CN110471186A - 一种基于非球面镜可调环形光斑zoom切割装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置及方法，包括非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜。本发明结构设计新颖，基于轴锥透镜实现环形光斑特性，基于ZOOM光学系统实现聚焦光斑大小、光束发散角以及焦点位置补偿特性，基于不同材料的中、厚板材正负离焦切割工艺特性，通过沿光束传输轴移动其中一片曲面锥透镜的方式，结合ZOOM光学系统配合调节，实现了聚焦光束发散角、焦点实心光斑大小、实心光斑到环形光斑、环形光斑中径与粗细连续可调，同时基于激光切割工艺需要实现了对应离焦光束段环形能量分布，可大幅提高板材切割速度、断面质量、切割厚度以及断面垂直度。

Description

一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤激光切割技术领域，具体为一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置及方法。

背景技术

光纤激光器因为电光转换效率高、光纤柔韧性好、耦合效率高、光束质量好等优势，以及大功率激光器的出现，使得市场占有率日益突出，目前光纤耦合输出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。

光纤激光器激光切割应用，覆盖了不锈钢、碳钢、铝材、铜材等各类金属加工市场，随着激光功率的增加，不同材料的板材切割厚度越厚。

众所周知，常规消像差光学配置虽然能够实现聚焦光束衍射极限效果，使得光束质量达到最佳，但对应下的聚焦光束离焦段，能量分布趋近于高斯分布，对于厚板切割而言，一者不利于板材割缝成型，也就限制了切割气体或辅助气体的进气量，为满足切割效果，需高度优化气路；一者中心能量过剩，边缘能量不够集中，散光大，不利于光束能量利用，也不利于板材断面成型质量。

为切割更厚板材，通常引入ZOOM光学方案来实现。常规的ZOOM光学方案可获得聚焦光斑直径、光束发散角、焦点位置等的调节，较大程度上改善厚板切割割缝而提高切割板材厚度，改善光束发散角而提高厚板切割断面垂直度，但就其本身而言，离焦光束段能量分布依旧与常规定倍配置相近，这就意味着未能将光束中心能量利用最大化，切割速度上并不能显著提升，同时更厚板穿透力上不足。

环形聚焦光束的引入，将光斑能量去中心化，相同离焦量下可用于中、厚板材激光切割的光斑直径增大，同时大幅加强边缘能量分布强度，可改善激光切割板材割缝成型，有利于切割气体或辅助气体进气量的提升，从而在提高切割厚度及速度的同时，也提高切割断面质量。

目前，实现环形聚焦光束段的方法较多，比如单片轴锥透镜、HighYAG自由曲面透镜组、Precitec微透镜组或微透镜等。单片轴锥透镜无法实现环形光斑可调，不利于不同厚度板材的工艺优化；HighYAG自由曲面透镜组需要双片自由曲面镜组配合可调，额外还需准直镜或聚焦镜移动配合补偿焦点位置，增加了机械设计及控制难度，且镜面加工难度非常大；Precitec微透镜组可以实现从实心光斑到固定直径环形光斑能量比调节，同样存在直径不可调问题，而单片微透镜方案虽然减少镜片数量，降低成本，但直径不可调、焦点光斑环形化，无法进行穿孔，故切割过程中需要不断切换镜片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置及方法，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：一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置，包括非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜；所述非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜均由熔融石英材料制成；所述非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜中心轴同轴。

优选的，所述非球面准直镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜构成ZOOM光学系统；所述第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜构成环形可调镜组。

优选的，所述第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜介于非球面准直镜、非球面聚焦镜之间。

优选的，所述第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜包含平凸型、双凸型、平凹型、双凹型以及弯月型曲面锥透镜，为中心轴对称镜片；所述双凹非球面镜、双凸非球面镜均只有一个镜面为非球面，另一个镜面为球面。

优选的，所述第一曲面锥透镜及第二曲面锥透镜有且仅有一片镜片沿光束传输轴移动，所述双凹非球面、双凸非球面镜与之配合移动改变聚焦光斑大小、光束发散角及补偿焦点位置。

优选的，其使用方法包括以下步骤：

A、光纤激光器出射发散光，入射到非球面准直镜以获得平行准直光束；

B、准直光束逐一经过第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜进行光束整形；

C、再由非球面聚焦镜聚焦形成汇聚光束，汇聚光束通过双凹非球面镜形成发散光束，最后由双凸非球面镜聚焦。

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，基于轴锥透镜实现环形光斑特性，基于ZOOM光学系统实现聚焦光斑大小、光束发散角以及焦点位置补偿特性，基于不同材料的中、厚板材正负离焦切割工艺特性，通过沿光束传输轴移动其中一片曲面锥透镜的方式，结合ZOOM光学系统配合调节，实现了聚焦光束发散角、焦点实心光斑大小、实心光斑到环形光斑、环形光斑中径与粗细连续可调，同时基于激光切割工艺需要实现了对应离焦光束段环形能量分布，可大幅提高板材切割速度、断面质量、切割厚度以及断面垂直度，适用于千瓦、万瓦级高功率光纤激光器的激光切割应用，尤其适用于50um及以上光纤芯径的连续光纤激光器中、厚板切割应用。

(2)本发明的两片曲面锥透镜为中心轴对称镜片，可按照常规非球面镜方法加工，有利于确保镜片加工成型，成本可控；仅需其中一片曲面锥透镜沿光束传输轴移动，由非球面准直镜同步移动补偿焦点位置，机械设计及控制难度可控。

(3)本发明提出的光学方案，可保证聚焦焦点为实心光斑，确保激光切割过程中的穿孔正常进行；环形光斑中径连续可调，有利于不同厚度板材的工艺优化；聚焦光束段正负离焦方向环形化，为不同材料的板材提供必要的光学工艺基础。

(4)本发明提出的光学方案，引入环形聚焦光束，将光斑能量去中心化，相同离焦量下可用于中、厚板材激光切割的光斑直径增大，同时大幅加强边缘能量分布强度，可改善激光切割板材割缝成型，有利于切割气体或辅助气体进气量的提升。

(5)本发明提出的光学方案，引入ZOOM光学系统，可保证聚焦光束段发散角、光斑大小、焦点位置等连续可调，大幅兼容不同材料不同厚度板材切割应用，再结合环形整形方案的引入，提升板材切割速度与厚度、断面质量与垂直度。

(6)本方案提出的光学方案，聚焦焦点最大环形光斑中径随ZOOM放大倍数增大而增大，有利于最大限度提高光学系统在激光切割中的板材厚度并保证切割质量。

附图说明

图1为本发明光学方案实施例示意图。

图2为本发明实施例实心焦点光斑在ZOOM系统调节下的变化示意图。

图3为本发明实施例焦点光斑在ZOOM系统定倍下的可调环形变化示意图。

图4为本发明实施例焦点光斑在ZOOM系统调节下定环形光斑中径的能量分布变化示意图。

图5为本发明实施例正离焦方向光束环形化的焦点前后不同离焦量下光斑能量分布示意图。

图6为本发明实施例负离焦方向光束环形化的焦点前后不同离焦量下光斑能量分布示意图。

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，本发明提供一种技术方案：一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置，包括非球面准直镜1、第一曲面锥透镜2、第二曲面锥透镜3、非球面聚焦镜4、双凹非球面镜5以及双凸非球面镜6；非球面准直镜1、第一曲面锥透镜2、第二曲面锥透镜3、非球面聚焦镜4、双凹非球面镜5以及双凸非球面镜6均由熔融石英材料制成；非球面准直镜1、第一曲面锥透镜2、第二曲面锥透镜3、非球面聚焦镜4、双凹非球面镜5以及双凸非球面镜6中心轴同轴。

本发明中，非球面准直镜1、非球面聚焦镜4、双凹非球面镜5以及双凸非球面镜6构成ZOOM光学系统；第一曲面锥透镜2、第二曲面锥透镜3构成环形可调镜组。

本发明中，第一曲面锥透镜2、第二曲面锥透镜3介于非球面准直镜1、非球面聚焦镜4之间。

本发明中，第一曲面锥透镜2、第二曲面锥透镜3包含平凸型、双凸型、平凹型、双凹型以及弯月型曲面锥透镜，为中心轴对称镜片；双凹非球面镜5、双凸非球面镜6均只有一个镜面为非球面，另一个镜面为球面。

本发明中，第一曲面锥透镜2及第二曲面锥透镜3有且仅有一片镜片沿光束传输轴移动，所述双凹非球面镜5、双凸非球面镜6与之配合移动改变聚焦光斑大小、光束发散角及补偿焦点位置。

另外，本发明中，在聚焦光束段实现光束发散角、焦点实心光斑大小、实心光斑到环形光斑、环形光斑中径与粗细连续可调，同时实现聚焦光束正负离焦段能量分布环形化；聚焦焦点最大环形光斑中径随ZOOM放大倍数增大而增大。

工作原理：光纤激光器出射发散光，入射到非球面准直镜1以获得平行准直光束，准直光束逐一经过第一曲面锥透镜2、第二曲面锥透镜3进行光束整形，再由非球面聚焦镜4聚焦形成汇聚光束，汇聚光束通过双凹非球面镜5形成发散光束，最后由双凸非球面镜6聚焦。

为获得可调的环形光斑，第一曲面锥透镜2、第二曲面锥透镜3有且仅有1片镜片沿光束传输轴移动。以第二曲面锥透镜3沿光束传输轴移动为例，第一曲面锥透镜2固定，双凹非球面镜5、双凸非球面镜6与之配合移动改变聚焦光斑大小、光束发散角及补偿焦点位置。

图2中，当第二曲面锥透镜3固定在实心焦点的位置处，通过沿着光路传输轴移动双凹非球面镜5、双凸非球面镜6，可保证聚焦焦点为实心光斑，且实心光斑随之变大缩小，满足ZOOM光学方案特性。

图3中，当固定双凹非球面镜5、双凸非球面镜6在某个位置，形成固定的聚焦光斑放大比，通过第二曲面锥透镜3沿光束传输轴移动，可实现聚焦焦点从实心光斑到环形光斑、环形光斑中径连续调节。

图4中，当第二曲面锥透镜3固定在偏离实心焦点对应位置的某个位置处，在焦点位置获得一定中径的环形光斑，通过沿着光路传输轴移动双凹非球面镜5、双凸非球面镜6，实现不同放大倍数下同等中径的环形光斑，该环形光斑粗细可调。

当第一曲面锥透镜2沿光束传输轴从获得实心焦点的位置处单向移动时，双凹非球面镜5、双凸非球面镜6同时配合移动补偿焦点位置，聚焦焦点处光斑可实现实心光斑到环形光斑、环形光斑中径连续可调，参考图3。在聚焦焦点光斑为环形时，获得图5所示聚焦光束段能量分布，适用于正离焦切割应用。

当第一曲面锥透镜2沿光束传输轴从获得实心焦点的定位处反向移动时，双凹非球面镜5、双凸非球面镜6同时配合移动补偿焦点位置，聚焦焦点处光斑同样可实现实心光斑到环形光斑、环形光斑中径连续可调，参考图3，在聚焦焦点光斑为环形时，获得图6所示聚焦光束段能量分布，适用于负离焦切割应用。

在图5、图6中，从上至下分别为焦点前不同距离、焦点、焦点后不同距离下的光斑能量分布。

以上环形光斑中径，是指0光纤芯径下聚焦焦点光斑直径；环形光斑粗细，是指光纤芯径不为0下聚焦光斑线径，即有能量区域的宽度。

本发明结构设计新颖，基于轴锥透镜实现环形光斑特性，基于ZOOM光学系统实现聚焦光斑大小、光束发散角以及焦点位置补偿特性，基于不同材料的中、厚板材正负离焦切割工艺特性，通过沿光束传输轴移动其中一片曲面锥透镜的方式，结合ZOOM光学系统配合调节，实现了聚焦光束发散角、焦点实心光斑大小、实心光斑到环形光斑、环形光斑中径与粗细连续可调，同时基于激光切割工艺需要实现了对应离焦光束段环形能量分布，可大幅提高板材切割速度、断面质量、切割厚度以及断面垂直度，适用于千瓦、万瓦级高功率光纤激光器的激光切割应用，尤其适用于50um及以上光纤芯径的连续光纤激光器中、厚板切割应用。

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 (6)

1.一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置，其特征在于：包括非球面准直镜(1)、第一曲面锥透镜(2)、第二曲面锥透镜(3)、非球面聚焦镜(4)、双凹非球面镜(5)以及双凸非球面镜(6)；所述非球面准直镜(1)、第一曲面锥透镜(2)、第二曲面锥透镜(3)、非球面聚焦镜(4)、双凹非球面镜(5)以及双凸非球面镜(6)均由熔融石英材料制成；所述非球面准直镜(1)、第一曲面锥透镜(2)、第二曲面锥透镜(3)、非球面聚焦镜(4)、双凹非球面镜(5)以及双凸非球面镜(6)中心轴同轴。

2.根据权利要求1所述的一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置，其特征在于：所述非球面准直镜(1)、非球面聚焦镜(4)、双凹非球面镜(5)以及双凸非球面镜(6)构成ZOOM光学系统；所述第一曲面锥透镜(2)、第二曲面锥透镜(3)构成环形可调镜组。

3.根据权利要求1所述的一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置，其特征在于：所述第一曲面锥透镜(2)、第二曲面锥透镜(3)介于非球面准直镜(1)、非球面聚焦镜(4)之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置，其特征在于：所述第一曲面锥透镜(2)、第二曲面锥透镜(3)包含平凸型、双凸型、平凹型、双凹型以及弯月型曲面锥透镜，为中心轴对称镜片；所述双凹非球面镜(5)、双凸非球面镜(6)均只有一个镜面为非球面，另一个镜面为球面。

5.根据权利要求1所述的一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置，其特征在于：所述第一曲面锥透镜(2)及第二曲面锥透镜(3)有且仅有一片镜片沿光束传输轴移动，所述双凹非球面镜(5)、双凸非球面镜(6)与之配合移动改变聚焦光斑大小、光束发散角及补偿焦点位置。

6.实现权利要求1所述的一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置的使用方法，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：

A、光纤激光器出射发散光，入射到非球面准直镜1以获得平行准直光束；

B、准直光束逐一经过第一曲面锥透镜2、第二曲面锥透镜3进行光束整形；

C、再由非球面聚焦镜4聚焦形成汇聚光束，汇聚光束通过双凹非球面镜5形成发散光束，最后由双凸非球面镜6聚焦。