CN111323927A - 一种获得可调环形光束微透镜组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种获得可调环形光束微透镜组，包括平凹型微透镜和平凸型微透镜；本发明结构设计新颖，基于轴锥分光与角向分光组合获得的微透镜，在平行或近平行圆形光束入射下，通过沿光束传输轴小角度旋转其中一片微透镜，配合聚焦镜获得聚焦光束，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，在增大光斑直径及边缘能量分布的同时，可大幅提升聚焦光束段焦深长度，有利于提高板材切割速度、断面质量、垂直度及切割厚度，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

一种获得可调环形光束微透镜组
技术领域
本发明涉及光纤激光切割技术领域，具体为一种获得可调环形光束微透镜组。
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。
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多维配合可调，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，且不利于不同材料、不同厚度板材工艺最优化。
基于上述各点，本发明提出一种获得可调环形光束微透镜组，基于轴锥分光与角向分光组合获得的微透镜，在平行或近平行圆形光束入射下，通过沿光束传输轴小角度旋转其中一片微透镜，配合聚焦镜获得聚焦光束，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，在增大光斑直径及边缘能量分布的同时，可大幅提升聚焦光束段焦深长度，有利于提高板材切割速度、断面质量、垂直度及切割厚度，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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种获得可调环形光束微透镜组，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：一种获得可调环形光束微透镜组，包括平凹型微透镜和平凸型微透镜。
优选的，所述平凹型微透镜、平凸型微透镜中心轴同轴，所述平凹型微透镜或所述平凸型微透镜可沿所述中心轴转动；镜片材料均为熔融石英材料。
所述平凹型微透镜、平凸型微透镜基于轴锥分光与角向分光组合，为中心轴对称的角向阵列微透镜；
所述平凹型微透镜、平凸型微透镜具有相同的角向分光单元，数量满足10～100，所有角向分光单元分光角度相同，分光顶点交合为一点；
所述平凹型微透镜单个角向分光单元分光面面型包括平面或凸面，平凸型微透镜单个角向分光单元分光面面型包括平面或凹面。
优选的，所述平凹型微透镜和平凸型微透镜组合，需要平行或近平行圆形光束入射，配合聚焦镜使用，入射光依次经过平凹型微透镜、平凸型微透镜以及聚焦镜，通过小角度旋转平凹型微透镜或平凸型微透镜，实现聚焦焦点处实心光斑到环形光斑、环形光斑直径连续可调。
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，基于轴锥分光与角向分光组合获得的微透镜，在平行或近平行圆形光束入射下，通过沿光束传输轴小角度旋转其中一片微透镜，配合聚焦镜获得聚焦光束，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，在增大光斑直径及边缘能量分布的同时，可大幅提升聚焦光束段焦深长度，有利于提高板材切割速度、断面质量、垂直度及切割厚度，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)本发明的两片微透镜为中心轴对称角向阵列镜片，可按照常规阵列透镜方法加工，有利于确保镜片加工成型，成本可控；仅需其中一片微透镜沿光束传输轴小角度旋转，机械设计及控制难度可控。
(3)本发明提出的微透镜组，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；聚焦光束段焦点前后同等离焦量下光斑环内直径基本一致，大幅提升聚焦光束段焦深，提高切割断面垂直度。
(4)本发明提出的微透镜组，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为本发明微透镜组的结构示意图；
图2为本发明微透镜组的正视图；
图3为本发明微透镜组的截面图；
图4为本发明微透镜组使用时的结构示意图；
图5为本发明下焦点及离焦光斑能量分布变化情况图。
附图标记：1.平凹型微透镜、2.平凸型微透镜、3.非球面准直镜、4.非球面聚焦镜。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例一：
图1-图3示出了一种获得可调环形光束微透镜组，包括平凹型微透镜1和平凸型微透镜2。
本方案中，所述平凹型微透镜1、平凸型微透镜2中心轴同轴，所述平凹型微透镜1或所述平凸型微透镜2可沿所述中心轴转动；
所述平凹型微透镜1、平凸型微透镜2的镜片材料均为熔融石英材料；
所述平凹型微透镜1、平凸型微透镜2基于轴锥分光与角向分光组合，为中心轴对称的角向阵列微透镜；
所述平凹型微透镜1、平凸型微透镜2具有相同的角向分光单元，数量满足10～100，所有角向分光单元分光角度相同，分光顶点交合为一点；
所述平凹型微透镜1单个角向分光单元分光面面型包括平面或凸面，平凸型微透镜2单个角向分光单元分光面面型包括平面或凹面。
本方案中，所述平凹型微透镜1和平凸型微透镜2组合，需要平行或近平行圆形光束入射，配合聚焦镜使用，入射光依次经过平凹型微透镜1、平凸型微透镜2以及聚焦镜，通过小角度旋转平凹型微透镜1或平凸型微透镜2，实现聚焦焦点处实心光斑到环形光斑、环形光斑直径连续可调。
具体实施例参考图4，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，准直光束逐一经过平凹型微透镜1、平凸型微透镜2进行光束整形，最终由非球面聚焦镜4聚焦。
为获得可调的环形光斑，平凹型微透镜1、平凸型微透镜2有且仅有1片镜片沿光束传输轴小角度旋转。以平凹型微透镜1沿光束传输轴旋转为例，平凸型微透镜2固定。
当平凹型微透镜1、平凸型微透镜2每个角向分光单元一一对应时，聚焦焦点为实心光斑，如图5第一横排光斑能量分布所示，从左到右为焦点前离焦、焦点、焦点后离焦光斑，此时可用于薄板切割以及中、厚板穿孔。
在平凹型微透镜1沿光束传输轴小角度旋转过程中，平凹型微透镜1、平凸型微透镜2每个角向分光单元一一错位并增大错位面积，聚焦焦点从实心光斑变为环形光斑，并实现环形光斑直径连续调节，如图5第二到第四横排光斑能量分布所示，从左到右为焦点前离焦、焦点、焦点后离焦光斑，每个竖排光斑位置相同，从而实现聚焦光束段整体环形化调节，随着焦点环形光斑直径增大，焦深拉长，利于切割中、厚板并提升厚板切割厚度外，对切割断面质量、切割速度均有提升，且有效改善断面垂直度。
本发明结构设计新颖，基于轴锥分光与角向分光组合获得的微透镜，在平行或近平行圆形光束入射下，通过沿光束传输轴小角度旋转其中一片微透镜，配合聚焦镜获得聚焦光束，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，在增大光斑直径及边缘能量分布的同时，可大幅提升聚焦光束段焦深长度，有利于提高板材切割速度、断面质量、垂直度及切割厚度，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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种获得可调环形光束微透镜组，其特征在于：该微透镜组包括平凹型微透镜(1)和平凸型微透镜(2)。
2.根据权利要求1所述的一种获得可调环形光束微透镜组，其特征在于：所述平凹型微透镜(1)、所述平凸型微透镜(2)中心轴同轴。
3.根据权利要求2所述的一种获得可调环形光束微透镜组，其特征在于：所述平凹型微透镜(1)或所述平凸型微透镜(2)可沿所述中心轴转动。
4.根据权利要求1所述的一种获得可调环形光束微透镜组，其特征在于：所述平凹型微透镜(1)与所述平凸型微透镜(2)的镜片材料均为熔融石英材料。
5.根据权利要求1所述的一种获得可调环形光束微透镜组，其特征在于：所述平凹型微透镜(1)、平凸型微透镜(2)基于轴锥分光与角向分光组合为中心轴对称的角向阵列微透镜；
所述平凹型微透镜(1)、平凸型微透镜(2)具有相同的角向分光单元，数量满足10～100，所有角向分光单元分光角度相同，分光顶点交合为一点。
6.根据权利要求5所述的一种获得可调环形光束微透镜组，其特征在于：所述平凹型微透镜(1)单个角向分光单元分光面面型包括平面或凸面，所述平凸型微透镜(2)单个角向分光单元分光面面型包括平面或凹面。
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