CN112404704A

CN112404704A - 变倍激光扩束镜及激光加工系统

Info

Publication number: CN112404704A
Application number: CN202011207819.7A
Authority: CN
Inventors: 邹武兵; 李璟; 张德安; 段家露; 吴飞龙
Original assignee: Shenzhen Inte Laser Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Inte Laser Technology Co ltd
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2021-02-26

Abstract

本发明提供了一种变倍激光扩束镜以及激光加工系统，变倍激光扩束镜包括：激光光路，具有入射端和出射端，激光光束自入射端进入变倍激光扩束镜，并由出射端射出；透镜组，包括沿入射端至出射端的方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，第一透镜和第三透镜均为负透镜，第二透镜和第四透镜均为正透镜；其中，第二透镜的焦距不小于第三透镜的焦距。本实施例的变倍激光扩束镜，通过设置“负‑正‑负‑正”的光学结构形式，在具有紧凑结构的前提下，可以使照射在第三透镜上的激光束光斑具有较大的尺寸，从而降低第三透镜上单位面积的激光束能量，故降低了在变倍激光扩束镜变倍过程中透镜组受到的激光损伤。

Description

变倍激光扩束镜及激光加工系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种变倍激光扩束镜及激光加工系统。

背景技术

在激光加工系统中，由于激光器的出射激光光束光斑较小、光束能量较高，因此需要设置扩束镜对激光器发出的激光光束进行扩束。

市面上常见的扩束镜一般采用“正-负-正”的光学结构排布，以形成变倍扩束镜，变倍扩束镜可以通过选择合适的变倍倍数以使激光加工性能最优。但在现有的变倍扩束镜中，负透镜位于正透镜的焦平面附近，因此激光束从正透镜形成的汇聚激光束会直接照射到负透镜上，激光束在负透镜上形成的光斑比入射在正透镜上的光斑小，这样便会导致负透镜上单位面积的激光束能量较高，负透镜的使用寿命受到影响而缩短变倍扩束镜的使用寿命。

因此有必要设计一种新型的扩束镜，以改变现状。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种变倍激光扩束镜及激光加工系统，用于解决传统激光加工系统中，由于单位面积上激光束能量较高，而导致变倍扩束镜寿命受到影响的问题。

本发明提出一种变倍激光扩束镜，包括：

激光光路，具有入射端和出射端，激光光束自所述入射端进入所述变倍激光扩束镜，并由所述出射端射出；以及

透镜组，包括沿所述入射端至所述出射端的方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜和所述第三透镜均为负透镜，所述第二透镜和所述第四透镜均为正透镜；其中，所述第二透镜的焦距不小于所述第三透镜的焦距。

在本发明的一些实施例中，所述第一透镜为双凹型负透镜，且所述第一透镜的焦距范围为-12mm～-15mm。

在本发明的一些实施例中，所述第二透镜的焦距范围为22mm～25mm。

在本发明的一些实施例中，所述第三透镜为双凹型负透镜，且所述第三透镜的焦距范围为-20mm～-25mm。

在本发明的一些实施例中，所述第四透镜为双凸型正透镜，且所述第四透镜的焦距范围为80mm～100mm。

在本发明的一些实施例中，所述第二透镜为弯月型正透镜。

在本发明的一些实施例中，所述第二透镜包括多个单独透镜，且多个所述单独透镜沿所述入射端至所述出射端的方向依次设置。

在本发明的一些实施例中，所述第一透镜与所述第四透镜之间的间距尺寸不大于150mm。

在本发明的一些实施例中，沿所述激光光路，所述激光光束在所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜上分别形成有第一光斑、第二光斑、第三光斑以及第四光斑，所述第一光斑的直径尺寸为Φ1，所述第二光斑的直径尺寸为Φ2，所述第三光斑的直径尺寸为Φ3，所述第四光斑的直径尺寸为Φ4；其中，Φ3≥Φ1，Φ2＞Φ3，Φ4＞Φ3。

在本发明的一些实施例中，所述第一透镜和所述第二透镜相对活动设置，所述第一透镜与所述第二透镜之间为第一间隔尺寸；所述第三透镜和所述第四透镜相对活动设置，所述第三透镜与所述第四透镜之间为第二间隔尺寸；其中，所述第一间隔尺寸的可变范围小于10mm，所述第二间隔尺寸的可变范围小于20mm。

在本发明的一些实施例中，所述第一透镜和所述第四透镜均与所述入射端相对固定，且所述第一透镜和所述第二透镜之间的间隔尺寸为150mm；所述第二透镜和所述第三透镜能够分别沿所述激光光路相对于所述第一透镜移动，且所述第二透镜和所述第三透镜的移动方向相反。

在本发明的一些实施例中，所述第二透镜与所述第三透镜均与所述入射端相对固定，且所述第二透镜与所述第三透镜之间的间隔尺寸为70mm；所述第一透镜和所述第四透镜能够分别沿所述激光光路相对于所述第二透镜移动，且所述第一透镜和所述第四透镜的移动方向相同。

在本发明的一些实施例中，所述第一透镜的前表面至所述第四透镜的后表面的间隔尺寸范围为132mm～142mm。

本发明还提供了一种激光加工系统，包括上述任意一项所述的变倍激光扩束镜。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本实施例的变倍激光扩束镜中，透镜组包括有沿激光光路依次设置的四组透镜，且四组透镜按照“负-正-负-正”的光学结构进行排布，并且第二透镜的焦距不小于第三透镜的焦距，以使第三透镜远离第二透镜的焦平面，从而使激光束照射在第三透镜上形成的激光束光斑具有较大的尺寸。本实施例的变倍激光扩束镜，通过设置上述光学结构，在具有紧凑结构的前提下，可以使照射在第三透镜上的激光束光斑具有较大的尺寸，从而降低第三透镜上单位面积的激光束能量，以降低在对激光光束进行扩大过程中透镜组受到的损伤，进而提高本变倍激光扩束镜的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1是本发明的实施例中变倍激光扩束镜在第一位置时的示意图；

图2是本发明的实施例中变倍激光扩束镜在第二位置时的示意图；

图3是本发明的实施例中变倍激光扩束镜在第三位置时的示意图；

图4是本发明的另一实施例中变倍激光扩束镜在第一位置时的示意图；

图5是本发明的另一实施例中变倍激光扩束镜在第二位置时的示意图；

图6是本发明的另一实施例中变倍激光扩束镜在第三位置时的示意图。

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作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。

本发明实施例提供了一种激光加工系统，用于使用激光对工件进行加工，上述激光加工系统包括一种新型的变倍激光扩束镜10。参阅图1和图4所示，变倍激光扩束镜10包括激光光路100以及透镜组，外部激光光源发射的激光光束沿激光光路100传输：具体地，激光光路100具有入射端110和出射端120，激光光束自入射端110进入变倍激光扩束镜10，并由出射端120射出；透镜组包括沿入射端110至出射端120的方向依次设置的第一透镜210、第二透镜220、第三透镜230和第四透镜240，第一透镜210和第三透镜230均为负透镜，第二透镜220和第四透镜240均为正透镜；其中，第二透镜220的焦距不小于第三透镜230的焦距。

在本实施例的变倍激光扩束镜10中，透镜组包括有沿激光光路100依次设置的四组透镜，且四组透镜按照“负-正-负-正”的光学结构进行排布，并且第二透镜220的焦距不小于第三透镜230的焦距，以使第三透镜230远离第二透镜220的焦平面，从而使激光束照射在第三透镜230上形成的激光束光斑具有较大的尺寸。本实施例的变倍激光扩束镜10，通过设置上述光学结构，在具有紧凑结构的前提下，可以使照射在第三透镜230上的激光束光斑具有较大的尺寸，从而降低第三透镜230上单位面积的激光束能量，以降低在对激光光束进行扩大过程中透镜组受到的损伤，进而提高本变倍激光扩束镜10的使用寿命。

具体在一实施例中，第一透镜210为双凹型负透镜，且第一透镜210的焦距范围为-12mm～-15mm。在本实施例中，第一透镜210为一整体透镜，在其他实施例中，第一透镜210也可以是组合透镜，在此不做唯一限定。

具体在本实施例中，第二透镜220的焦距范围为22mm～25mm。在优选实施例中，第二透镜220为弯月型正透镜。在一些其他实施例中，第二透镜220包括多个单独透镜，且多个单独透镜沿入射端110至出射端120的方向依次设置。

在本实施例中，第三透镜230为双凹型负透镜，且第三透镜230的焦距范围为-20mm～-25mm。在本实施例中，第三透镜230为一整体透镜，在其他实施例中，第三透镜230也可以是组合透镜，在此不做唯一限定。

具体在本实施例中，第四透镜240为双凸型正透镜，且第四透镜240的焦距范围为80mm～100mm。

参阅图1所示，定义图中所示L1为第一透镜210至第四透镜240之间的间距尺寸。在本实施例中，第一透镜210与第四透镜240之间的间距尺寸L1不大于150mm。

参阅图1至图3所示，在本实施例中，沿激光光路100，激光光束在第一透镜210、第二透镜220、第三透镜230以及第四透镜240上分别形成有第一光斑、第二光斑、第三光斑以及第四光斑，第一光斑的直径尺寸为Φ1，第二光斑的直径尺寸为Φ2，第三光斑的直径尺寸为Φ3，第四光斑的直径尺寸为Φ4；其中，Φ3≥Φ1，Φ2＞Φ3，Φ4＞Φ3。

具体地，当变倍激光扩束镜10处于低倍率时，Φ2＞Φ4＞Φ3≥Φ1；当所述变倍扩束镜处于中高倍率时，Φ4＞Φ2＞Φ3＞Φ1。

具体参阅图1所示，定义D1为第一透镜210至第二透镜220之间的间隔尺寸，定义D2为第三透镜230至第四透镜240之间的间隔尺寸；在本实施例中，第一透镜210和第二透镜220相对活动设置，第一透镜210与第二透镜220之间为第一间隔尺寸；第三透镜230和第四透镜240相对活动设置，第三透镜230与第四透镜240之间为第二间隔尺寸；其中，第一间隔尺寸的可变范围小于10mm，第二间隔尺寸的可变范围小于20mm。

具体在本实施例中，第一透镜210和第四透镜240均与入射端110相对固定，且第一透镜210和第二透镜220之间的间隔尺寸为150mm；第二透镜220和第三透镜230能够分别沿激光光路100相对于第一透镜210移动，且第二透镜220和第三透镜230的移动方向相反。

在此需要说明的是，通过设置可移动的第二透镜220和第三透镜230，以使本实施例中的变倍激光扩束镜10具有2倍～8倍的变倍范围，工作波长范围为1030nm～1080nm，中心使用波长为1064nm。当β＝2时，允许的最大入射光斑直径Φ＝6mm，当β＝8时，允许的最大入射光斑直径Φ＝2.5mm。

参阅图1所示，在第一位置时，第二透镜220朝向靠近入射端110的一侧移动，同时第三透镜230朝靠近出射端120的一侧移动，也就是说，D1随之减小，D2也随之减小；第一透镜210、第二透镜220、第三透镜230以及第四透镜240上对应的光斑Φ1、Φ2、Φ3以及Φ4的直径也随之发生改变，从而使变倍激光扩束镜10改变为图2所示的第二位置；变倍激光扩束镜10在第一位置时的放大倍率小于在第二位置时的放大倍率。

参阅图2所示，当第二位置时的变倍激光扩束镜10继续进行移动，第二透镜220朝靠近入射端110的方向移动，第三透镜230朝靠近出射端120的方向移动，从而使变倍激光扩束镜10改变为图3所示的第三位置；变倍激光扩束镜10在第二位置时的放大倍率小于在第三位置时的放大倍率。

参阅图4至图6所示，在另一实施例中，与上述实施例的区别在于，第二透镜220与第三透镜230均与入射端110相对固定，且第二透镜220与第三透镜230之间的间隔尺寸为70mm；第一透镜210和第四透镜240能够分别沿激光光路100相对于第二透镜220移动，且第一透镜210和第四透镜240的移动方向相同。具体地，在移动过程中，第一透镜210的移动量小于第四透镜240的移动量。

参阅图4至图6所示，在本实施例中，变倍激光扩束镜10在第一位置时的放大倍率小于在第二位置时的放大倍率，变倍激光扩束镜10在第二位置时的放大倍率小于在第三位置时的放大倍率。

具体地，参阅图4至图6所示，在本实施例中，第一透镜210至第四透镜240的间隔尺寸范围为132mm～142mm。具体地，132mm≤L21、L22、L23≤142mm，需要说明的是，在本实施例，L21、L22和L23的具体尺寸范围为第一透镜210的前表面至第四透镜240的后表面之间的间隔尺寸，在此需要说明的是，第一透镜210至第四透镜240的尺寸范围为光学总长变化范围。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种变倍激光扩束镜，其特征在于，包括：

2.根据权利1要求所述的变倍激光扩束镜，其特征在于，所述第一透镜为双凹型负透镜，且所述第一透镜的焦距范围为-12mm～-15mm。

3.根据权利2要求所述的变倍激光扩束镜，其特征在于，所述第二透镜的焦距范围为22mm～25mm。

4.根据权利要求3所述的变倍激光扩束镜，其特征在于，所述第三透镜为双凹型负透镜，且所述第三透镜的焦距范围为-20mm～-25mm。

5.根据权利要求4所述的变倍激光扩束镜，其特征在于，所述第四透镜为双凸型正透镜，且所述第四透镜的焦距范围为80mm～100mm。

6.根据权利2要求所述的变倍激光扩束镜，其特征在于，所述第二透镜为弯月型正透镜。

7.根据权利2要求所述的变倍激光扩束镜，其特征在于，所述第二透镜包括多个单独透镜，且多个所述单独透镜沿所述入射端至所述出射端的方向依次设置。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的变倍激光扩束镜，其特征在于，所述第一透镜与所述第四透镜之间的间距尺寸不大于150mm。

9.根据权利要求8所述的变倍激光扩束镜，其特征在于，沿所述激光光路，所述激光光束在所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜上分别形成有第一光斑、第二光斑、第三光斑以及第四光斑，所述第一光斑的直径尺寸为Φ1，所述第二光斑的直径尺寸为Φ2，所述第三光斑的直径尺寸为Φ3，所述第四光斑的直径尺寸为Φ4；其中，Φ3≥Φ1，Φ2＞Φ3，Φ4＞Φ3。

10.根据权利要求9所述的变倍激光扩束镜，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜相对活动设置，所述第一透镜与所述第二透镜之间为第一间隔尺寸；所述第三透镜和所述第四透镜相对活动设置，所述第三透镜与所述第四透镜之间为第二间隔尺寸；其中，所述第一间隔尺寸的可变范围小于10mm，所述第二间隔尺寸的可变范围小于20mm。

11.根据权利10要求所述的变倍激光扩束镜，其特征在于，所述第一透镜和所述第四透镜均与所述入射端相对固定，且所述第一透镜和所述第二透镜之间的间隔尺寸为150mm；所述第二透镜和所述第三透镜能够分别沿所述激光光路相对于所述第一透镜移动，且所述第二透镜和所述第三透镜的移动方向相反。

12.根据权利10要求所述的变倍激光扩束镜，其特征在于，所述第二透镜与所述第三透镜均与所述入射端相对固定，且所述第二透镜与所述第三透镜之间的间隔尺寸为70mm；所述第一透镜和所述第四透镜能够分别沿所述激光光路相对于所述第二透镜移动，且所述第一透镜和所述第四透镜的移动方向相同。

13.根据权利要求12所述的变倍激光扩束镜，其特征在于，所述第一透镜的前表面至所述第四透镜的后表面的尺寸范围为132mm～142mm。

14.一种激光加工系统，其特征在于，包括权利要求1-13任意一项所述的变倍激光扩束镜。