CN110560919A - 一种基于光学像差光纤激光切割镜组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光学像差光纤激光切割镜组，包括一片双凸透镜及一片负弯月透镜。本发明结构设计新颖，基于光学像差对激光束具有整形特性，基于光学像差整形聚焦光束段非对称性，基于不同镜片参数组合可实现不同光学像差特性，基于不同材料的中、厚板材正负离焦切割工艺特性，通过切换镜片的方式实现了不同的聚焦光束能量分布整形，具体是分别获得更适宜于不同切割工艺的正负离焦方向较长光束段能量分布整形，在保证不同材料薄板切割效果不变的前提下，进一步优化不同材料的中、厚板材切割工艺，提高板材切割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

一种基于光学像差光纤激光切割镜组
技术领域
本发明涉及光纤激光切割技术领域，具体为一种基于光学像差光纤激光切割镜组。
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，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，但并不能针对性根据不同材料的板材进行相应切割工艺需求的光束段能量整形，从而优化板材切割断面质量及板材切割厚度。
具体的，在中、厚板材的激光切割应用上，为了优化板材切割效果，光束整形是大势所趋。众所周知，常规消像差配置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。
光学像差的引入，虽然会导致聚焦光束质量降低，但可保证切割工艺需求的聚焦光束段，边缘能量大幅收敛并提高边缘功率密度分布值，相同离焦量下可用于中、厚板材激光切割的光斑直径增大，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的同时，也提高切割断面质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光学像差光纤激光切割镜组，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：一种基于光学像差光纤激光切割镜组，包括一片双凸透镜及一片负弯月透镜；所述双凸透镜与负弯月透镜均为球面透镜，且均由熔融石英材料制成。
优选的，所述双凸透镜两侧曲率半径不同，一侧曲率半径大，一侧曲率半径小；所述负弯月透镜凹面朝向双凸透镜，凸面朝向焦点；所述双凸透镜与负弯月透镜中心轴同轴，平行光入射下，双凸透镜在前，负弯月透镜在后。
优选的，所述双凸透镜与负弯月透镜组合有效焦距相同。
优选的，所述双凸透镜曲率半径小的镜面面向平行入射光时，用于正离焦切割；所述双凸透镜曲率半径大的镜面面向平行入射光时，用于负离焦切割。
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3以获得平行准直光束，准直光束逐一经过双凸透镜1、负弯月透镜2后聚焦；
B、在负离焦切割时，双凸透镜1小曲率半径镜面朝向负弯月透镜2凹面，此时获得负离焦方向边缘能量收敛的聚焦光束整形；
C、在正离焦切割时，双凸透镜1大曲率半径镜面朝向负弯月透镜2凹面，此时获得正离焦方向边缘能量收敛的聚焦光束整形。
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，基于光学像差对激光束具有整形特性，基于光学像差整形聚焦光束段非对称性，基于不同镜片参数组合可实现不同光学像差特性，基于不同材料的中、厚板材正负离焦切割工艺特性，通过切换镜片的方式实现了不同的聚焦光束能量分布整形，具体是分别获得更适宜于不同切割工艺的正负离焦方向较长光束段能量分布整形，在保证不同材料薄板切割效果不变的前提下，进一步优化不同材料的中、厚板材切割工艺，提高板材切割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)本发明的双凸透镜与负弯月透镜均采用球面透镜，且仅需要调整双凸透镜与负弯月透镜镜面相对朝向，具体是双凸透镜的小曲率半径镜面与负弯月透镜凹面的朝向调节，最直接的，通过在光路系统中植入两片双凸透镜与一片负弯月透镜，两片双凸透镜小曲率半径朝向相反，采用切换双凸透镜的方式实现不同的正负离焦量光束整形，在优化不同材料的中、厚板材切割工艺的同时，可降低镜片及机械成本。
(3)本发明提出的光学像差整形，具体可实现切割工艺需求的聚焦光束段边缘能量大幅收敛并提高边缘功率密度分布值，相同离焦量下可用于中、厚板材激光切割光斑直径增大，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的同时，也提高切割断面质量。
附图说明
图1为本发明的负离焦切割镜组示意图。
图2为本发明的正离焦切割镜组示意图。
图3为本发明的具体实施例示意图。
图4为图3具体实施例中基于图1实现的聚焦光束段能量分布图。
图5为图3具体实施例中基于图2实现的聚焦光束段能量分布图。
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、2，本发明提供一种技术方案：一种基于光学像差光纤激光切割镜组，包括一片双凸透镜1及一片负弯月透镜2。
本发明中，双凸透镜1与负弯月透镜2均为球面透镜，均由熔融石英材料制成；
其中，双凸透镜1两侧曲率半径不同，一侧曲率半径大，一侧曲率半径小；
本发明中，负弯月透镜2凹面朝向双凸透镜1，凸面朝向焦点；双凸透镜1与负弯月透镜2中心轴同轴，平行光入射下，双凸透镜1在前，负弯月透镜2在后。
本发明中，所述双凸透镜1无论是大曲率半径镜面朝向平行入射光还是小曲率半径镜面朝向平行入射光，与负弯月透镜2组合有效焦距相同。
本发明中，双凸透镜1与负弯月透镜2组成的镜组，通过引入不同的光学像差来实现聚焦光束能量整形。
本发明中，所述双凸透镜1曲率半径小的镜面面向平行入射光时，用于正离焦切割；所述双凸透镜1曲率半径大的镜面面向平行入射光时，用于负离焦切割。
请参阅图3，工作原理：光纤激光器出射发散光，入射到非球面准直镜3以获得平行准直光束，准直光束逐一经过双凸透镜1、负弯月透镜2后聚焦。在负离焦切割时，双凸透镜1小曲率半径镜面朝向负弯月透镜2凹面，此时获得负离焦方向边缘能量收敛的聚焦光束整形，能量分布参考图4；在正离焦切割时，双凸透镜1大曲率半径镜面朝向负弯月透镜2凹面，此时获得正离焦方向边缘能量收敛的聚焦光束整形，能量分布参考图5。为保证光路结构简单，可通过两片双凸透镜1与一片负弯月透镜2组合，其中两片双凸透镜1的小曲率半径镜片放置方向相反，通过切换镜片的方式实现以上调节，两片双凸透镜1互不影响彼此光路。
如图4、图5，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，基于光学像差对激光束具有整形特性，基于光学像差整形聚焦光束段非对称性，基于不同镜片参数组合可实现不同光学像差特性，基于不同材料的中、厚板材正负离焦切割工艺特性，通过切换镜片的方式实现了不同的聚焦光束能量分布整形，具体是分别获得更适宜于不同切割工艺的正负离焦方向较长光束段能量分布整形，在保证不同材料薄板切割效果不变的前提下，进一步优化不同材料的中、厚板材切割工艺，提高板材切割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)

1.一种基于光学像差光纤激光切割镜组，其特征在于：包括一片双凸透镜(1)及一片负弯月透镜(2)；所述双凸透镜(1)与负弯月透镜(2)均为球面透镜，且均由熔融石英材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学像差光纤激光切割镜组，其特征在于：所述双凸透镜(1)两侧曲率半径不同，一侧曲率半径大，一侧曲率半径小；所述负弯月透镜(2)凹面朝向双凸透镜(1)，凸面朝向焦点；所述双凸透镜(1)与负弯月透镜(2)中心轴同轴，平行光入射下，双凸透镜(1)在前，负弯月透镜(2)在后。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学像差光纤激光切割镜组，其特征在于：所述双凸透镜(1)与负弯月透镜(2)组合有效焦距相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学像差光纤激光切割镜组，其特征在于：所述双凸透镜(1)曲率半径小的镜面面向平行入射光时，用于正离焦切割；所述双凸透镜(1)曲率半径大的镜面面向平行入射光时，用于负离焦切割。
5.实现权利要求1所述的一种基于光学像差光纤激光切割镜组的使用方法，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(3)以获得平行准直光束，准直光束逐一经过双凸透镜(1)、负弯月透镜(2)后聚焦；
B、在负离焦切割时，双凸透镜(1)小曲率半径镜面朝向负弯月透镜(2)凹面，此时获得负离焦方向边缘能量收敛的聚焦光束整形；
C、在正离焦切割时，双凸透镜(1)大曲率半径镜面朝向负弯月透镜(2)凹面，此时获得正离焦方向边缘能量收敛的聚焦光束整形。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114054942A (zh) * 2021-12-17 2022-02-18 艾君杰 一种新型的激光切割聚焦工艺

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