CN106773075A - 一种全反射式消光晕光束匀化光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全反射式消光晕光束匀化光学系统，包括第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜，且所有镜片均为90°光束偏转角，所有镜片中心对称面共面，本发明结构设计新颖，采用全反射式消光晕光束匀化光学系统，基于双曲面镜与离轴抛物镜组合特性，基于双片反射镜阵列光束匀化整形及消光晕特性，基于金属镜片的直接水冷与良好导热性，适用于光纤输出类激光束匀化整形，尤其在万瓦级高功率大光纤芯径的光纤输出类激光器光束匀化更具优势，可大幅提升激光熔覆、淬火等激光加工应用性能。

Description

一种全反射式消光晕光束匀化光学系统

技术领域

本发明涉及激光加工的光束整形技术领域，具体为一种全反射式消光晕光束匀化光学系统。

背景技术

激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、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。由于激光束与加工材料的非接触性、加工速度与质量等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。

当前激光切割占了整个激光加工行业的主要地位，其中又以光纤输出类激光切割为首要。而随着激光功率的提高，高功率光纤激光输出类的激光焊接、熔覆、淬火等加工工艺也逐步得到更广泛的扩展与提升，覆盖了冶金、汽车、航空、船舶等诸多领域。

光纤输出类激光器涵盖了光纤激光器以及半导体光纤耦合激光器，因为光纤柔韧性以及对近红外光束有很好的耦合输出，使得光纤输出类激光器市场占有率日益突出。目前光纤输出类激光器千瓦级已是相当普及，万瓦级激光器也逐步上映市场，让光纤激光各类加工工艺越加普遍化。然而，随着激光功率的增加，光纤芯径也随之增大，这也给激光熔覆、淬火等一些激光加工要求特殊的应用产生了限制。

因为，在工业激光熔覆、淬火中，往往需要对激光束进行匀化，也就是需要将高斯或类高斯光束整形为平顶光束，再进行材料的表面改性与硬化处理，而部分特殊的激光焊接应用，也会用到匀化的聚焦光斑。

在激光加工应用中，激光熔覆特别是激光淬火，除了对匀化平顶光束的均匀性有要求外，还对平顶光束边缘光晕有较高的要求，较大光晕的平顶光束，将导致激光淬火搭接处回火从而降低材料表面硬度。而常规的激光束匀化，平顶光束光晕会受到激光器参数的影响，对于光纤芯径较大的光纤输出类激光器，匀化的平顶光束往往会带有较大光晕，也就是均匀分布方向上的两端会出现较大的非均匀区。

平顶光束的获得方法有多种，如透镜阵列整形、波导整形、二元光学元件整形、积分镜整形等，但是激光功率的增大，势必对透镜类的产品提出严峻考验。一方面是透镜类增透膜损伤阈值问题，另一方面则是实际应用中使用环境对透镜材料污染所引起的稳定性问题，再者是透镜无法直接冷却，且导热性较差，都将严重限制透镜类产品的高功率应用。

金属反射镜能够直接水冷且导热性良好，在保证较小的通光孔径下，依旧能够承受极高的激光功率，这是难以替代的优势，积分镜作为金属反射镜中的一种匀化整形镜代表，往往因为激光器参数的差异而影响使用效果，甚至于因为激光器参数而无法满足客户需求。

另外，对于光纤类输出激光器光束匀化整形，需要配合准直镜与聚焦镜。金属反射式曲面镜因为镜片光束偏转角的存在，镜面通常由离轴抛物面、离轴椭球面以及离轴双曲面构成，离轴抛物镜有一个焦点；离轴椭球面镜有两个焦点；离轴双曲面镜有两个焦点，镜面对应焦点为近焦点，另一焦点为远焦点。然而单一的三种镜面，都将导致原入射光束经过镜片后发生形变。比如，圆形发散点光源经过离轴抛物镜准直后准直光斑圆度将发生变化，即产生了形变。这会影响反射式光束匀化整形聚焦光斑形状与激光能量分布均匀性。

基于上述各点，本发明提出一种全反射式消光晕光束匀化光学系统，基于双曲面镜与离轴抛物镜组合特性，基于双片反射镜阵列光束匀化整形及消光晕特性，基于金属镜片的直接水冷与良好导热性，适用于光纤输出类激光束匀化整形，尤其在万瓦级高功率大光纤芯径的光纤输出类激光器光束匀化更具优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全反射式消光晕光束匀化光学系统，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：一种全反射式消光晕光束匀化光学系统,其包括第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜，且第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜镜片均为90°光束偏转角，第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜镜片中心对称面共面。其中，所述第一片双曲面反射镜与第一片离轴抛物镜、第二片离轴抛物镜与第二片双曲面反射镜镜面中心法线对应相互垂直，所述第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列以及第二片离轴抛物镜镜面中心法线彼此相互平行。

优选的，所述第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜均为圆柱状斜面反射镜。

优选的，所述第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜均为凹面反射镜。

优选的，所述第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列均为凹面型阵列。

优选的，所述第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜均带水冷通道。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明结构设计新颖，采用全反射式消光晕光束匀化光学系统，基于双曲面镜与离轴抛物镜组合特性，基于双片反射镜阵列光束匀化整形及消光晕特性，基于金属镜片的直接水冷与良好导热性，适用于光纤输出类激光束匀化整形，尤其在万瓦级高功率大光纤芯径的光纤输出类激光器光束匀化更具优势，可大幅提升激光熔覆、淬火等激光加工应用性能。

(2)本发明的第一片双曲面反射镜近焦点与光纤输出类光源出光点重合，远焦点与第一片离轴抛物镜焦点重合，在光纤输出类光源入射下，第一片双曲面反射镜与第一片离轴抛物镜对激光束准直，并保证光斑形状。

(3)本发明的第一片曲面反射镜阵列与第二片曲面反射镜阵列有相同的阵列单元尺寸，并一一对应，两镜片中心间距取决于第二片曲面反射阵列的阵列单元焦距，各阵列单元将准直激光束整形分割成多个模块，目的在于对后聚焦的激光束匀化整形的同时，消除激光器参数所引起的光晕。

(4)本发明的第二片离轴抛物镜焦点与第二片双曲面反射镜远焦点重合，对整形分割的模块光束进行后聚焦并汇聚到近焦点，形成所需尺寸匀化光斑的同时，保证聚焦点光斑能量分布均匀性与形状。

附图说明

图1为本发明的整体镜片结构示意图；

图2为本发明的光路传输实施例；

图3为本发明第二片离轴抛物镜加工转轴示意图。

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。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种全反射式消光晕光束匀化光学系统，包括第一片双曲面反射镜1、第一片离轴抛物镜2、第一片曲面反射镜阵列3、第二片曲面反射镜阵列4、第二片离轴抛物镜5以及第二片双曲面反射镜6，且第一片双曲面反射镜1、第一片离轴抛物镜2、第一片曲面反射镜阵列3、第二片曲面反射镜阵列4、第二片离轴抛物镜5以及第二片双曲面反射镜6镜片均为90°光束偏转角，第一片双曲面反射镜1、第一片离轴抛物镜2、第一片曲面反射镜阵列3、第二片曲面反射镜阵列4、第二片离轴抛物镜5以及第二片双曲面反射镜6镜片中心对称面共面。其中，第一片双曲面反射镜1与第一片离轴抛物镜2、第二片离轴抛物镜5与第二片双曲面反射镜6镜面中心法线对应相互垂直，第一片离轴抛物镜2、第一片曲面反射镜阵列3、第二片曲面反射镜阵列4以及第二片离轴抛物镜5镜面中心法线彼此相互平行。

本发明中，第一片双曲面反射镜1、第一片离轴抛物镜2、第一片曲面反射镜阵列3、第二片曲面反射镜阵列4、第二片离轴抛物镜5以及第二片双曲面反射镜6均为圆柱状斜面反射镜。

本发明中，所述第一片双曲面反射镜1、第一片离轴抛物镜2、第二片离轴抛物镜5以及第二片双曲面反射镜6均为凹面反射镜。所述第一片曲面反射镜阵列3、第二片曲面反射镜阵列4均为凹面型阵列。

本发明中，所述第一片双曲面反射镜1、第一片离轴抛物镜2、第一片曲面反射镜阵列3、第二片曲面反射镜阵列4、第二片离轴抛物镜5以及第二片双曲面反射镜6均带水冷通道。

实施例：

第一片双曲面反射镜1远焦点与第一片离轴抛物镜2焦点重合，光纤输出类激光出光点7与第一片双曲面反射镜1近焦点重合，在光纤输出类激光正入射下，经过第一片双曲面反射镜1反射并发散，发散光束再经过第一片离轴抛物镜2，反射形成准直光束，且准直光束圆度不变，取决于入射光源。第一片曲面反射镜阵列3与第二片曲面反射镜阵列4有相同的阵列单元尺寸，第一片曲面反射镜阵列3的阵列单元焦距与第二片曲面反射镜阵列4的阵列单元焦距比值大于1，各阵列单元一一对应，两镜片中心间距取决于第二片曲面反射阵列4的阵列单元焦距，在准直光束入射下，第一片曲面反射镜阵列3的阵列单元将光束分割反射并聚焦，各分割聚焦光束由第二片曲面反射镜阵列4对应的阵列单元再次反射汇聚后，依次经过第二片离轴抛物镜5以及第二片双曲面反射镜6，并反射聚焦到第二片双曲面反射镜6近焦距8处形成消光晕匀化光斑。其中，第二片离轴抛物镜5焦点与第二片双曲面反射镜6远焦点重合。

在上述实施例中，第一片曲面反射镜阵列3与第二片曲面反射镜阵列4可以是一维带状曲面反射镜阵列，也可以是二维矩形曲面反射镜阵列，甚至可以是其他类型的反射阵列。

对于一维带状曲面反射镜阵列，近焦距8处的光斑宽度可以通过第二片离轴抛物镜5的特殊加工实现。具体的，转轴9为第二片离轴抛物镜5抛物面中心转轴，转轴10、转轴11则分别为离轴转轴，通过采用转轴10或转轴11的离轴转轴加工方式，即可改变近焦距8处的光斑宽度，宽度的多少取决于第一片双曲面反射镜1、第一片离轴抛物镜2、第二片双曲面反射镜6焦距参数以及激光器参数、第二片离轴抛物镜5离轴转轴间距。近焦距8处的光斑匀化长度则可以通过改变第一片曲面反射镜阵列3与第二片曲面反射镜阵列4阵列单元宽度、焦距等来实现。

本发明结构设计新颖，采用全反射式消光晕光束匀化光学系统，基于双曲面镜与离轴抛物镜组合特性，基于双片反射镜阵列光束匀化整形及消光晕特性，基于金属镜片的直接水冷与良好导热性，适用于光纤输出类激光束匀化整形，尤其在万瓦级高功率大光纤芯径的光纤输出类激光器光束匀化更具优势，可大幅提升激光熔覆、淬火等激光加工应用性能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种全反射式消光晕光束匀化光学系统,其特征在于：包括第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜，且第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜镜片均为90°光束偏转角，第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜镜片中心对称面共面。其中，所述第一片双曲面反射镜与第一片离轴抛物镜、第二片离轴抛物镜与第二片双曲面反射镜镜面中心法线对应相互垂直，所述第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列以及第二片离轴抛物镜镜面中心法线彼此相互平行。

2.根据权利要求1所述的一种全反射式消光晕光束匀化光学系统，其特征在于：所述第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜均为圆柱状斜面反射镜。

3.根据权利要求1所述的一种全反射式消光晕光束匀化光学系统，其特征在于：所述第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜均为凹面反射镜。

4.根据权利要求1所述的一种全反射式消光晕光束匀化光学系统，其特征在于：所述第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列均为凹面型阵列。

5.根据权利要求1所述的一种全反射式消光晕光束匀化光学系统，其特征在于：所述第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜均带水冷通道。