CN110480186A - 一种基于非球面镜可调环形光斑定倍切割装置 - Google Patents

一种基于非球面镜可调环形光斑定倍切割装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110480186A
CN110480186A CN201910759279.4A CN201910759279A CN110480186A CN 110480186 A CN110480186 A CN 110480186A CN 201910759279 A CN201910759279 A CN 201910759279A CN 110480186 A CN110480186 A CN 110480186A
Authority
CN
China
Prior art keywords
axicon lens
surface axicon
aspherical
mirror
curved surface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN201910759279.4A
Other languages
English (en)
Inventor
邵华江
李思佳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Automobile Gear Works
Original Assignee
Shanghai Automobile Gear Works
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Automobile Gear Works filed Critical Shanghai Automobile Gear Works
Priority to CN201910759279.4A priority Critical patent/CN110480186A/zh
Publication of CN110480186A publication Critical patent/CN110480186A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • B23K26/0734—Shaping the laser spot into an annular shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于非球面镜可调环形光斑定倍切割装置，包括非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜以及非球面聚焦镜。其中，非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜和非球面聚焦镜镜片中心轴同轴，非球面准直镜、非球面聚焦镜构成定倍放大镜组，第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜构成环形可调镜组。本发明结构设计新颖，实现了聚焦焦点实心光斑到环形光斑、环形光斑直径连续可调，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，提高板材切割速度、断面质量及切割厚度，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。

Description

一种基于非球面镜可调环形光斑定倍切割装置
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定倍切割装置。
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。
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，从而在提高切割速度与厚度的同时，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定倍切割装置，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定倍切割装置，包括非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜以及非球面聚焦镜。其中，非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜和非球面聚焦镜镜片中心轴同轴，非球面准直镜、非球面聚焦镜构成定倍放大镜组，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，所述非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜以及非球面聚焦镜均由熔融石英材料制成。
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；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。
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，所述非球面准直镜与之配合移动补偿焦点位置。
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，最终由非球面聚焦镜聚焦。
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，结合非球面准直镜沿光束传输方向移动作为焦点补偿，实现了聚焦焦点实心光斑到环形光斑、环形光斑直径连续可调，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，提高板材切割速度、断面质量及切割厚度，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)本发明公开的技术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；环形光斑直径连续可调，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)本发明中，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，同时提高切割速度。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明实施例焦点光斑能量分布变化示意图。
图3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图。
图4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定倍切割方案，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以及非球面聚焦镜4。其中，非球面准直镜1、第一曲面锥透镜2、第二曲面锥透镜3和非球面聚焦镜4镜片中心轴同轴，非球面准直镜1、非球面聚焦镜4构成定倍放大镜组，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，非球面准直镜1、第一曲面锥透镜2、第二曲面锥透镜3以及非球面聚焦镜4均由熔融石英材料制成；
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；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。
本方案中，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，所述非球面准直镜1与之配合移动补偿焦点位置。
本发明中，在聚焦焦点处实现实心光斑到环形光斑、环形光斑直径连续可调，同时实现聚焦光束正负离焦段能量分布环形化。
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，最终由非球面聚焦镜4聚焦。
此外，本发明中，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。以第一曲面锥透镜2沿光束传输轴移动为例，第二曲面锥透镜3固定，非球面准直镜1沿光束传输轴移动作为焦点位置补偿。
在第一曲面锥透镜2沿光束传输轴从获得实心焦点的位置处单向移动时，非球面准直镜1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、环形光斑直径连续可调，参考图2，在聚焦焦点光斑为环形时，获得图3所示聚焦光束段能量分布，适用于正离焦切割应用。
在第一曲面锥透镜2沿光束传输轴从获得实心焦点的定位处反向移动时，非球面准直镜1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、环形光斑直径连续可调，参考图2，在聚焦焦点光斑为环形时，获得图4所示聚焦光束段能量分布，适用于负离焦切割应用。
在图3、图4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。
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，结合非球面准直镜沿光束传输方向移动作为焦点补偿，实现了聚焦焦点实心光斑到环形光斑、环形光斑直径连续可调，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，提高板材切割速度、断面质量及切割厚度，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 (5)

1.一种基于非球面镜可调环形光斑定倍切割装置，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)以及非球面聚焦镜(4)。其中，非球面准直镜(1)、第一曲面锥透镜(2)、第二曲面锥透镜(3)和非球面聚焦镜(4)镜片中心轴同轴，非球面准直镜(1)、非球面聚焦镜(4)构成定倍放大镜组，第一曲面锥透镜(2)、第二曲面锥透镜(3)构成环形可调镜组。
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定倍切割装置，其特征在于：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)以及非球面聚焦镜(4)均由熔融石英材料制成。
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定倍切割装置，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；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。
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定倍切割装置，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，所述非球面准直镜(1)与之配合移动补偿焦点位置。
5.实现权利要求1所述的一种基于非球面镜可调环形光斑定倍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，最终由非球面聚焦镜(4)聚焦。
CN201910759279.4A 2019-08-16 2019-08-16 一种基于非球面镜可调环形光斑定倍切割装置 Withdrawn CN110480186A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910759279.4A CN110480186A (zh) 2019-08-16 2019-08-16 一种基于非球面镜可调环形光斑定倍切割装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910759279.4A CN110480186A (zh) 2019-08-16 2019-08-16 一种基于非球面镜可调环形光斑定倍切割装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110480186A true CN110480186A (zh) 2019-11-22

Family

ID=68551544

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910759279.4A Withdrawn CN110480186A (zh) 2019-08-16 2019-08-16 一种基于非球面镜可调环形光斑定倍切割装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110480186A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111014946A (zh) * 2020-01-19 2020-04-17 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 水导激光加工装置和加工系统
CN113681154A (zh) * 2021-09-22 2021-11-23 广东宏石激光技术股份有限公司 一种光斑可变的激光切割头、切割设备及切割方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111014946A (zh) * 2020-01-19 2020-04-17 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 水导激光加工装置和加工系统
CN113681154A (zh) * 2021-09-22 2021-11-23 广东宏石激光技术股份有限公司 一种光斑可变的激光切割头、切割设备及切割方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110471186A (zh) 一种基于非球面镜可调环形光斑zoom切割装置及方法
US11931827B2 (en) Laser cutting device and laser cutting method
CN104570363A (zh) 一种高斯激光束整形方法和装置及精密激光微孔加工装置
CN107505715B (zh) 一种完全环状激光熔覆头
CN110908099B (zh) 一种用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头及其成像方法
CN110480186A (zh) 一种基于非球面镜可调环形光斑定倍切割装置
CN105607162B (zh) 一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜
CN104690432A (zh) 一种精密激光切割及微孔加工装置
CN205720742U (zh) 一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜
CN206527431U (zh) 一种具有激光整形及匀化功能的激光加工装置
CN111323927A (zh) 一种获得可调环形光束微透镜组
CN100538438C (zh) 激光光场分布整形光学镜头
CN115993726A (zh) 一种光学系统、特种光纤生长装置及其方法
WO2012045177A1 (en) Parabolic reflector
CN210427969U (zh) 一种基于非球面镜可调环形光斑zoom切割装置
CN101710190A (zh) 一种削顶曲面聚光透镜及其制作方法
CN210010591U (zh) 实现大深径比加工的激光头装置
CN111736355A (zh) 一种基于微透镜组可调能量分布光学系统
CN211438624U (zh) 一种基于非球面镜可调环形光斑定倍切割装置
CN206848564U (zh) 一种高功率连续变倍扩束球面镜光学系统
KR102612372B1 (ko) 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템
CN209886899U (zh) 基于无衍射光路设计的水导激光加工系统
CN113828912A (zh) 一种可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头
CN110488398A (zh) 一种获得可调双焦点的自由曲面透镜
CN211857085U (zh) 一种获得可调环形光束微透镜组

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20191122