CN110119011A - 激光镜头及具有该激光镜头的激光输出头、激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光镜头，包括：窗口片固定件，包括多个弹片，每个弹片的尾端具有凸起；窗口片，固定在窗口片固定件内；一对垫圈，包括第一垫圈和第二垫圈，窗口片固定在第一垫圈和第二垫圈之间；第一弹簧圈，压在第二垫圈上进而压紧窗口片；以及端帽固定组件，所述端帽固定组件自弹片插入窗口片固定件，并卡固在所述凸起，以将所述端帽固定件固定于所述窗口片固定件。此外，本发明还提供一种具有上述激光镜头的激光输出头及激光器。采用本发明，能够使激光镜头承受高频震动以及高功率切割，且窗口片固定件可以在窗口片脏污受损后进行整体插拔替换，使用方便。

Description

激光镜头及具有该激光镜头的激光输出头、激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光镜头及具有该激光镜头的激光输出头、激光器。

背景技术

高功率激光镜头作为保护激光输出端帽，能够避免因激光输出端帽的输出端面脏污而导致激光输出端帽直接被高功率激光烧坏，一般都会在激光输出端帽前再加一个窗口片，便于清洁和替换，但是如何固定窗口片是困扰各大激光器厂商的一大难题。此外，随着激光器的输出功率越来越高，常规的窗口片和端帽用点胶的方式与结构件固定，但是由于胶水在高温下极易软化、挥发甚至碳化，已无法适用于更高功率的激光输出。特别是在高反切割时，回返光在镜头件和端帽固定件上产生100多度的高温。

石英端帽与端帽固定件之间若直接抱紧或高温焊锡等方式固定，则会由于石英端帽的热膨胀系数小，而金属结构件的热膨胀系数比石英端帽热膨胀系数高两个数量级，导致高低温环境下，脆性的石英端帽极易被挤裂。

而通过两个金属件螺纹压紧窗口片以及镜头件与端帽固定件以螺纹拧紧的方式，则激光镜头在工作时会产生高频振动，致使螺纹在高频振动时极易产生碎屑，即使加上胶圈，也很难保证碎屑不会被震动到石英端帽与窗口片之间，在高功率激光下极易造成石英端帽烧出白点，继续通高功率激光，则导致端帽烧坏，甚至向后蔓延烧坏整台激光器。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种激激光镜头及具有该激光镜头的激光输出头及激光器，旨在解决固定窗口片的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种激光镜头，包括：

窗口片固定件，包括多个弹片，每个所述弹片的尾端具有凸起；

窗口片，固定在所述窗口片固定件内；

一对垫圈，包括第一垫圈和第二垫圈，所述窗口片固定在所述第一垫圈和所述第二垫圈之间；

第一弹簧圈，所述第一弹簧圈通过压在所述第二垫圈上进而压紧所述窗口片；以及

端帽固定组件，所述端帽固定组件自所述弹片插入所述窗口片固定件，并卡固在所述凸起，以将所述端帽固定件固定于所述窗口片固定件。

可选的，所述窗口片固定件大致呈空心圆柱体，其包括主体、位于所述主体一端的第一端面以及位于所述主体另一端的第二端面，所述弹片自所述第二端面朝向远离所述第一端面的方向延伸形成。

可选的，所述主体自所述第一端面朝所述第二端面的方向设有：窗口片槽、第一弹簧圈槽以及第一斜导槽，其中，

所述窗口片槽，用于收容所述窗口片；

所述第一弹簧圈槽，位于所述窗口片远离所述第一端面的一侧，且所述第一弹簧圈槽的直径大于所述窗口片槽的直径；

所述第一斜导槽，用于将所述第一弹簧圈导入到所述第一弹簧圈槽，且所述第一斜导槽的最小直径与所述窗口片槽的直径相同。

可选的，所述第一端面的中心处设有中心孔，所述中心孔的孔径D满足以下公式：

D＝NA×(L/1.45+l)×2×1.5+d

其中，NA为光纤的数值孔径，L为端帽长度，l为端帽到反光光阑孔距离，d为光纤纤芯直径。

可选的，所述端帽固定件包括：端帽固定件以及固定在所述端帽固定件内的端帽、第三垫圈、反光光阑、第四垫圈和第二弹簧圈，所述第三垫圈位于所述端帽和所述反光光阑之间，所述第四垫圈位于所述反光光阑和所述第二弹簧圈之间，通过所述第二弹簧圈压紧所述反光光阑进而压紧所述端帽。

可选的，所述端帽固定件的内壁依次设有第二斜导槽、第二弹簧圈槽、光阑槽、端帽槽、限位凸台、第一挡光凸台、第二挡光凸台及光纤孔，其中，

所述第二斜导槽，用于将所述第二弹簧圈导入所述第二弹簧圈槽；

所述光阑槽，用于收容所述反光光阑；

所述端帽槽，用于收容所述端帽；

所述限位凸台，位于所述端帽槽远离所述第二斜导槽的一侧，并将所述端帽压紧在所述端帽槽内。

可选的，所述端帽固定件的外表面的预设位置处分别向内凹陷形成胶圈槽和限位槽，且在所述胶圈槽和所述限位槽之间的所述外表面为倾斜的表面。

可选的，所述第一弹簧圈、所述第二弹簧圈的压缩力满足以下公式：

F＝f×G×d^4/(8×n×D^3)

其中，f为所述第一弹簧圈的压缩变形量，G为所述第一弹簧圈材料的切变模量，d为所述第一弹簧圈的线径，D为所述第一弹簧圈的中径，n为所述第一弹簧圈的圈数。

可选的，所述第一弹簧圈的参数满足以下范围：6≤N≤10，1.5mm≤b≤3mm，0.2mm≤H≤0.35nn，0.2mm≤a≤0.5mm，3mm≤L≤10mm。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种激光输出头，包括上述的激光镜头。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种激光器，包括上述的激光镜头。

本发明提出的激光镜头及具有该激光镜头的激光输出头及激光器，窗口片固定在第一垫圈和第二垫圈之间，且第一弹簧圈压在第二垫圈上进而压紧窗口片，弹片的凸起将端帽固定组件卡固在端口片固定件上，能够使激光镜头承受高频震动以及高功率切割，且窗口片固定件可以在窗口片脏污受损后进行整体插拔替换，使用方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明较佳实施例提供的激光镜头的立体示意图，所述激光镜头包括窗口片固定组件和端帽固定组件；

图2为图1中激光镜头的截面示意图；

图3为图1中窗口片固定组件的立体示意图；

图4为图3中窗口片固定组件的截面示意图；

图5为本发明较佳实施例中第一弹簧圈的结构示意图；

图6为图1中端帽固定组件的立体示意图；

图7为图6中端帽固定组件的截面示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

如图1及图2所示，图1为本发明较佳实施例提供的激光镜头的立体结构示意图，图2为图1中激光镜头的剖面结构示意图。所述激光镜头包括：窗口片固定组件10和固定于窗口片固定组件10的端帽固定组件20。其中，

窗口片固定组件10包括：窗口片固定件11以及固定在窗口片固定件11上的窗口片12、第一垫圈13、第二垫圈14和第一弹簧圈15。其中，窗口片12固定在第一垫圈13和第二垫圈14之间。

窗口片固定件11采用磷铜或铍铜等具有弹性且具有高导热性能的材料，表面镀金，金层厚度大于0.5微米，打底用的镀镍层优选亮镍，镀金后金层的亮度更高，反射率也更高。在保证镀金层牢固的前提下，镀金层厚度越厚，能够承受的激光损伤阈值就越高，优选的，镀金层厚度0.5微米-2微米。

具体的，如图3及图4所示，图3为窗口片固定件11的立体图，图4为图3中窗口片固定件11的剖面结构示意图。窗口片固定件11包括主体111、位于主体111一端的第一端面112、位于主体111另一端的第二端面113及多个弹片114。窗口片固定件11大致呈空心圆柱体，主体111为圆柱体的侧面。第一端面112自主体111的一端延伸形成，类似于圆柱体的圆面。第二端面113位于主体111上远离第一端面112的一端。多个弹片114分别自第二端面113朝向远离第一端面112的方向延伸形成，且相邻两个弹片114之间具有一定的间隙。多个弹片114所形成的柱面的内径与主体111的内径相同，且与主体111同轴。第一垫圈13位于第一端面112和窗口片12之间，也就是说，第一垫圈13与窗口片固定件11第一端面112的距离小于第二垫圈14与窗口片固定件11端部的距离。第一弹簧圈15压在第二垫圈14远离窗口片12的一侧上。

更具体的，窗口片固定件11的第一端面112为平面或圆弧面，第二端面113与主体111相垂直。在本实施例中，优选的，如图2和图4所示，第一端面112与主体111呈一定角度，优选为呈钝角设置。也就是说，将第一端面112设置为圆弧面，使其接受回返光的面积更大，回返光的能量密度就越低，对窗口片固定件的损伤就越小。同时，第一端面112的圆弧球面可以使返回去的光更发散的反射回去，提高系统整体的热量分布，提高系统散热性能。

第一端面112的中心处设有中心孔1121。

在主体111的内壁上开设多个线槽，从第一端面112朝第二端面113的方向，多个线槽依次为：窗口片槽1111、第一弹簧圈槽1112以及第一斜导槽1113。窗口片槽1111用于收容窗口片12。窗口片固定件11的第一弹簧圈槽1112位于窗口片12远离第一端面112的一侧。第一弹簧圈槽1112的直径大于窗口片槽1111的直径。第一斜导槽1113用于将第一弹簧圈15导入到第一弹簧圈槽1112，第一斜导槽1113的最小直径与窗口片槽1111的直径相同，且稍微大于窗口片12的直径。

弹片114远离第二端面113的一端向内延伸形成凸起1141，也就是说，凸起1141垂直于弹片114。弹片114的弹力F符合以下公式：

F＝N×(b×H^3×E×a)/(4L^3) 公式(1)

在公式(1)中，N为弹片114的数量，b为弹片114的宽度，H为弹片114的厚度，E为弹片114的弹性系数，a为凸起1141的高度，L为弹片114的长度。

在工作状态下，根据牛顿第二定律计算高频震动力f符合以下公式：

f＝m×a 公式(2)

在公式(2)中，m为窗口片固定件11的质量，a为高频震动的加速度。若按照行业标准，则a＝20g，g＝10N/kg，进而a＝200N/kg。根据公式(2)，f在1N-2N的范围。

为了使窗口片固定件11的弹力F既大于器件高频震动时产生的力f，又适合插拔(插拔力在5-10N范围)，则公式(1)中的各个参数取值为：6≤N≤10，1.5mm≤b≤3mm，0.2mm≤H≤0.35nn，0.2mm≤a≤0.5mm，3mm≤L≤10mm。

如图2所示，第一弹簧圈15的外径大于窗口片12的直径，且内径小于窗口片12的直径。请进一步参阅图5，为第一弹簧圈15的结构示意图，在图5中，第一弹簧圈15包括圈体151以及开口152，圈体151大致呈圆环板状，开口152形成于圈体151上。第一弹簧圈15可以在外力的作用下而径向、横向压缩，能够在横向方向上抵消高频振动力。

第一弹簧圈15的压缩弹力满足以下公式：

F＝f×G×d^4/(8×n×D^3) 公式(3)

在公式(3)中，f为第一弹簧圈15的压缩变形量，G为第一弹簧圈15材料的切变模量，d为第一弹簧圈15的线径，D为第一弹簧圈15的中径，n为第一弹簧圈15的圈数。其中，D＝0.5×(弹簧外径+弹簧内径)。f＝1-外径压缩量÷外径，而外径压缩量＝a÷圆周率，a为弹簧的最小开口值。

为了使第一弹簧圈15压紧窗口片12，其压缩弹力既要大于器件高频震动时产生的力f，又不能压坏窗口片12，则F在1N-2N的范围，0.4mm≤D≤0.8mm，弹簧圈的总高度H为：1mm≤H≤1.5mm，弹簧圈的直径为6mm-10mm的范围。

第一弹簧圈15在外力的作用下被压缩并沿着第一斜导槽1113的直径最大处朝向直径最小处滑动，一边滑动第一弹簧圈15的内径随着第一斜导槽1113的直径变化而变化，放入第一弹簧圈槽1112内，通过第一斜导槽1113的最小直径对第一弹簧圈15形成限位，最终第一弹簧圈15的内径压缩到与窗口片槽1111的直径相同，形成压缩窗口片12所需的对应尺寸第一弹簧圈。

在图2中，端帽固定组件20卡固在窗口片固定件11内，其包括：端帽固定件21以及固定在端帽固定件21内的端帽22、第三垫圈23、反光光阑24、第四垫圈25和第二弹簧圈26。在本实施例中，端帽固定组件20还包括胶圈27，胶圈27套设在端帽固定件21内，可以有效的防护外界灰尘的进入。

端帽固定件21自弹片24的凸起1141侧插入窗口片固定件11，并抵持在第一斜导槽1113处，且卡固于凸起1141。端帽固定件21具有腔体，以收容端帽22、第三垫圈23、反光光阑24、第四垫圈25和第二弹簧圈26，且收容端帽22、第三垫圈23、反光光阑24、第四垫圈25和第二弹簧圈26相对第一端面112的距离逐渐减小。也就是说，第三垫圈23位于反光光阑24与端帽22之间，第四垫圈25位于反光光阑24与第二弹簧圈26之间，且通过第二弹簧圈26压紧反光光阑24，进而压紧端帽22。反光光阑24的内径小于端帽22的外径，以使反光光阑24隔着第三垫圈23压在端帽22上。

更具体的，如图6及图7所示，图6为端帽固定件21的立体图，图7为图6中端帽固定件21的剖面结构示意图。端帽固定件21采用紫铜等高导热材料并镀金。端帽固定件21的内壁开设有多个同轴的槽位，且相对窗口片固定件11由近至远的方向依次为：第二斜导槽210、第二弹簧圈槽211、光阑槽212、端帽槽213、限位凸台214、第一挡光凸台215、第二挡光凸台216及光纤孔217。且第二斜导槽210、第二弹簧圈槽211、光阑槽212、端帽槽213、限位凸台214、第一挡光凸台215、第二挡光凸台216及光纤孔217的直径逐渐减小。根据实际应用需要，在端帽固定件21的外表面向内壁方向凹陷形成胶圈槽218及限位槽219。在胶圈槽218和限位槽219之间预设位置处，端帽固定件21的外表面形成第三斜导槽2110，且第三斜导槽2110的内径由胶圈槽218至限位槽219的方向逐渐变大。当端帽固定件21自窗口片固定件11的弹片114侧插入时，弹片114沿着第三斜导槽2110的最小直径处逐渐向其最大直径处滑动，直到弹片114的凸起1141卡在限位槽219，进而将端帽固定件21与窗口片固定件11固定在一起。

第二斜导槽210，用于将第二弹簧圈26导入至第二弹簧圈槽211。第二斜导槽210的直径由端帽固定件21的端面朝向光纤孔217的方向逐渐减小，且第二斜导槽210的最小直径与光阑槽212的直径相同。光阑槽212用于收容所述反光光阑24。端帽槽213用于收容所述端帽22。

限位凸台214位于端帽槽213远离第二斜导槽210的一侧。限位凸台214将端帽22压紧在端帽固定件21的端帽槽213内，且端帽22较细的部分延伸到第一挡光凸台215与第二挡光凸台216之间，使得回返光一部分打到第一挡光凸215上，一部分打到第二挡光凸台216上，形成一个空间错位，避免回返光在端帽固定件21底部形成较为集中的热量积累，提高端帽固定件21的损伤阈值。

在本实施例中，在第一挡光凸台215和第二挡光凸台216的表面镀金，的金层厚度大于0.5微米，打底用的镀镍层优选亮镍，以使镀金后金层的亮度更高，提高对激光的反射率。在实际使用中，在保证镀金层牢固的前提下，镀金层厚度越厚，能够承受的激光损伤阈值就越高，优选的镀金层厚度0.5微米-2微米。

光纤孔217的孔径D和中间孔1121的孔径D满足以下公式：

D＝NA×(L/1.45+l)×2×1.5+d 公式(4)

在公式(4)中，NA为光纤的数值孔径，L为端帽长度，l为端帽到反光光阑孔距离，d为光纤纤芯直径。若中心孔1121或者光纤孔217的孔径D小于公式(4)的值则容易挡正向光，若大于公式(4)的值则对回返光的遮挡度不够。

反光光阑24选用紫铜等导热系数高的材料并镀金，金层厚度大于0.5微米，打底用的镀镍层优选亮镍，镀金后金层的亮度更高，反射率也就更高。在保证镀金层牢固的前提下，镀金层厚度越厚，能够承受的激光损伤阈值就越高，优选的镀金层厚度0.5微米-2微米。

可选的，本实施例中第二弹簧圈26的压缩力也满足公式(3)和图5，其参数与第一弹簧圈15的参数相同，例如，第一弹簧圈15和第二弹簧圈26的中径均为0.6mm、高度为1.2mm、直径为7mm。在实践中，可以根据需要在弹簧圈各参数的范围内选取具体数值，第一弹簧圈15和第二弹簧圈26的参数也可以不同。

在组装窗口片固定组件10和端帽固定组件20时，端帽固定组件20自窗口片固定组件10的弹片114侧插入窗口片固定件11，且弹片114沿着第三斜导槽2110，直到弹片114的凸起1141卡在端帽固定件21的限位槽219内，以将端帽固定件21固定在窗口片固定件11。在工作时，窗口片固定件11作为第一层挡光，反光光阑24作为第二层挡光，第一挡光凸台215作为第三层挡光，第二挡光凸台216作为第四层挡光，本实施例的激光镜头能够承受3000W氮气下切紫铜切不透甚至无痕迹的高反切割回返光、以及6000W正常切割紫铜厚板切不透的高反切割。

本实施例的激光镜头，通过窗口片12固定在第一垫圈13和第二垫圈14之间，且第一弹簧圈15压在第二垫圈14上进而压紧窗口片12，第二弹簧圈26通过压紧反光光阑24进而压紧端帽22，弹片114的凸起1141将端帽固定件21卡固在端口片固定件11上，能够使激光镜头承受高频震动以及高功率切割，且窗口片固定件11可以在窗口片23脏污受损后进行整体插拔替换，使用方便。

此外，本发明还提供一种激光输出头，包括主零件、固定在所述主零件内部的传能光纤、以及固定在所述主零件一端的激光镜头和固定在所述主零件另一端的外封组件。主零件内部具有水冷通道。该激光镜头为上述实施例所述的激光镜头。通过激光镜头能够有效的起到挡光的作用。

此外，本发明还提供一种激光器，包括激光输出头，该激光输出头包括主零件、固定在所述主零件内部的传能光纤以及固定在所述主零件一端的激光镜头和固定在所述主零件另一端的外封组件。主零件内部具有水冷通道。该激光镜头为上述实施例所述的激光镜头，通过该激光镜头能够有效固定窗口片，在实际使用中能够承受高频震动以及高功率切割，并且整体结构简单、方便替换窗口片。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (11)

1.一种激光镜头，其特征在于，包括：

窗口片固定件，包括多个弹片，每个所述弹片的尾端具有凸起；

窗口片，固定在所述窗口片固定件内；

一对垫圈，包括第一垫圈和第二垫圈，所述窗口片固定在所述第一垫圈和所述第二垫圈之间；

第一弹簧圈，所述第一弹簧圈通过压在所述第二垫圈上进而压紧所述窗口片；以及

端帽固定组件，所述端帽固定组件自所述弹片插入所述窗口片固定件，并卡固在所述凸起，以将所述端帽固定件固定于所述窗口片固定件。

2.根据权利要求1所述的激光镜头，其特征在于，所述窗口片固定件大致呈空心圆柱体，其包括主体、位于所述主体一端的第一端面以及位于所述主体另一端的第二端面，所述弹片自所述第二端面朝向远离所述第一端面的方向延伸形成。

3.根据权利要求2所述的激光镜头，其特征在于，所述主体自所述第一端面朝所述第二端面的方向设有：窗口片槽、第一弹簧圈槽以及第一斜导槽，其中，

所述窗口片槽，用于收容所述窗口片；

所述第一弹簧圈槽，位于所述窗口片远离所述第一端面的一侧，且所述第一弹簧圈槽的直径大于所述窗口片槽的直径；

所述第一斜导槽，用于将所述第一弹簧圈导入到所述第一弹簧圈槽，且所述第一斜导槽的最小直径与所述窗口片槽的直径相同。

4.根据权利要求2所述的激光镜头，其特征在于，所述端帽固定件包括：端帽固定件以及固定在所述端帽固定件内的端帽、第三垫圈、反光光阑、第四垫圈和第二弹簧圈，所述第三垫圈位于所述端帽和所述反光光阑之间，所述第四垫圈位于所述反光光阑和所述第二弹簧圈之间，通过所述第二弹簧圈压紧所述反光光阑进而压紧所述端帽。

5.根据权利要求4所述的激光镜头，其特征在于，所述端帽固定件的内壁依次设有第二斜导槽、第二弹簧圈槽、光阑槽、端帽槽、限位凸台、第一挡光凸台、第二挡光凸台及光纤孔，其中，

所述第二斜导槽，用于将所述第二弹簧圈导入所述第二弹簧圈槽；

所述光阑槽，用于收容所述反光光阑；

所述端帽槽，用于收容所述端帽；

所述限位凸台，位于所述端帽槽远离所述第二斜导槽的一侧，并将所述端帽压紧在所述端帽槽内。

6.根据权利要求4所述的激光镜头，其特征在于，所述第一端面的中心处设有中心孔，所述中心孔的孔径和所述光纤孔的孔径均满足以下公式：

D＝NA×(L/1.45+l)×2×1.5+d

其中，NA为光纤的数值孔径，L为端帽长度，l为端帽到反光光阑孔距离，d为光纤纤芯直径。

7.根据权利要求5所述的激光镜头，其特征在于，所述端帽固定件的外表面的预设位置处分别向内凹陷形成胶圈槽和限位槽，且在所述胶圈槽和所述限位槽之间的所述外表面为倾斜的表面。

8.根据权利要求4所述的激光镜头，其特征在于，所述第一弹簧圈、所述第二弹簧圈的压缩力满足以下公式：

F＝f×G×d^4/(8×n×D^3)

其中，f为所述第一弹簧圈的压缩变形量，G为所述第一弹簧圈材料的切变模量，d为所述第一弹簧圈的线径，D为所述第一弹簧圈的中径，n为所述第一弹簧圈的圈数。

9.根据权利要求8所述的激光镜头，其特征在于，所述第一弹簧圈的参数满足以下范围：6≤N≤10，1.5mm≤b≤3mm，0.2mm≤H≤0.35nn，0.2mm≤a≤0.5mm，3mm≤L≤10mm。

10.一种激光输出头，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的激光镜头。

11.一种激光器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的激光镜头。