CN111774723A - 一种检测光纤激光切割头零焦位置光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测光纤激光切割头零焦位置光学系统，包括第一直角棱镜、第二直角棱镜、滤光片组、准直镜组、聚焦镜组、光斑分析仪。本发明结构设计新颖，基于直角棱镜分光衰减特性，基于滤光片滤光特性、基于准直镜组与聚焦镜组消像差特性，通过将带喷嘴的激光切割头对准本光学系统入光口，结合光斑分析仪读取最小光斑位置，可精准确定激光切割头零焦位置，尤其适用于激光切割头零焦一致性检测与矫正应用。

Description

一种检测光纤激光切割头零焦位置光学系统

技术领域

本发明涉及光纤激光头检测技术领域，具体为一种检测光纤激光切割头零焦位置光学系统。

背景技术

激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多种激光加工工艺，利用了激光与物质相互作用的基本特性。由于激光束具有与加工材料的非接触性、加工速度快与质量优异等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。

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。

在光纤激光加工中，以光纤激光切割为主要，相对而言所需求的光纤激光切割头数量就极为庞大，而众所周知，良好的激光头一致性有助于客户复制加工工艺，简化工艺调试流程，节省人力物力成本，提高激光加工效率，如何保证光纤激光切割头的出货焦点一致性成为一大难题。

所谓激光切割头零焦，是指聚焦焦点在喷嘴口时，激光切割头相应的位置读数，比如带刻度的聚焦调节，当聚焦焦点在喷嘴口时，聚焦调节的刻度值记录为零焦位置。

在激光切割头中，导致激光头零焦位置不一致的因素有很多，其中包括零件加工误差、镜片加工误差、零件组装误差以及镜片组装误差等，而目前绝大多数寻找激光切割头零焦的方法为通过粗略的打点大小来判断，其中存在的误差可高达1mm量级，这对于激光切割头出厂零焦一致性以及矫正是非常不利的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测光纤激光切割头零焦位置光学系统，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：一种检测光纤激光切割头零焦位置光学系统，包括第一直角棱镜、第二直角棱镜、滤光片组、准直镜组、聚焦镜组、光斑分析仪；所述第一直角棱镜、第二直角棱镜为等腰直角棱镜，至少各有1个底面相互平行放置，且各镜面均不镀膜，镜片材料均为熔融石英材料；所述滤光片组至少由1片滤光片组成，截止波长包含1020nm-1090nm且截至深度相等，滤光类型为反射型或吸收型；所述准直镜组、聚焦镜组为球面消像差镜组，且准直镜组有效焦距大于等于聚焦镜组，镜片材料均为熔融石英材料；所述光斑分析仪至少具备光斑大小检测读取功能，类型包含狭缝扫描式分析仪、CCD型分析仪；所述滤光片组、准直镜组、聚焦镜组中心轴同轴，且第二直角棱镜斜面反射法线与滤光片组中心轴呈45°角。

优选的，所述滤光片组置于第二直角棱镜与滤光片组之间或准直镜组与聚焦镜组之间或聚焦镜组与光斑分析仪之间。

优选的，所述准直镜组、聚焦镜组有且仅有1组镜片沿镜片中心轴往返移动。

优选的，其使用方法包括以下步骤：

A、通过移动准直镜组或聚焦镜组，矫正本光学系统的入光口基准面，确保激光切割头零焦为0时的焦点位置刚好落在本光学系统的入光口基准面，矫正好后，固定好移动的镜组，即完成本光学系统的基准点矫正；

B、光纤激光器出射发散激光束，经过光纤激光切割头的光路系统聚焦，聚焦光束从喷嘴口出射，出射后形成发散激光；

C、再通过第一直角棱镜、第二直角棱镜大部分透光衰减功率，仅小功率光束反射到滤光片组上进一步滤光衰减功率，最终仅微瓦级光束由准直镜组准直，再由聚焦镜组聚焦，聚焦光束落到光斑分析仪检测区域，实现对光束轮廓尺寸的探测。

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，基于直角棱镜分光衰减特性，基于滤光片滤光特性、基于准直镜组与聚焦镜组消像差特性，通过将带喷嘴的激光切割头对准本光学系统入光口，结合光斑分析仪读取最小光斑位置，可精准确定激光切割头零焦位置，尤其适用于激光切割头零焦一致性检测与矫正应用。

(2)本发明提出的检测光学系统，通过第一直角棱镜、第二直角棱镜、滤光片组对激光束多层滤光，仅保留微瓦级功率的光束入射到光斑分析仪上，确保光斑分析仪安全稳定使用。另外，仅需要在激光切割头内通入小功率光纤激光，即可达到对零焦的检测判断，因此该套检测光学系统可以做得尺寸小且价格便宜。

(3)本发明提出的检测光学系统，在光斑分析仪检测分辨率的基础上，通过合理的长焦准直镜组与短焦聚焦镜组配比，有助于减小被检测段的光束焦深，从而提高激光头零焦检测精度。

(4)本发明提出的检测光学系统，准直镜组与聚焦镜组有且仅有1组镜片沿镜片中心轴方向往返移动，有助于确保本检测光学系统的入光口基准面，其目的是保障被检测出激光切割头的实际零焦位置，而不仅仅是各激光切割头的相对一致性，这有助于对零焦位置偏差较大的激光切割头进行零焦矫正以回归公差范围。

附图说明

图1为本发明的整体方案图。

图2为本发明的应用实施例示意图。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种检测光纤激光切割头零焦位置光学系统，包括第一直角棱镜1、第二直角棱镜2、滤光片组3、准直镜组4、聚焦镜组5、光斑分析仪6。

本方案中，所述第一直角棱镜1、第二直角棱镜2为等腰直角棱镜，至少各有1个底面相互平行放置，且各镜面均不镀膜，镜片材料均为熔融石英材料；

所述滤光片组3至少由1片滤光片组成，截止波长包含1020nm-1090nm且截至深度相等，滤光类型为反射型或吸收型；

所述准直镜组4、聚焦镜组5为球面消像差镜组，且准直镜组4有效焦距大于等于聚焦镜组5，镜片材料均为熔融石英材料；

所述光斑分析仪6至少具备光斑大小检测读取功能，类型包含狭缝扫描式分析仪、CCD型分析仪；

所述滤光片组3、准直镜组4、聚焦镜组5中心轴同轴，且第二直角棱镜2斜面反射法线与滤光片组3中心轴呈45°角。

本发明中，所述滤光片组3置于第二直角棱镜2与滤光片组3之间或准直镜组4与聚焦镜组5之间或聚焦镜组5与光斑分析仪6之间。

本发明中，所述准直镜组4、聚焦镜组5有且仅有1组镜片沿镜片中心轴往返移动。

应用实施例参考图2，工作原理：光纤激光器7出射发散激光束，经过光纤激光切割头8的光路系统聚焦，聚焦光束从喷嘴口8-1出射，出射后形成发散激光，再通过第一直角棱镜1、第二直角棱镜2大部分透光衰减功率，仅小功率光束反射到滤光片组3上进一步滤光衰减功率，最终仅微瓦级光束由准直镜组4准直，再由聚焦镜组5聚焦，聚焦光束落到光斑分析仪6检测区域，实现对光束轮廓尺寸的探测。

由于光纤激光切割头8本身具备喷嘴口8-1的焦点位置调节，因此通过调节光纤激光切割头8相应模块，实现光斑分析仪6上聚焦光束不同位置截面的光斑尺寸测量读取，在光斑分析仪6探测的光斑尺寸最小时，对应光纤激光切割头8上的实时零焦位置。

在使用本光学系统之前，可通过移动准直镜组4或聚焦镜组5，矫正本光学系统的入光口基准面，确保激光切割头零焦为0时的焦点位置刚好落在本光学系统的入光口基准面，矫正好后，固定好移动的镜组，即完成本光学系统的基准点矫正。

使用矫正好的本光学系统检测光纤激光切割头8的零焦位置时，本光学系统不再进行调整，而是直接调节光纤激光切割头8以检测最小点，如此确保光纤激光切割头8的零焦准确性，便于判断一致性并进行校准。

综上所述，本发明结构设计新颖，基于直角棱镜分光衰减特性，基于滤光片滤光特性、基于准直镜组与聚焦镜组消像差特性，通过将带喷嘴的激光切割头对准本光学系统入光口，结合光斑分析仪读取最小光斑位置，可精准确定激光切割头零焦位置，尤其适用于激光切割头零焦一致性检测与矫正应用；本发明提出的检测光学系统，通过第一直角棱镜、第二直角棱镜、滤光片组对激光束多层滤光，仅保留微瓦级功率的光束入射到光斑分析仪上，确保光斑分析仪安全稳定使用。另外，仅需要在激光切割头内通入小功率光纤激光，即可达到对零焦的检测判断，因此该套检测光学系统可以做得尺寸小且价格便宜；本发明提出的检测光学系统，在光斑分析仪检测分辨率的基础上，通过合理的长焦准直镜组与短焦聚焦镜组配比，有助于减小被检测段的光束焦深，从而提高激光头零焦检测精度；本发明提出的检测光学系统，准直镜组与聚焦镜组有且仅有1组镜片沿镜片中心轴方向往返移动，有助于确保本检测光学系统的入光口基准面，其目的是保障被检测出激光切割头的实际零焦位置，而不仅仅是各激光切割头的相对一致性，这有助于对零焦位置偏差较大的激光切割头进行零焦矫正以回归公差范围。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种检测光纤激光切割头零焦位置光学系统，其特征在于：包括第一直角棱镜(1)、第二直角棱镜(2)、滤光片组(3)、准直镜组(4)、聚焦镜组(5)、光斑分析仪(6)；所述第一直角棱镜(1)、第二直角棱镜(2)为等腰直角棱镜，至少各有1个底面相互平行放置，且各镜面均不镀膜，镜片材料均为熔融石英材料；所述滤光片组(3)至少由1片滤光片组成，截止波长包含1020nm-1090nm且截至深度相等，滤光类型为反射型或吸收型；所述准直镜组(4)、聚焦镜组(5)为球面消像差镜组，且准直镜组(4)有效焦距大于等于聚焦镜组(5)，镜片材料均为熔融石英材料；所述光斑分析仪(6)至少具备光斑大小检测读取功能，类型包含狭缝扫描式分析仪、CCD型分析仪；所述滤光片组(3)、准直镜组(4)、聚焦镜组(5)中心轴同轴，且第二直角棱镜(2)斜面反射法线与滤光片组(3)中心轴呈45°角。

2.根据权利要求1所述的一种检测光纤激光切割头零焦位置光学系统，其特征在于：所述滤光片组(3)置于第二直角棱镜(2)与滤光片组(3)之间或准直镜组(4)与聚焦镜组(5)之间或聚焦镜组(5)与光斑分析仪(6)之间。

3.根据权利要求1所述的一种检测光纤激光切割头零焦位置光学系统，其特征在于：所述准直镜组(4)、聚焦镜组(5)有且仅有1组镜片沿镜片中心轴往返移动。

4.实现权利要求1所述的一种检测光纤激光切割头零焦位置光学系统的使用方法，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：

A、通过移动准直镜组(4)或聚焦镜组(5)，矫正本光学系统的入光口基准面，确保激光切割头零焦为0时的焦点位置刚好落在本光学系统的入光口基准面，矫正好后，固定好移动的镜组，即完成本光学系统的基准点矫正；

B、光纤激光器(7)出射发散激光束，经过光纤激光切割头(8)的光路系统聚焦，聚焦光束从喷嘴口(8-1)出射，出射后形成发散激光；

C、再通过第一直角棱镜(1)、第二直角棱镜(2)大部分透光衰减功率，仅小功率光束反射到滤光片组(3)上进一步滤光衰减功率，最终仅微瓦级光束由准直镜组(4)准直，再由聚焦镜组(5)聚焦，聚焦光束落到光斑分析仪(6)检测区域，实现对光束轮廓尺寸的探测。

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