CN111515556A - 收集热辐射光的光电检测装置及相应的激光切割头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种收集热辐射光的光电检测装置及相应的激光切割头，其中，所述的装置包括第一凹面镜、聚光反射镜及光接收及检测模块；所述的第一凹面镜位于激光的光路中，所述的聚光反射镜及所述的检测模块分别位于所述的第一凹面镜的两侧。采用该种收集热辐射光的光电检测装置及相应的激光切割头，既能保护监测装置，也能最大程度减少激光镜片对辐射光的损耗，增加接收信号强度，有效地利用了空间，使得整体结构紧凑，容易模块化，经济适用、还可监控保护镜的脏污状态，对提高切割质量和保护激光切割头内部结构起到积极作用，使激光切割头更加智能化，有利于提高激光切割效率和切割质量，能适用于不同聚焦焦距的切割头。

Description

收集热辐射光的光电检测装置及相应的激光切割头

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及光电检测技术领域，具体是指一种收集热辐射光的光电检测装置及相应的激光切割头。

背景技术

光切割过程中，系统可以设置开光延时和关光延时，但延时的时间都是根据经验设定，在切割过程中容易出现过烧、爆孔或切割未穿透的现象。这些现象都影响切割的效果，同时容易对机床或者激光器造成损坏。因此对切割头工作过程进行监控就显得尤为重要。

目前用于光纤激光应用的切割过程监控装置比较少，主要原因是因为光纤激光器的中心波长与切割和穿孔过程中产生的最大热辐射的波长重合，因此监测光纤激光器切割和穿孔过程的系统比较具有挑战性。

比较多的切割过程监控方法大都采用了CCD或者光谱仪协助监控辐射。如专利CN201520780623.5中采用的就是用CCD监控穿孔过程，如图1所示，激光被准直后，通过选择性光谱折射镜(6-7)，最终经过聚光镜(6-5)汇聚光束，进行切割操作，同时CCD相机(6-1)通过折射镜(6-3)以及选择性光谱折射镜(6-7)，对焦点周围的影像进行成像。该专利中的光谱折射镜(6-7)处在激光光路中，会对激光聚焦光斑的光束质量造成一定影响。同时该专利对CCD性能要求比较高，相机价格比较昂贵。

而一些检测方式采用的都是偏轴的测量方式，例如专利CN201910721966.7，如图2所示，激光光束被聚焦镜(1)汇聚后，产生的热辐射光从喷嘴中进入喷嘴5，经过保护镜2，最终进入光强检测模块中。该方案结构简单，但是由于是偏轴的接收方式，只能检测到特定角度进入光强检测装置中的辐射光，当有辐射光进入但是不处在检测模块的接收范围时，传感器很难响应到热辐射光。

同时在激光和工件相互作用的过程中，穿孔和切割产生的反渣有时候会飞溅到下保护镜上，或者当使用不洁净的辅助气体时，保护镜上也会有脏污。当保护镜出现脏污的时候，激光通过保护镜时，保护镜对激光的反射率会增加，实际照射到工件上的光功率会显著降低，严重影响切割的效果。有时污染甚至会导致保护镜片炸裂，使得灰尘进入到切割头内部，损坏核心光学件。

发明内容

本发明为了克服至少一个上述现有技术的缺点，提供了一种性能好、增加设备使用寿命的收集热辐射光的光电检测装置及相应的激光切割头。

为了实现上述目的，本发明的收集热辐射光的光电检测装置及相应的激光切割头具有如下构成：

该收集热辐射光的光电检测装置，其主要特点是，所述的装置包括第一凹面镜、聚光反射镜及光接收及检测模块；

所述的第一凹面镜位于激光的光路中，所述的聚光反射镜及所述的检测模块分别位于所述的第一凹面镜的两侧；

由所述的第一凹面镜将工件与所述的激光相互作用产生的热辐射光反射至所述的聚光反射镜的反射面，再由所述的聚光反射镜将接收到的所述的热辐射光聚集反射至所述的光接收及检测模块，所述的光接收及检测模块用于检测所述的热辐射光。

较佳地，所述的第一凹面镜与所述的激光之间的夹角呈预设角度，所述的第一凹面镜的凹面朝向激光头的喷嘴，所述的第一凹面镜的非凹面朝向所述的光接收及检测模块。

更佳地，所述的第一凹面镜与所述的激光之间的夹角呈45°，所述的聚光反射镜、光接收及检测模块及第一凹面镜位于同一水平线上。

较佳地，所述的光接收及检测模块包括透镜、滤光片及光电传感器，所述的热辐射光依次透过所述的透镜、滤光片传递至所述的光电传感器。

较佳地，所述的聚光反射镜由第二凹面镜构成。

该包括上述光电检测装置的激光切割头，其主要特点是，所述的激光切割头还包括喷嘴、保护镜及聚焦镜，所述的光电检测装置位于所述的保护镜与聚焦镜之间，所述的喷嘴位于所述的保护镜的下方，所述的光接收及检测模块与主控系统相连接。

采用本发明的收集热辐射光的光电检测装置及相应的激光切割头，既能保护监测装置，也能最大程度减少激光镜片对辐射光的损耗，增加接收信号强度，有效地利用了空间，使得整体结构紧凑，容易模块化，经济适用、还可监控保护镜的脏污状态，对提高切割质量和保护激光切割头内部结构起到积极作用，使激光切割头更加智能化，有利于提高激光切割效率和切割质量，能适用于不同聚焦焦距的切割头。

附图说明

图1为现有技术中一实施例中的激光切割头的光路实现示意图。

图2为现有技术中一实施例中的激光切割头的光路实现示意图。

图3为一实施例中本发明的收集热辐射光的光电检测装置的结构示意图。

图4(a)和图4(b)分别为第一凹面反射镜仰视结构示意图和侧视结构示意图。

图5为一实施例中本发明的激光切割头的光路示意图。

图6为一保护镜污染状态下的激光切割头的光路示意图。

图7为一实施例中本发明的激光切割头的光路模拟图。

图8为光电传感器接收面接收到的光辐射值示意图。

图3～图7的附图标记

1 第一凹面镜

2 聚光反射镜

3 透镜

4 滤光片

5 光电传感器

6 下保护镜

7 辐射光

8 喷嘴

9 工件

10 聚焦镜

11 激光

12 第一凹面镜的中心通孔

13 第一凹面镜的反射区域

14 第一凹面反射镜反射凹面

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

如图3到6所示，该收集热辐射光的光电检测装置包括第一凹面镜1、聚光反射镜2及光接收及检测模块；

所述的第一凹面镜1位于激光11的光路中，所述的聚光反射镜2及所述的检测模块分别位于所述的第一凹面镜1的两侧；

由所述的第一凹面镜1将工件9与所述的激光11相互作用产生的热辐射光反射至所述的聚光反射镜2的反射面，再由所述的聚光反射镜2将接收到的所述的热辐射光聚集反射至所述的光接收及检测模块，所述的光接收及检测模块用于检测所述的热辐射光。

在该实施例中，所述的第一凹面镜1与所述的激光11之间的夹角呈预设角度，所述的第一凹面镜1的凹面朝向激光头的喷嘴8，所述的第一凹面镜1的非凹面朝向所述的光接收及检测模块。

在该实施例中，所述的第一凹面镜1与所述的激光11之间的夹角呈45°，所述的聚光反射镜2、光接收及检测模块及第一凹面镜1位于同一水平线上。

在该实施例中，所述的光接收及检测模块包括透镜3、滤光片4及光电传感器5，所述的热辐射光依次透过所述的透镜3、滤光片4传递至所述的光电传感器5。

在该实施例中，所述的聚光反射镜2由第二凹面镜构成。

在一包括上述实施例中的光电检测装置的激光切割头中，该激光切割头还包括喷嘴8、下保护镜6及聚焦镜10，所述的光电检测装置位于所述的下保护镜6与聚焦镜10之间，所述的喷嘴8位于所述的下保护镜6的下方，所述的光接收及检测模块与主控系统相连接。

上述实施例中的收集热辐射光的光电检测装置可用以检测激光切割头的工作状态，监控下保护镜6的脏污程度，适用但不仅限于光纤激光器，能匹配不同聚焦焦距的切割头。

如图3所示，该实施例中的收集热辐射光的光电检测装置包含一个第一凹面镜1聚光反射镜2、透镜3、滤光片4以及一个光电传感器5。第一凹面镜1的结构示意图如图4(a)俯视结构示意图和图4(b)侧视结构示意图所示，其中侧视图表示从侧面观察第一凹面反射镜的情况，14表示的是第一凹面反射镜反射凹面。下视图是从底部往上观察看到第一凹面反射镜的情况，12表示第一凹面反射镜的中心通孔，允许激光11或者辐射光7通过。13第一凹面的反射区域除去中心通孔外的反射凹面，用以反射从喷嘴8进入切割头中的辐射光7。第一凹面镜1处在激光11光路中，45°角倾斜放置，其反射面对聚光反射镜2喷嘴8方向，非反射面对着透镜3，该透镜3可由柱面镜构成，滤光片4在柱面镜后方，光电传感器5处在滤光片4后方。

工作原理：所述第一凹面镜1的凹面朝向喷嘴8，用于反射来自激光11光束与工件9相互作用区域的热辐射光，同时也能反射来自下保护镜6反射的激光11。第一凹面镜1反射的辐射光7被聚光反射镜2反射后，经过聚光反射镜2到达透镜3，光线经过透镜3被整形后到达滤光片4，最终被光电传感器5接收并输出电流信号。

透镜3用于矫正辐射光7在传输过程中产生的像散，起到对光束整形的作用。热辐射光被透镜3折射后，到达滤光片4。滤光片4的作用在于反射来自激光器的光，光透过率在0.00001％以下，而对于不在激光11波段的光反射率却比较高，增强光电传感器5上接收到的辐射光7和激光11强度的比值，提高信号的对比度。

在激光切割头工作的过程中，激光11光束和工件9作用产生的辐射光7向四周辐射，部分辐射光7经过喷嘴8和下保护镜6片，到达第一凹面镜1上。对于第一凹面镜1来说，从喷嘴8中进入的辐射光7是发散光，第一凹面镜1会使得辐射光7的发散角度变小，在传输的过程中接近平行光。辐射光7到达聚光反射镜2后，被聚光反射镜2汇聚，再次经过第一凹面镜1，达到透镜3上。

在切割头和工件9相互作用时产生热辐射光，被光电传感器5接收，输出电信号。当工件9穿透后，热辐射光随即减弱直至消失。热辐射光消失后，光电传感器5输出的电信号趋于稳定，主控系统识别该信号的变化趋势，判断工件9是否被激光11穿透，控制切割头停止穿孔过程，进入切割过程，防止工件9过烧并节省了穿孔的时间。当产生爆孔时，主控系统收到异常信号，立即停止激光器出光，防止对工件9产生过烧。切割头在工作过程中，特别是切割高反射材料时，如出现未切透，光电传感器5将会接收到功率比较强的热辐射和激光 11，输出异常电信号，主控系统控制激光器停止出光，防止反射光损坏激光器。

当下保护镜6出现脏污时，下保护镜6反射的激光11会增加，激光11被第一凹面镜1反射，进入聚光反射镜2。聚光反射镜2将激光11反射进入透镜3中，激光11经过滤光片4 时，极大部分的激光11会被滤光片4反射，一部分激光11最终会进入光电传感器5，传感器响应到增加的激光11信号。相比干净的下保护镜6，脏污的保护镜反射的激光11强度大大增加。不同的脏污程度反射激光11的量有所区别。光电传感器5相应到增加的激光11信号后，将信号反馈给主控系统，主控系统根据反馈的信号级别判断保护镜是否已经脏污，做出相应的反馈动作。

该实施例中的收集热辐射光的光电检测装置及相应的激光切割头具有如下优点：

(1)本装置采用同轴检测方式，安装位置处在第三保护镜片上方，既能保护监测装置，也能最大程度减少激光镜片对辐射光7的损耗，增加接收信号强度；

(2)第一凹面镜1的45°放置特殊设计，能够有效地利用了空间，使得整体结构紧凑，容易模块化；

(3)第一凹面镜1，聚光反射镜2，透镜3都可以使用常规的光学材料，经济适用；

(4)该光电检测装置还可监控保护镜的脏污状态，对提高切割质量和保护切割头内部结构起到积极作用，使激光切割头更加智能化；

(5)本装置能用于但不仅限于光纤激光11应用的穿孔和中断监测，有利于提高激光11 切割效率和切割质量，能适用于不同聚焦焦距的切割头。

如图5所示，激光11光束依次从聚焦镜10、第一凹面镜1、保护镜及喷嘴8向工件9传输，激光11与工件9相互作用产生的热辐射光，热辐射光的最大有效波长和常见的光纤激光器的中心波长重合。相对于激光11强度来说，热辐射强度并不强，并且在经过了喷嘴8，切割头的流道后，能够进入切割头内部发热辐射光就更加少了。

图6为一保护镜污染状态下的激光切割头的光路示意图，如图6所示，当保护镜出现脏污时，保护镜反射的激光11会增加，箭头表示光传输的方向，最终部分激光11最终会进入光电传感器5，传感器输出信号。

图7为一实施例中本发明的激光切割头的光路模拟图，从激光切割头出射的激光11光束被聚焦镜10汇聚到工件9上，激光11和工件9相互作用产生的辐射光7。辐射光7经过喷嘴8进入到切割头内部，经过激光11保护镜片后，被第一凹面镜1反射到聚光反射镜2中。聚光反射镜2将辐射光7反射、汇聚，并通过第一凹面镜1到达透镜3。热辐射光经过滤光片4中，最后被光电传感器5接收，将光信号转变为电流信号输出给主控系统。该模拟结果显示，该结构能够对进入喷嘴8中的辐射光7起到很好的收集作用。图8为光电传感器5接收面接收到的光辐射值示意图，图中的圆形虚线为光电传感器5的接受面范围，中心的黑和灰色的点组成的形状为传感器接受面接受到的光强度分布图。由图中可以看出，从喷嘴8入射的辐射光7能良好地汇聚在传感器的接受面中心区域。

该收集热辐射光的光电检测装置用以监控激光11切割工作状态，用于检测激光11和工件9相互作用过程中产生的热辐射，用于监测激光11穿孔过程和切割过程，判断是否穿孔，爆孔以及切割中断等异常，可用于判断下保护镜6得脏污。

采用本发明的收集热辐射光的光电检测装置及相应的激光切割头，既能保护监测装置，也能最大程度减少激光11镜片对辐射光7的损耗，增加接收信号强度，有效地利用了空间，使得整体结构紧凑，容易模块化，经济适用、还可监控保护镜的脏污状态，对提高切割质量和保护激光切割头内部结构起到积极作用，使激光切割头更加智能化，有利于提高激光11切割效率和切割质量，能适用于不同聚焦焦距的切割头。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种收集热辐射光的光电检测装置，其特征在于，所述的装置包括第一凹面镜、聚光反射镜及光接收及检测模块；

所述的第一凹面镜位于激光的光路中，所述的聚光反射镜及所述的检测模块分别位于所述的第一凹面镜的两侧；

由所述的第一凹面镜将工件与所述的激光相互作用产生的热辐射光反射至所述的聚光反射镜的反射面，再由所述的聚光反射镜将接收到的所述的热辐射光聚集反射至所述的光接收及检测模块，所述的光接收及检测模块用于检测所述的热辐射光。

2.根据权利要求1所述的收集热辐射光的光电检测装置，其特征在于，所述的第一凹面镜与所述的激光之间的夹角呈预设角度，所述的第一凹面镜的凹面朝向激光头的喷嘴，所述的第一凹面镜的非凹面朝向所述的光接收及检测模块。

3.根据权利要求2所述的收集热辐射光的光电检测装置，其特征在于，所述的第一凹面镜与所述的激光之间的夹角呈45°，所述的聚光反射镜、光接收及检测模块及第一凹面镜位于同一水平线上。

4.根据权利要求1所述的收集热辐射光的光电检测装置，其特征在于，所述的光接收及检测模块包括透镜、滤光片及光电传感器，所述的热辐射光依次透过所述的透镜、滤光片传递至所述的光电传感器。

5.根据权利要求1所述的收集热辐射光的光电检测装置，其特征在于，所述的聚光反射镜由第二凹面镜构成。

6.一种包括权利要求1至5中任一项所述的光电检测装置的激光切割头，其特征在于，所述的激光切割头还包括喷嘴、保护镜及聚焦镜，所述的光电检测装置位于所述的保护镜与聚焦镜之间，所述的喷嘴位于所述的保护镜的下方，所述的光接收及检测模块与主控系统相连接。

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