CN102230983A - 用于激光加工的光学元件及激光加工设备 - Google Patents

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王智勇
史元魁
许并社
辛立军
陈玉士
王有顺
王文先
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Taiyuan University of Technology
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SHANXI FEIHONG LASER TECHNOLOGY Co Ltd
Beijing University of Technology
Taiyuan University of Technology
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Abstract

本发明公开了一种用于激光加工的光学元件及激光加工设备，所述光学元件具有至少两个将激光光束聚焦在同一个光轴的轴向上不同位置焦点的聚焦部，所述光学元件为非球面反射镜，通过采用不同曲率半径的聚焦部，获得所述不同位置焦点，所述聚焦部的数量为两个，且所述聚焦部的反射表面相切。本发明还提供一种激光加工设备，包括激光器和用于激光加工的光学元件。通过本发明的光学元件，可将激光能量分布在光场的中心位置和边缘位置，匀化光场的能量分布，在焊接过程中，不会形成对熔池的搅拌而产生飞溅，同时有效减少材料气化出现等离子体，避免金属材料的飞溅或出现陷坑，并保护激光器的光学系统不受气化的金属材料的污染和飞溅损伤。

Description

用于激光加工的光学元件及激光加工设备
技术领域
本发明涉及光学元件，特别是指一种用于激光加工的光学元件及激光加工设备。
背景技术
用于激光材料加工的设备包括光纤激光器、半导体激光器等。光纤激光器由于光束质量好、效率高、寿命长、体积小、运行费用低等显著优点，在工业、医学和军事领域得到了广泛的应用。
采用光纤激光器对材料进行焊接加工时，由于光纤激光器输出的光束经过聚焦后，呈现如图1所示的高斯分布，激光的能量集中在峰值处，且聚焦的光斑小，能量密度过高。
由于能量过于集中在峰值，焊接过程中形成对熔池的搅拌而产生飞溅，同时容易使材料气化出现等离子体，出现焊接过程的不稳定性，如产生金属材料的飞溅或出现陷坑，并导致激光器的光学系统在焊接过程中受到气化的金属材料的污染和飞溅损伤。
由于半导体激光器的光束快慢轴的光束质量差异很大，分割重排后光斑为矩形。采用该半导体器输出的光束经过聚焦后，对材料进行焊接加工时，输出的光强分布不均匀，也会导致焊接过程的不稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明在于提供一种用于激光加工的光学元件及激光加工设备，以解决采用激光器进行材料加工时，输出的光强不均匀，导致焊接过程出现不稳定性的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种用于激光加工的光学元件，所述光学元件为非球面反射镜，并由至少两个具有不同曲率半径且光轴相重合的聚焦部构成，所述聚焦部分别将激光光束聚焦在光轴的不同位置上。
优选地，所述聚焦部的数量为两个，且所述聚焦部的反射表面相切。
优选地，所述光学元件的中心里侧的聚焦部的面积对应获得所述激光光束的40％能量的区域面积；所述光学元件的中心外侧的聚焦部的面积对应获得所述激光光束的60％能量的区域面积。
本发明的实施例还提供一种激光加工设备，包括激光器和用于激光加工的光学元件；所述光学元件为非球面反射镜，并由至少两个具有不同曲率半径且光轴相重合的聚焦部构成，所述聚焦部分别将激光光束聚焦在光轴的不同位置上。
优选地，所述聚焦部的数量为两个，且所述聚焦部的反射表面相切；
所述光学元件的中心里侧的聚焦部的面积对应获得所述激光光束的40％能量的区域面积；所述光学元件的中心外侧的聚焦部的面积对应获得所述激光光束的60％能量的区域面积。
优选地，所述激光器为半导体激光器或光纤激光器。
优选地，所述激光光束入射并覆盖所述光学元件的区域大于所述光学元件的中心里侧的聚焦部的区域，小于所述光学元件的中心外侧的聚焦部的区域。
通过本发明实施例中的光学元件，可将激光能量分布在光场的中心位置和边缘位置，在焊接过程中，不会形成对熔池的搅拌而产生飞溅，同时有效减少材料气化出现等离子体，避免金属材料的飞溅或出现陷坑，并保护激光器的光学系统在焊接过程中不受气化的金属材料的污染和飞溅损伤。
附图说明
图1示出了现有的激光器的输出的光束经过聚焦后的光强分布示意图；
图2示出了通过光学元件将光纤激光器的光束聚焦后的示意图；
图3示出了图2中光斑能量分布及整形匀化后光斑能量分布示意图；
图4示出了通过光学元件将半导体激光器的光束聚焦后的示意图；
图5示出了图4中光斑能量分布及整形匀化后光斑能量分布示意图；
图6示出了加工设备的结构框图。
具体实施方式
为清楚说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。
本发明的光学元件上具有多个不同的曲率半径，这些不同的曲率半径可将激光器发出的光反射出多个不同焦距的同轴焦点，多焦点可有效的将激光的能量分散在同一个光轴的各个焦点上，从而在任意两个焦点之间，获得适宜材料加工的焦点能量。下面以双焦点为例，详细说明本发明的实施例。
参见图2所示的实施例一的聚焦镜，包括：具有第一曲率半径的第一聚焦部11、具有第二曲率半径的第二聚焦部12，且第一曲率半径小于第二曲率半径，两个不同曲率半径的聚焦部聚焦后的焦点在同一个光轴上。聚焦部可采用抛物线的形状来实现，通过每个聚焦部的焦距来确定适宜加工出聚焦部的曲线。
光纤激光器发出的激光光束，入射到聚焦镜表面的第一聚焦部11，聚焦获得焦点位置处的第一聚焦光斑a1；入射到聚焦镜表面的第二聚焦部12，聚焦获得焦点位置处的第二聚焦光斑b1。由于第一聚焦部11的曲率半径小于第二聚焦部12的曲率半径，因此在各自焦点位置处的第一聚焦光斑a1在第二聚焦光斑b1的上方。加工面介于两个聚焦光斑之间。在材料加工过程中，两个焦点之间的焦距优选相差5至10mm，以获得较佳的材料加工效果。
光纤激光器发出的光束经过图2中的聚焦镜获得两个焦点，光纤激光器发出的光束的能量分布在这两个焦点上，在这两个焦点处的光斑能量分布的示意图可参见图3，曲线21为激光光束通过第一聚焦部11聚焦后在焦点处的光强分布；曲线22为激光光束通过第二聚焦部12聚焦后在焦点处的光强分布；曲线23为加工面在光轴上的两个聚焦光斑之间的位置处的光强分布。通过图3中示出的光强能量的分布可以得出，曲线23的三个峰值能量具有曲线21的一个峰值和曲线22的两个峰值，且曲线21与曲线22的两个峰值之间的差值较小。曲线23中间的峰值为聚焦激光光场中间区域能量，其左右两侧处峰值为在光场边缘处的能量，边缘处分布的能量略低于中间分布的能量。由于激光的能量分布在光场的中心位置和边缘位置，光斑直径也相应增加，能量被均匀化。避免了图1所示激光的能量集中在峰值处，且聚焦的光斑小，能量密度过高的现象。
优选地，在实施例中，聚焦镜采用光学非球面反射镜，且第一聚焦部11和第二聚焦部12的反射表面相切。入射的激光光束覆盖的区域优选大于第一聚焦部11的区域，小于第二聚焦部12的区域。以避免在材料加工过程中，激光光束超过第二聚焦部12的区域，损坏设备的其它部件。
采用图2中的聚焦镜对光纤激光器发出的光束聚焦后，通过加工设备进行材料加工的过程稳定，特别是在切割或焊接过程，由于激光能量分布在光场的中心位置和边缘位置，激光能量的功率密度更加均匀，在焊接过程中，不会形成对熔池的搅拌而产生飞溅，同时有效减少材料气化出现等离子体，避免金属材料的飞溅或出现陷坑，并保护激光器的光学系统在焊接过程中不受气化的金属材料的污染和飞溅损伤。
本发明还提供一种光学元件，下面通过实施例二详细说明。参见图4，包括：具有第三曲率半径的第三聚焦部31、具有第四曲率半径的第四聚焦部32，且第三曲率半径大于第四曲率半径，两个不同曲率半径的聚焦部聚焦后的焦点在同一个光轴上。
半导体激光器发出的激光光束，入射到聚焦镜表面的第三聚焦部31，聚焦获得焦点位置处的第三聚焦光斑a2；入射到聚焦镜表面的第四聚焦部32，聚焦获得焦点位置处的第四聚焦光斑b2。由于第三聚焦部31的曲率半径大于第四聚焦部32的曲率半径，因此在各自焦点位置处的第三聚焦光斑a2在第四聚焦光斑b2的下方。加工面介于两个聚焦光斑之间。
经过图4中的聚焦镜获得两个焦点，半导体激光器发出的光束的能量分布在这两个焦点上，在这两个焦点处的光斑能量分布的示意图可参见图5，曲线41为通过第三聚焦部31聚焦后在焦点处的光强分布；曲线42为通过第四聚焦部42聚焦后在焦点处的光强分布；曲线43为加工面在光轴上的两个聚焦光斑之间的位置处聚焦激光光强分布。
通过图5中示出的光强能量的分布可以得出，曲线41示出了第三聚焦部31形成的聚焦激光光强分布，在光场的中心区域，形成能量的一个波峰；曲线42示出了第四聚焦部32形成的聚焦激光光强分布，在光场的边缘区域，形成能量的两个波峰；图4所示的加工面的位置，处于光轴上两个焦点之间的位置，此处光斑的能量分布如曲线43所示，在光场的中心位置处的波谷处能量略低于其左右两侧在光场边缘位置处的两个波峰能量。
由于激光的能量分布在光场的中心位置和边缘位置，光斑直径也相应增加，且边缘位置处的能量略低于中心位置处的能量，能量被均匀化。避免了图1所示激光的能量集中在峰值处，且聚焦的光斑小，能量密度过高的现象。
优选地，在实施例中，聚焦镜采用光学非球面反射镜，且第三聚焦部31和第四聚焦部32的反射表面相切。入射的激光光斑覆盖的区域优选大于第三聚焦部31的区域，小于第四聚焦部32的区域。以避免在材料加工过程中，激光光束超过第四聚焦部32的区域，损坏设备的其它部件。
采用图4中的聚焦镜，半导体激光器分割重排后得到的矩形光斑进行整形匀化，对半导体激光器发出的光束聚焦后，通过加工设备进行材料加工的过程稳定，特别是在切割或焊接过程，由于激光能量分布在光场的中心位置和边缘位置，在焊接过程中，不会形成对熔池的搅拌而产生飞溅，同时有效减少材料气化出现等离子体，避免金属材料的飞溅或出现陷坑，并保护激光器的光学系统在焊接过程中不受到气化的金属材料的污染和飞溅损伤。
优选的，上述实施例中采用两个聚焦部时，聚焦部在聚焦镜中所占的面积比例会影响聚焦后光场强度的分布。因此，优选聚焦镜中心里侧的聚焦部的面积对应获得所述激光光束的40％能量的区域面积；所述聚焦镜的中心外侧的聚焦部的面积对应获得所述激光光束的60％能量的区域面积。从而使在聚焦后的两个焦点之间，激光能量的功率密度更加均匀，以降低光斑的中心区域与边缘区域之间的能量密度差值。
本发明实施例中的聚焦镜，还可以具有多个聚焦部，在同一个光轴上形成多个焦点，从而将入射的激光光束聚焦出多个焦点，在光轴上的焦点之间，获得光强分布均匀化的激光光斑，使材料的加工过程稳定。
本发明的每个实施例中的聚焦镜，均可适用各类激光器，如光纤激光器、半导体激光器等。可以用于各类材料加工设备中，如数控多轴联动激光加工设备等。
下面通过实施例三详细说明应用本发明实施例中的光学元件的一种激光加工设备，参见图6，包括：机床床身、光纤或半导体激光器、光学元件；所述光学元件具有至少两个将激光光束聚焦在光轴的不同位置上的聚焦部。该光学元件在上述的实施例中详细说明，在此不一一赘述。
将待加工材料的加工面放置在机床床身的工作台上，使用计算机连接机床的控制系统，控制光纤或半导体激光器发出激光，将加工面的位置置于聚焦镜反射的焦点之间。
对于本发明各个实施例中所阐述的光学元件及加工设备，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于激光加工的光学元件，其特征在于，所述光学元件为非球面反射镜，并由至少两个具有不同曲率半径且光轴相重合的聚焦部构成，所述聚焦部分别将激光光束聚焦在光轴的不同位置上。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述聚焦部的数量为两个，且所述聚焦部的反射表面相切。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件的中心里侧的聚焦部的面积对应获得所述激光光束的40％能量的区域面积；所述光学元件的中心外侧的聚焦部的面积对应获得所述激光光束的60％能量的区域面积。
4.一种激光加工设备，包括激光器和用于激光加工的光学元件，其特征在于，
所述光学元件为非球面反射镜，并由至少两个具有不同曲率半径且光轴相重合的聚焦部构成，所述聚焦部分别将激光光束聚焦在光轴的不同位置上。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述聚焦部的数量为两个，且所述聚焦部的反射表面相切；
所述光学元件的中心里侧的聚焦部的面积对应获得所述激光光束的40％能量的区域面积；所述光学元件的中心外侧的聚焦部的面积对应获得所述激光光束的60％能量的区域面积。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其特征在于，所述激光光束入射并覆盖所述光学元件的区域大于所述光学元件的中心里侧的聚焦部的区域，小于所述光学元件的中心外侧的聚焦部的区域。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述激光器为半导体激光器或光纤激光器。
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