CN108508595A - 一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统，包括消像差准直镜组、第一圆楔形镜、第二圆楔形镜、第三圆楔形镜、第四圆楔形镜及消像差聚焦镜组；第二圆楔形镜的楔形面与第一圆楔形镜的楔形面相背或相对设置；第三圆楔形镜的楔形面与第四圆楔形镜的楔形面相对设置；消像差准直镜组、第一圆楔形镜、第二圆楔形镜、第三圆楔形镜、第四圆楔形镜以及消像差聚焦镜组为中心轴同轴的圆柱状，且第一圆楔形镜、第二圆楔形镜、第三圆楔形镜及第四圆楔形镜均可绕中心轴旋转。本发明提供的基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统适用于高功率光纤激光切割应用，可大幅提升中厚板材的切割速度与质量，并有效提高板材切割断面与板面的垂直度。

Description

一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统

技术领域

本发明涉及高功率激光切割技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统。

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，其中又以光纤激光切割为首要。光纤激光器除了光束质量好以外，由于光纤柔韧性以及对近红外光束有很好的耦合输出，使得光纤激光器市场占有率日益突出。目前光纤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，甚至于十万瓦级也已经现世，让光纤激光各类加工工艺越加普遍化。

光纤激光切割头一般为定焦切割头，也就是准直镜焦距与聚焦镜焦距固定，通过换不同焦距的聚焦镜方式来实现不同厚度板材的切割。不过随着激光功率的增加，ZOOM光学系统也逐渐应用于光纤激光切割头上，原因之一是对于不同厚度、材料的板材，理论上对应一组最佳的焦距配置与切割工艺，以替换聚焦镜的方式，通常效果并未达到最佳，ZOOM光学系统的出现，实现了一套光路替换多组镜片组合的情况。

众所周知，对于中厚板材的切割，一般采用离焦切割工艺，比如中厚碳钢采用正离焦加工方式，中厚不锈钢则采用负离焦加工方式，且通常情况下，离焦量均不小，往往超出了聚焦光束焦深范畴。原因之一是板材较厚时，焦点附近光斑较小，切缝太细，切割气体或辅助气体在切割过程中无法完全对板材达到预期作用，以至于切割断面差或无法切割等现象出现。对于ZOOM光学系统而言，中厚板材的切割也受上述工艺制约，换句话说，ZOOM光学系统虽然具备焦点光斑大小连续可调，但在使用上主要还是利用了聚焦光束发散角可调这一特性。

另外，离焦切割工艺虽然能够满足中厚板，也能够实现相对尚可的切割断面，但是由于离焦后光束发散性，在与切割气体或辅助气体配合做切割时通常会出现板材切割断面与板面不垂直的现象，有较大斜角，这对于激光切割要求越来越高的市场而言，具有一定的局限性。

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适用于高功率光纤激光切割应用的基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统。

为了实现上述目的，本发明公开了一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统，包括从物侧到像侧顺序布置的消像差准直镜组、第一圆楔形镜、第二圆楔形镜、第三圆楔形镜、第四圆楔形镜以及消像差聚焦镜组；

其中，所述第二圆楔形镜的楔形面与所述第一圆楔形镜的楔形面相背或相对设置；

所述第三圆楔形镜的楔形面与所述第四圆楔形镜的楔形面相对设置；

所述消像差准直镜组、所述第一圆楔形镜、所述第二圆楔形镜、所述第三圆楔形镜、所述第四圆楔形镜以及所述消像差聚焦镜组为中心轴同轴的圆柱状，且所述第一圆楔形镜、所述第二圆楔形镜、所述第三圆楔形镜及所述第四圆楔形镜均可绕该中心轴进行旋转。

优选地，所述消像差准直镜组为消像差球面准直镜组，所述消像差聚焦镜组为消像差球面聚焦镜组。

优选地，所述第一圆楔形镜的楔角与所述第二圆楔形镜的楔角相同，且均不大于2°。

优选地，所述第一圆楔形镜的两侧镜面与所述第二圆楔形镜的两侧镜面均为平面，且以相同的转速进行同向旋转。通过调整第一圆楔形镜和第二圆楔形镜的初始相位角，实现聚焦平面扫描图形从点到圆的连续可调，通过第一圆楔形镜、第二圆楔形镜初始相位角配合及旋转来实现焦点位置画圆并控制扫描圆大小。

优选地，所述第三圆楔形镜的楔角与所述第四圆楔形镜的楔角相同，且均为5°-20°。

优选地，所述第三圆楔形镜的两侧镜面与所述第四圆楔形镜的两侧镜面均为平面，所述第三圆楔形镜的楔形面与所述第四圆楔形镜的楔形面平行设置，且所述第四圆楔形镜可相对于所述第三圆楔形镜进行前后运动，以调节所述第四圆楔形镜与所述第三圆楔形镜之间的间距，所述第三圆楔形镜、所述第四圆楔形镜、所述第二圆楔形镜以及所述第一圆楔形镜以相同的转速进行同向旋转。通过调整第三圆楔形镜和第四圆楔形镜的间距实现聚焦光束与中心光轴锥角连续可调，通过第三圆楔形镜、第四圆楔形镜组合初始相位角与第一圆楔形镜、第二圆楔形镜组合初始相位角配合及旋转实现聚焦光束与光路系统中心轴的锥角可变，实现聚焦光束中心轴与光路系统中心轴共面与异面的调节，同时不改变聚焦平面扫描圆大小。

优选地，所述消像差准直镜组、所述第一圆楔形镜、所述第二圆楔形镜、所述第三圆楔形镜、所述第四圆楔形镜以及所述消像差聚焦镜组均为熔融石英材料。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明提供的基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统的结构设计新颖，通过第一圆楔形镜、第二圆楔形镜初始相位角配合及旋转来实现焦点位置画圆并控制扫描圆大小，第三圆楔形镜、第四圆楔形镜间距可调并与第一圆楔形镜、第二圆楔形镜组合初始相位角配合及旋转实现聚焦光束与光路系统中心轴的锥角可变，聚焦光束中心轴与光路系统中心轴共面与异面的调整，同时不改变聚焦平面扫描圆大小，适用于高功率光纤激光切割应用，尤其相对于传统定焦光学系统及ZOOM光学系统可大幅提升中厚板材的切割速度与质量，并有效提高板材切割断面与板面的垂直度。

2、本发明提供的基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统的第一圆楔形镜、第二圆楔形镜、第三圆楔形镜及第四圆楔形镜同向旋转且转速相同，不需要复杂的驱动程序对镜片进行驱动，降低了驱动难度，同时电机数量可以更少，甚至于一台特殊定制的中空电主轴即可完成该功能，有助于降低机械设计复杂度。

3、本发明提供的基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统的第一圆楔形镜、第二圆楔形镜、第三圆楔形镜及第四圆楔形镜之间的配合，实现了聚焦平面上光斑从点到圆的连续可调，同时也实现了聚焦段光束中心轴与光路系统中心轴锥度可调，聚焦光束中心轴与光路系统中心轴共面与异面同时也可做调整，极大程度上为激光切割工艺优化提供了有效的光学调节维度。

4、本发明提供的基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统的第一圆楔形镜、第二圆楔形镜、第三圆楔形镜及第四圆楔形镜保持一定初始相位组合不动时，不影响中厚板材的穿孔；在第一圆楔形镜、第二圆楔形镜、第三圆楔形镜及第四圆楔形镜配合高频旋转扫描时，聚焦光束在时域上实现了环形光束性质，不再需要采用大幅离焦切割方式，突破传统中厚板材的激光切割工艺。由于焦点及焦深段附近能量密度非常集中，采用此光束段做激光切割有助于大幅提高不同厚度板材的切割速度，同时由于聚焦段锥度可调，针对不同的板材做不同的调节，有助于改善板材切割断面与板面的垂直度。

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为本发明所述的基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统的光学元件的布置图。

图2为本发明所述的基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统的光束传输过程示意图。

图3为本发明所述的基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统聚焦光束段锥度调节示意图。

图4为本发明所述的基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统扫描配合机床直线运动下的光斑轨迹示意图。

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，本发明提供了一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统，包括消像差准直镜组1、第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3、第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5以及消像差聚焦镜组6。其中，第一圆楔形镜2与第二圆楔形镜3楔形面相背或相对，第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5楔形面相对，第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3、第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5均可绕中心轴旋转；消像差准直镜组1、消像差聚焦镜组6可换为消像差球面镜，所有镜片为圆柱状且圆柱中心轴同轴。

本发明中，所述第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3楔角相同且≤2°，所述第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3的两边镜面为平面，同向旋转且转速相同，通过调整第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3初始相位角实现聚焦平面扫描图形从点到圆的连续可调。

本发明中，所述第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5楔角相同且在5°-20°范围，第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5的两边镜面为平面，第三圆楔形镜4的楔形面、第四圆楔形镜5的楔形面平行放置，第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5与第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3同向旋转且转速相同，通过调整第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5间距实现聚焦光束与中心光轴锥角连续可调，通过第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5组合初始相位角与第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3组合初始相位角配合实现聚焦光束中心轴与光路系统中心轴共面与异面的调节。

本发明中，所述消像差准直镜组1、第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3、第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5以及消像差聚焦镜6组均为熔融石英材料。

如图2所示，本发明公开的光学系统的光束传输过程为：光纤激光器自出光点7输出发散光束，经过消像差准直镜组1准直形成准直光束，准直光束入射到第一圆楔形镜2后，第一圆楔形镜2对准直光束进行折射，准直光束的传输方向发生偏移，偏移准直光束由第二圆楔形镜3二次折射，光束方向再一次发生偏移，如此依次又通过第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5折射后，最终由消像差聚焦镜组6聚焦到一点。当第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3、第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5同向同速旋转时，聚焦光束形成旋转光束，并在聚焦平面8上形成扫描中心直径≥0mm的光斑。若调整第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3之间的初始相位角，则焦平面8上的扫描光斑尺寸发生变化；若调整第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5间距，则聚焦光束段中心轴与光路系统中心轴锥角发生变化；若调整第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5组合初始相位角与第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3组合初始相位角之间的相位差，则聚焦光束段中心轴与光路系统中心轴会出现共面与异面的变化。

如图3所示，在第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5组合初始相位角与第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3组合初始相位角相同时，通过调整第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5间距，聚焦光束段可实现A、B、C三种锥角。

如图4所示，在光路系统的第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3、第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5高频同向同速旋转实现圆形光斑扫描下，配合外界机床直线运动，实现直线螺旋型扫描切割方式。其他形状的切割方式类似，通过本发明光路系统圆形扫描结合外界机床运动画图的方式实现。

本发明结构设计新颖，通过第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3初始相位角配合及旋转来实现焦点位置画圆并控制扫描圆大小，第三圆楔形镜4、第四圆楔形镜5间距可调并与第一圆楔形镜2、第二圆楔形镜3组合初始相位角配合及旋转实现聚焦光束与光路系统中心轴的锥角可变，聚焦光束中心轴与光路系统中心轴共面与异面的调整，同时不改变聚焦平面扫描圆大小，适用于高功率光纤激光切割应用，尤其相对于传统定焦光学系统及ZOOM光学系统可大幅提升中厚板材的切割速度与质量，并有效提高板材切割断面与板面的垂直度。

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 (7)

1.一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统，其特征在于，包括从物侧到像侧顺序布置的消像差准直镜组、第一圆楔形镜、第二圆楔形镜、第三圆楔形镜、第四圆楔形镜以及消像差聚焦镜组；

其中，所述第二圆楔形镜的楔形面与所述第一圆楔形镜的楔形面相背或相对设置；

所述第三圆楔形镜的楔形面与所述第四圆楔形镜的楔形面相对设置；

所述消像差准直镜组、所述第一圆楔形镜、所述第二圆楔形镜、所述第三圆楔形镜、所述第四圆楔形镜以及所述消像差聚焦镜组为中心轴同轴的圆柱状，且所述第一圆楔形镜、所述第二圆楔形镜、所述第三圆楔形镜及所述第四圆楔形镜均可绕该中心轴进行旋转。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统，其特征在于，所述消像差准直镜组为消像差球面准直镜组，所述消像差聚焦镜组为消像差球面聚焦镜组。

3.根据权利要求1所述的一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统，其特征在于，所述第一圆楔形镜的楔角与所述第二圆楔形镜的楔角相同，且均不大于2°。

4.根据权利要求1所述的一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统，其特征在于，所述第一圆楔形镜的两侧镜面与所述第二圆楔形镜的两侧镜面均为平面，且以相同的转速进行同向旋转。

5.根据权利要求1所述的一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统，其特征在于，所述第三圆楔形镜的楔角与所述第四圆楔形镜的楔角相同，且均为5°-20°。

6.根据权利要求1所述的一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统，其特征在于，所述第三圆楔形镜的两侧镜面与所述第四圆楔形镜的两侧镜面均为平面，所述第三圆楔形镜的楔形面与所述第四圆楔形镜的楔形面平行设置，且所述第四圆楔形镜可相对于所述第三圆楔形镜进行前后运动，以调节所述第四圆楔形镜与所述第三圆楔形镜之间的间距，所述第三圆楔形镜、所述第四圆楔形镜、所述第二圆楔形镜以及所述第一圆楔形镜以相同的转速进行同向旋转。

7.根据权利要求1所述的一种基于旋转四光楔激光扫描切割光学系统，其特征在于，所述消像差准直镜组、所述第一圆楔形镜、所述第二圆楔形镜、所述第三圆楔形镜、所述第四圆楔形镜以及所述消像差聚焦镜组均为熔融石英材料。