CN108427205A - 一种透反式宽度可调消光晕匀化光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透反式宽度可调消光晕匀化光学系统，包括从物侧到像侧顺序布置且中心轴共面的消像差准直镜组、第一曲型柱面反射镜阵列、第二曲型柱面反射镜阵列、第一柱面透镜及第二柱面透镜；其中，所述消像差准直镜组的中心轴垂直于所述第一曲型柱面反射镜阵列柱面的中心轴；所述第一曲型柱面反射镜阵列、所述第二曲型柱面反射镜阵列均为90°光束偏转角，且反射镜面法线相互平行；所述第一柱面透镜的中心轴、所述第二柱面透镜的中心轴与所述消像差准直镜组的中心轴平行。本发明提供的光学系统适用于光纤输出类激光束匀化整形，可大幅降低激光淬火边缘及多道搭接弱化带宽度，并最大限度提高激光淬火深度与效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光淬火光束匀化整形技术领域，更具体地说，本发明涉及一种透反式宽度可调消光晕匀化光学系统。
背景技术
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，尤其是半导体激光器，因本身光束质量较差，即便是较低功率下光纤芯径也相对较大，同时光束发散角也比普通的光纤激光器大了许多，这给激光熔覆、淬火等一些激光加工应用的光学系统提高了难度。
在激光加工应用中，激光熔覆特别是激光淬火，通常会采用平顶光束进行作业。众所周知，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，波导整形因光吸收较大，在高功率激光加工上严重受限，透镜阵列及二元光学元件整形等透射式镜片，一般采用熔融石英材料，由于石英材料硬而脆，加工难度较金属材料大了许多，对应的加工成本也就增加了不少。
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，常规的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。
因为，激光淬火除了对匀化平顶光束均匀性有要求外，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，即弱化带。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，这不利于激光淬火。
同时，激光淬火中匀化光斑宽度影响着材料的淬火深度，匀化光斑太宽或太窄，都不利于激光淬火深度与效率的平衡，其中一定的宽度范围，是非常适合于提升材料淬火深度及效率的。另外，市面上众多激光淬火加工头，一般都采用了双向匀化光斑，其与单向匀化光斑相比较，除了峰值功率密度较低，不利于提高激光淬火效率以外，同时容易导致淬火带深度不一致，往往是中心深边缘浅。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供了一种可大幅降低激光淬火边缘及多道搭接弱化带宽度，并最大限度提高激光淬火深度与效率的透反式宽度可调消光晕匀化光学系统。
为了实现上述目的，本发明公开了一种透反式宽度可调消光晕匀化光学系统，包括从物侧到像侧顺序布置且中心轴共面的消像差准直镜组、第一曲型柱面反射镜阵列、第二曲型柱面反射镜阵列、第一柱面透镜及第二柱面透镜；
其中，所述消像差准直镜组的中心轴垂直于所述第一曲型柱面反射镜阵列柱面的中心轴；
所述第一曲型柱面反射镜阵列、所述第二曲型柱面反射镜阵列均为90°光束偏转角，且反射镜面法线相互平行；
所述第一柱面透镜的中心轴、所述第二柱面透镜的中心轴与所述消像差准直镜组的中心轴平行。
优选地，所述消像差准直镜组为熔融石英材料的圆形镜片的组合，所述消像差准直镜组为消像差球面镜组。
优选地，所述第一曲型柱面反射镜阵列、第二曲型柱面反射镜阵列均为金属材料且具有水冷通道的圆柱状斜面反射镜，所述第一曲型柱面反射镜阵列与所述第二曲型柱面反射镜阵列的各个阵列单元均为宽度相同的柱状凹形曲面；
所述第一曲型柱面反射镜阵列的各个阵列单元沿所述第一曲型柱面反射镜阵列中心轴方向对齐放置，所述阵列单元分界线垂直于所述第一曲型柱面反射镜阵列对称面；
所述第二曲型柱面反射镜阵列的各个阵列单元沿所述第二曲型柱面反射镜阵列中心轴方向对齐放置，所述阵列单元分界线垂直于所述第二曲型柱面反射镜阵列对称面。
优选地，所述第一柱面透镜与所述第二柱面透镜均为熔融石英材料的矩形镜片，所述第一柱面透镜的聚焦线垂直于所述第一曲型柱面反射镜阵列对称面，第二柱面透镜的聚焦线平行于所述第一曲型柱面反射镜阵列对称面。
优选地，所述第一柱面透镜固定，第二柱面透镜可相对于所述第一柱面透镜移动。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明提供的透反式宽度可调消光晕匀化光学系统的结构设计新颖，采用双片式曲型柱面反射阵列实现聚焦光斑单向匀化并消除匀化方向光晕，同时基于柱面透镜线聚焦特性，基于第二柱面透镜沿光轴可调以改变聚焦光斑宽度特性，基于金属镜片的直接水冷、良好导热性，基于单向匀化光斑特性，适用于光纤输出类激光束匀化整形，尤其在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，可大幅降低激光淬火边缘及多道搭接弱化带宽度，并最大限度提高激光淬火深度与效率。
2、本发明提供的透反式宽度可调消光晕匀化光学系统采用双片曲型柱面反射镜阵列对激光束进行匀化整形，除了能实现聚焦光斑单向匀化外，还能降低甚至消除光纤输出类激光器参数、准直聚焦配比等所引起的光晕，从而改善激光淬火弱化带问题；另外，两个曲型柱面反射镜阵列均为金属材质，内置水冷通道，属于直接水冷，在高功率激光加工应用上非常稳定。
3、本发明提供的透反式宽度可调消光晕匀化光学系统采用双片聚焦线相互垂直的柱面透镜对光束进行双向聚焦，在第一柱面透镜焦平面获得单向匀化条形光斑，通过第二柱面透镜沿光轴方向移动控制匀化条形光斑的宽度，有助于提高材料的淬火深度与效率，同时由于聚焦光斑为单向匀化光斑，长度方向为平顶分布，宽度方向为高斯或近似高斯分布，可大幅改善甚至消除常规双向匀化光斑下的中心与边缘淬火深度不一致问题。
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为本发明所述的透反式宽度可调消光晕匀化光学系统的光学元件的布置图。
图2为本发明所述的透反式宽度可调消光晕匀化光学系统的光束传输示意图。
图3为本发明所述的透反式宽度可调消光晕匀化光学系统的第一曲型柱面反射镜阵列的结构示意图。
图4为本发明所述的透反式宽度可调消光晕匀化光学系统的聚焦匀化光斑宽度调节示意图。
图5为本发明所述的透反式宽度可调消光晕匀化光学系统的单向匀化光斑长度方向能量密度分布示意图；
图6为本发明所述的透反式宽度可调消光晕匀化光学系统的单向匀化光斑宽度方向能量密度分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供了一种透反式宽度可调消光晕匀化光学系统，包括消像差准直镜组1、第一曲型柱面反射镜阵列2、第二曲型柱面反射镜阵列3、第一柱面透镜4及第二柱面透镜5。其中，消像差准直镜组1的中心轴垂直于第一曲型柱面反射镜阵列2柱面中心轴，第一曲型柱面反射镜阵列2、第二曲型柱面反射镜阵列3均为90°光束偏转角且反射镜面法线相互平行，第一柱面透镜4、第二柱面透镜5中心轴与消像差准直镜组1中心轴平行，消像差准直镜组1、第一曲型柱面反射镜阵列2、第二曲型柱面反射镜阵列3、第一柱面透镜4及第二柱面透镜5的中心轴共面。
本发明中，所述消像差准直镜组1为圆形镜片组合且可替换为消像差球面镜组，熔融石英材料。
本发明中，如图3所示，所述第一曲型柱面反射镜阵列2、第二曲型柱面反射镜阵列3均为圆柱状斜面反射镜，并且为了提高导热散热效果，本发明指出的第一曲型柱面反射镜阵列2、第二曲型柱面反射镜阵列3均为金属材料，并带水冷通道，镜面各阵列单元为柱状凹形曲面，宽度相同并一一沿柱面中心轴方向对齐放置，阵列单元分界线垂直于镜片对称面。
本发明中，所述第一柱面透镜4、第二柱面透镜5均为矩形镜片，且为熔融石英材料，第一柱面透镜4聚焦线垂直于所述第一曲型柱面反射镜阵列2对称面，第二柱面透镜5聚焦线平行于所述第一曲型柱面反射镜阵列2对称面。
本发明中，所述第一柱面透镜4的位置固定，第二柱面透镜5可沿光轴方向移动，实现第一柱面透镜4焦平面上匀化光斑宽度连续可调。
如图2所示，本发明所述的光学系统的光束传输过程为：在高功率光纤输出类激光器出光点6正入射下，发散光束经过消像差准直镜组1获得准直光束，准直光束垂直于第一曲型柱面反射镜阵列2圆柱中心轴入射到第一曲型柱面反射镜阵列2上，由第一曲型柱面反射镜阵列2的阵列单元将入射的准直光束分割成多道光束并分别单向汇聚，单向汇聚的光束群依次入射到第二曲型柱面反射镜阵列3对应的阵列单元后，每道光束先汇聚成线光斑后发散，并依次经过第一柱面透镜4、第二柱面透镜5在第一柱面透镜4的焦平面7上形成单向匀化光斑。
其中，如图3所示，第二曲型柱面反射镜阵列3与第一曲型柱面反射镜阵列2的结构相类似；如图4所示，在第二柱面透镜5沿着光轴移动时，第一柱面透镜4的焦平面7上单向匀化光斑宽度发生变化；如图5和图6所示，焦平面7上的单向匀化光斑其长向为平顶分布，宽向为高斯或类似高斯分布。
本发明提供的光学系统的结构设计新颖，采用双片式曲型柱面反射阵列实现聚焦光斑单向匀化并消除匀化方向光晕，同时基于柱面透镜线聚焦特性，基于第二柱面透镜沿光轴可调以改变聚焦光斑宽度特性，基于金属镜片的直接水冷、良好导热性，基于单向匀化光斑特性，适用于光纤输出类激光束匀化整形，尤其在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，可大幅降低激光淬火边缘及多道搭接弱化带宽度，并最大限度提高激光淬火深度与效率。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节与这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.一种透反式宽度可调消光晕匀化光学系统，其特征在于，包括从物侧到像侧顺序布置且中心轴共面的消像差准直镜组、第一曲型柱面反射镜阵列、第二曲型柱面反射镜阵列、第一柱面透镜及第二柱面透镜；
其中，所述消像差准直镜组的中心轴垂直于所述第一曲型柱面反射镜阵列柱面的中心轴；
所述第一曲型柱面反射镜阵列、所述第二曲型柱面反射镜阵列均为90°光束偏转角，且反射镜面法线相互平行；
所述第一柱面透镜的中心轴、所述第二柱面透镜的中心轴与所述消像差准直镜组的中心轴平行。
2.根据权利要求1所述的一种透反式宽度可调消光晕匀化光学系统，其特征在于，所述消像差准直镜组为熔融石英材料的圆形镜片的组合，所述消像差准直镜组为消像差球面镜组。
3.根据权利要求1所述的一种透反式宽度可调消光晕匀化光学系统，其特征在于，所述第一曲型柱面反射镜阵列、第二曲型柱面反射镜阵列均为金属材料且具有水冷通道的圆柱状斜面反射镜，所述第一曲型柱面反射镜阵列与所述第二曲型柱面反射镜阵列的各个阵列单元均为宽度相同的柱状凹形曲面；
所述第一曲型柱面反射镜阵列的各个阵列单元沿所述第一曲型柱面反射镜阵列中心轴方向对齐放置，所述阵列单元分界线垂直于所述第一曲型柱面反射镜阵列对称面；
所述第二曲型柱面反射镜阵列的各个阵列单元沿所述第二曲型柱面反射镜阵列中心轴方向对齐放置，所述阵列单元分界线垂直于所述第二曲型柱面反射镜阵列对称面。
4.根据权利要求1所述的一种透反式宽度可调消光晕匀化光学系统，其特征在于，所述第一柱面透镜与所述第二柱面透镜均为熔融石英材料的矩形镜片，所述第一柱面透镜的聚焦线垂直于所述第一曲型柱面反射镜阵列对称面，第二柱面透镜的聚焦线平行于所述第一曲型柱面反射镜阵列对称面。
5.根据权利要求1所述的一种透反式宽度可调消光晕匀化光学系统，其特征在于，所述第一柱面透镜固定，第二柱面透镜可相对于所述第一柱面透镜移动。
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|---|---|---|---|---|
| CN111258076A (zh) * | 2018-11-30 | 2020-06-09 | 福州高意光学有限公司 | 一种可实现激光光束匀化功能的光学系统 |
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