的长度由被此光学系统处理的金属带材40的所需的宽度确定。若有覆盖此带材表面全宽度的多重光学系统，则该光学系统的长度仅为此全宽度的一部分。光束32然后被矩形的平面镜130反射到长的最后的聚焦园柱形凹面镜132上，该镜的长度与所需的最终聚焦线38的长度一样。
也可用扫描聚焦点光束输送法去除氧化物层(氧化皮)。该实施方案的基本上折射的光学系统示于图10A中。可将全功率光束56分成较小的更易控制的副光束57，而每个副光束在该金属带的全宽度的某一部分上扫描。一条光束57然后经过上校正器134，它增加此光束的直径并减少其散射。(若激光器产生了低散射性的大直径光束，则它需要将该光束向下校正，以将该光束直径减小到更易控制的尺寸。来自100kw FEL激光器的光束直径由于衍射限止了散射直径可为数厘米，从而会需要向下校正。)使上校正(或下校正)的光束136经过以适当的角度将光束142导入扫描机构144的一对反射镜138和140，该机构可以是转动的多边形的，或摆动的反射镜146。然后使光束148通过平场聚焦透镜150，它将校正的光束148在欲去氧化皮的金属带40的表面上聚成合乎需要求斑点尺寸154。扫描聚焦点系统的优点在于它不要求在入射的整个激光束的强度分布在空间上是均匀的。这就是说，不需要均匀器60。另一优点是该扫描机构使该聚焦点横向扫描过覆盖表面44的氧化物，从而当金属带40连续通过横向扫描聚焦激光点时附着的氧化皮层在沿扫描线182的每个点处被激光辐射的一个或几个脉冲去除。比示于图4A的投射和聚焦激光线的缺点是，它为激光能量的附加损失增加了光学表面以及它具有机械的移动元件。
作为一种替换方案，图10A中的平场聚焦透镜150可用位于摆动镜146前的预扫描聚焦镜取代。该预扫描聚焦透镜可沿此光束的传播方向，以与该镜子的扫描速度同步的速度前后移动，以便将聚焦点保持在平的金属表面上。
图10B显示本发明的光学扫描点系统的另一实施方案，该系统采用了反射镜和聚焦透镜以提供远心的扫描系统，以便在整个扫描场宽度上保持均匀的光斑尺寸。将激光束136入射到位于转动的扫描多面体146前的透镜156上，以便使光束158改变方向。然后将聚焦的光束159导向长的矩形的平面镜160，该镜160在所需的大部分的扫描场上扩展。镜160将扫描光束162转向在该扫描场的整个宽度上扩展的弯曲的抛物线镜164。该弯曲的反射镜使聚焦的光束166改变方向，从而将它以同样的角度入射在该表面上，而不管跨越此扫描场的该光束是否聚焦。该光束都沿此扫描场长度聚成相同的光斑尺寸。该系统优于图10A所示的折射系统的优点是，大多数的光学元件是没有折射元件的吸收损失的反射镜。由于经济地充分生产激光去氧化皮系统需要高功率，所以这是有益的。可加上长的平面矩形镜168以便将此聚焦的辐射导向将此辐射聚成聚合光束172的长的园柱形凹面聚焦镜170，从而使该聚焦的光斑沿带材移动方向42进一步密集。可用全正交宽度园柱透镜34代替镜168和170来将光束聚成较小的条(Web)尺寸。这将产生如图10C中更详细示出的在扫描方向176有聚焦光点长轴的聚焦椭园斑点174。
实施例
提供一个实施例来证明本发明可以实施。可用将铝带材上的5微米厚的氧化铝，即Al2O3蒸发所需的能量和被照射的带材的处理速度进行评估。假定该氧化物层的密度为4g/cm3，熔化温度为2050℃、蒸发温度为2980℃、熔化热为255卡/g、蒸发热为1138卡/g、热容为0.32卡/克。这些数据的来源是LaserInstitute of America Handbook:Guide for Material Proccssing by Laser(2nd Edition,1978,PP.9-3，引入本文供参考)。就此实施例而言，假定将如图4A中所示的投射激光线系统用来将激光辐射聚成线。还确定有10个取向并排的此类系统，以将全宽1m的带材去氧化皮。还假定，100kw FEL产生被分成10个每个10kw的激光辐射副光束，然后这些副光束每个被聚成10cm长×2mm宽的线。如果假定有5微米厚的氧化皮层和10cm长×2mm宽的聚焦线，则必须被蒸发的Al2O3的体积为：V=(0.0005cm)×(10cm)×(0.2cm)=0.001cm3。蒸发这一体积所需的能量为E=(4g/cm3)×(0.001cm3)×[(0.32卡/g/℃)×(2960℃)+255卡/g+1138卡/g]×(4.184焦耳/卡)=39.2焦耳。如果此10个副光束中的每一个输送10kw的平均功率，则每个30MHZ的脉冲重复频率的脉冲能量为每脉冲333微焦耳。这样，输送这39.2焦耳能量所需的脉冲数为N=39.2焦耳/(0.000333焦耳/脉冲)=117720个脉冲。因此在该点处从30MHZ激光光束输出117720个脉冲的此光束的停留时间为T=(117720脉冲)/(30000000脉冲/秒)=0.00392秒。为确定去除此5微米厚的层所需的线速度，则需要带有氧化物层的铝带材在用于输入全部117720个脉冲的时间内仅移动该聚焦的激光的宽度，即2mm。因此该线速度为V=[0.002m/0.00392秒]×(60秒/分)=30.6m/分。因此，若有10个这类10kw的光束，每个被聚成横向长度10cm的线而且每个按图5中所示的正交宽度相邻的方式取向，则整个1m宽的铝带材就会有5微米厚的氧化物层从其一侧以30.6m/分的速度被去除。应指出的是，由于短的脉冲宽度和高的表面功率密度，该氧化物的去除速度会因其它的可运行的去除氧化皮的机理而更高。但是，通过基于热蒸发机理的计算，将需要200kw FEL来以30.6m/分的速度去掉一米宽的铝带两侧的氧化皮。
本发明可有不违背其精神和范围的各种变化是可以理解的。因此，本发明的限制应由所附的权利要求确定。

Claims (42)

1、一种从金属表面去除氧化物的方法，它包括：
利用产生脉冲宽度很短，脉冲重复频率很高及平均功率很高的电磁辐射的激光器，产生辐射，
使此辐射经过至少一个光学元件以使其聚焦成在与该金属表面接触点处有至少约5MW/cm2的表面功率密度的入射光束，及
使聚焦的辐射光束在横向上完全跨越覆盖金属表面的氧化物，以使通过一个或多个脉冲的相互作用由蒸发将该氧化物去除，从而形成无氧化物的表面。
2、权利要求1的方法，其中该金属是经热轧或退火的，以与激光束脉冲重复频率协调的速度移动的带材。
3、权利要求1的方法，其中该金属是沿垂直方向以至少10m/分的速度移动的带材。
4、权利要求1的方法，其中激光脉冲宽度小于1毫微秒。
5、权利要求4的方法，其中激光脉冲宽度小于100微微秒。
6、权利要求4的方法，其中激光脉冲宽度小于10微微秒。
7、权利要求4的方法，其中激光脉冲的宽度为约1毫微微秒-6微微秒。
8、权利要求1的方法，其中激光脉冲重复频率为至少1KHZ。
9、权利要求8的方法，其中激光脉冲重复频率为1-40MHZ。
10、权利要求8的方法，其中激光脉冲重复频率为40MHZ-1GHZ。
11、权利要求1的方法，其中激光平均功率为至少1KW。
12、权利要求1的方法，其中激光平均功率为至少10KW。
13、权利要求1的方法，其中激光平均功率为至少100KW。
14、权利要求1的方法，其中输往氧化物层表面的每个激光脉冲每单位面积的表面功率为至少10×106W/cm2。
15、权利要求1的方法，其中辐射的光子波长在紫外线范围内。
16、权利要求1的方法，其中光学元件是透镜。
17、权利要求1的方法，其中光学元件是反射镜。
18、权利要求1的方法，其中光学元件包括至少一个透镜和至少一个反射镜的组合。
19、权利要求18的方法，其中这些光学元件排列成行。
20、权利要求1的方法，其中光学元件包括将辐射光束分成多个聚焦的副光束，每个副光束的功率少于来自激光器的原光束功率的装置。
21、权利要求1的方法，其中光学元件包括使辐射均匀化，以使提供横过聚焦光束的相当均匀的立体功率分布的装置。
22、权利要求1的方法，其中辐射光束被聚成至少一条横向跨越此金属表面整个宽度的均匀功率分布的线。
23、权利要求1的方法，其中辐射光束被聚成光斑，该方法包括使此光斑横向跨越此金属表面的整个宽度的附加步骤，由此用此辐射的一个或多个脉冲去除氧化物。
24、权利要求1的方法，其中辐射光束以锐角接触金属表面。
25、权利要求24的方法，其中角为10-75°。
26、权利要求24的方法，其中角为25-60°。
27、权利要求1的方法，它包括将被蒸发的氧化物集为粉末的附加步骤。
28、权利要求1的方法，它包括保护此接触点和无氧化物表面及用非氧化气体将此氧化物碎屑扫去的辅助步骤。
29、权利要求1的方法，它包括用非氧化气氛收集被蒸发的氧化物，从非氧化气体中将粉末状的氧化物碎屑分离和将清洁的非氧化气体返回到金属表面接触点的辅助步骤。
30、权利要求16的方法，其中光学元件是排成一列的透镜组合，
第一光学元件是球状发散透镜、
第二光学元件是用于垂直校正光束的园柱形透镜、
第三光学元件是均匀校正光束的园柱形透镜、
而第四光学元件是将此光束聚成窄线的园柱形透镜。
31、权利要求17的方法，其中光学元件是排成一列的元件组合，
第一光学元件是园形发散凸面镜；
第二光学元件是垂直校正光束的园柱形凹面镜；
第三光学元件是均匀校正光束的园柱形凹面镜；
第四光学元件是使光束改变方向的平面镜；
第五光学元件是将此光束聚成窄线的园柱形凹面镜。
32、权利要求18的方法，其中该组合包括，
第一光学元件是校正透镜；
第二元件是至少一个使该被校正的光束取向的导向镜及使该校正过的光束扫描的装置。
33、权利要求32的方法，其中该光学元件还包括平场扫描透镜，而该扫描装置包括使该校正的光束跨越平场透镜的入射光孔反复扫描的转动反射镜。
34、权利要求18的方法、其中该组合是远心的系统，它包括：
使此光束扫描的转动反射镜，
无论在哪里跨越扫描场光束被聚于表面，使扫描光束以与表面所成的相同角度改变方向的抛物线形反射镜。
35、一种从金属带的表面去除氧化物的方法，它包括：
采用产生脉冲宽度小于10微微秒、脉冲重复频率至少10MHZ而平均功率大于10kw的电磁辐射的激光器，
产生辐射，
使该激光辐射经至少一个光学元件而将其聚成在与该带材表面的接触点处的表面功率密度至少约10MW/cm2的入射光束，
该光学元件包括使该辐射均匀化的装置及至少一个长的园柱形聚焦透镜或长的园柱形凹面镜以将此光束聚成至少一条直线，
使该带材经过横向完全跨越覆盖表面的氧化物的辐射光的聚焦线，以使通过一个或多个空间延伸的激光脉冲的相互作用蒸发而去除氧化物，由此形成无氧化物的表面。
36、一种用于从金属带材上去除氧化物的设备，它包括：
产生脉冲宽度很短、脉冲重复频率很高和平均功率很高的电磁辐射的激光器，至少一个将该辐射在与此金属带接触点处聚成表面功率密度至少约5MW/cm2的入射光束的光学元件，和将氧化物从此金属带上去除的密封的相互作用室，
该室含有非氧化气体和接收表面上覆盖氧化物的运行着的金属带的窄缝入口，使从表面已去除氧化物的金属带通过的窄缝出口，至少一个将此辐射接收入此室，由此该辐射可横向完全通过跨越覆盖表面的氧化物，以使由蒸发去除氧化物的长的窗口。
37、权利要求36的设备，它包括将含有被蒸发的氧化物碎屑的气体从此室中排出的废气管，将粉末状的碎屑从此气体中排除的过滤器及使已清洁的气体返回此室的返回管。
38、权利要求36的设备，它包括将该气体导入该室，导于在反应区中形成的等离子流上或与其邻近处的喷咀。
39、权利要求36的设备，其中光学元件是位于窗口中的透镜。
40、权利要求36的设备，其中光学元件包括将辐射光束分成多个聚焦的副光束的装置，而该室包括相当数量的窗口，每个窗口接收一条此副光束。
41、权利要求36的装置，其中光学元件包括使辐射均匀化，以使跨越聚焦的光束提供相当均匀的立体功率分布的装置。
42、一种用于从金属带材表面去除氧化物的设备，它包括：
产生脉冲宽度很短、脉冲重复频率很高、平均功率很高的电磁辐射的激光器，多个排成一列的，用于将此辐射在与该金属带接触点处聚成表面功率密度至少约10MW/cm2的入射光束的光学元件，用于将氧化物从此金属带上去除的密封相互作用室及将该辐射分成副光束的分光器，
该室含有非氧化气体及接收表面上覆盖氧化物的移动的金属带的窄缝入口、使从表面去除了氧化物的该金属带通过的窄缝出口、将辐射的各副光束接收到此室，由此可使此辐射副光束横向上完全通过跨越此覆盖表面的氧化物以使通过蒸发去除氧化物的长窗口。
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