CN112756775B - 一种激光加工方法、光学系统及激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开一种激光加工方法、光学系统及激光加工设备。激光加工方法包括：发射激光束至反射镜，使得反射镜反射激光束至反摄远透镜组；控制反摄远透镜组透射激光束至待加工件，以加工待加工件。由于反摄远结构既能够相对保证短焦距的同时，又提高后截距，因此，光学镜头与待加工件的距离相对比较长，光学镜头距离热源比较远，避免热源损坏光学镜头，从而提高光学镜头的使用寿命和工作可靠性。

Description

一种激光加工方法、光学系统及激光加工设备

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光加工方法、光学系统及激光加工设备。

背景技术

激光加工待加工件时，通常需要控制激光束扫描待加工件的加工位置，以加工待加工件。此种加工方式在激光光斑扫描的同时，能够保证边沿光斑不失真，从而实现快速加工和扩展加工范围的目的。

此种加工方式所需的激光焦距通常为短焦距，由于在常规理论上，焦距和后截距成正比关系，亦即焦距越短，后截距越短，因此，激光输出头与待加工件的距离也比较短，激光输出头中光学镜头离加工热源较近，容易损坏光学镜头。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种激光加工方法、光学系统及激光加工设备，其能够加大光学镜头与待加工件的距离。

本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：

为解决上述技术问题，在第一方面，本发明实施例提供一种激光加工方法，包括：

发射激光束至反射镜，使得所述反射镜反射所述激光束至反摄远透镜组；

控制所述反摄远透镜组透射所述激光束至待加工件，以加工所述待加工件。

可选地，所述方法还包括：控制所述反射镜按照预设角度进行摆动，所述反射镜摆动时，所述激光束在视场范围内不同位置形成的聚焦光斑都在瑞利范围内。

可选地，所述方法还包括：控制所述待加工件移动，使得所述激光束相对所述待加工件的移动轨迹为预设移动轨迹。

可选地，所述激光束为多波长激光束，所述控制所述反摄远透镜组透射所述激光束至待加工件，以加工所述待加工件包括：

校正所述多波长激光束中各个波长激光的轴向色差，使得所述多波长激光束中各个波长激光的聚焦光斑都在相同成像面的瑞利范围；

控制所述各个波长激光焊接所述待加工件。

可选地，所述方法还包括：根据比例分配规则，控制每个所述波长激光的聚焦光斑大小。

可选地，所述激光束为多波长激光束，控制所述反摄远透镜组透射所述激光束至待加工件包括：

控制所述反摄远透镜组透射所述激光束，使得所述多波长激光束中各个波长激光在所述待加工件中不同厚度位置形成不同焦点；

控制所述各个波长激光切割所述待加工件。

可选地，所述激光束为多波长激光束，在所述激光束射入所述反射镜之前，所述方法还包括：准直所述多波长激光束。

为解决上述技术问题，在第二方面，本发明实施例提供一种光学系统，包括从物侧到像侧之间沿光轴依次设置的反射镜及反摄远透镜组，所述反射镜用于反射激光束，所述反摄远透镜组用于透射所述激光束至待加工件，以加工所述待加工件。

可选地，所述激光束为多波长激光束，透射所述反摄远透镜组的各个波长激光的焦点都在相同成像面的瑞利范围。

可选地，所述激光束为多波长激光束，透射所述反摄远透镜组的各个波长激光在所述待加工件中不同厚度位置形成不同焦点。

为解决上述技术问题，在第三方面，本发明实施例提供一种激光加工设备，所述激光加工设备包括上述的光学系统。

区别于现有技术的情况，在本发明实施例提供的激光加工方法中，首先，发射激光束至反射镜，使得反射镜反射激光束至反摄远透镜组；其次，控制反摄远透镜组透射激光束至待加工件，以加工待加工件。反摄远结构既能够相对保证短焦距的同时，又提高后截距，由于光学镜头与待加工件的距离相对比较长，光学镜头距离热源比较远，避免热源损坏光学镜头，从而提高光学镜头的使用寿命和工作可靠性。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明实施例提供的光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光束在待加工件上形成的一个周期内的轨迹示意图；

图3为本发明另一实施例提供的光学系统的结构示意图；

图4为图3所示的准直透镜组准直915nm、975nm及1080nm波长激光的示意图；

图5a为本发明再一实施例提供的光学系统的结构示意图；

图5b为本发明再一实施例提供的光学系统的结构示意图；

图5c为本发明实施例提供的由三个波长激光组成的激光束在相同成像面形成的聚焦光斑图；

图5d为图5c所示的三个波长激光各自形成的聚焦光斑都处在瑞利范围时的聚焦光斑示意图；

图6a为本发明实施例提供的单焦点焊接待加工件的示意图；

图6b为本发明实施例提供的多焦点波长切割待加工件的示意图；

图7为图1所示光学系统的点列图；

图8为图1所示光学系统的场曲与畸变图；

图9为本发明实施例提供的一种激光加工方法的流程示意图；

图10为本发明另一实施例提供的一种激光加工方法流程示意图；

图11为本发明再一实施例提供的一种激光加工方法流程示意图；

图12为图9所示的S92的一种流程示意图；

图13为本发明再一实施例提供的一种激光加工方法流程示意图；

图14为图9所示的S92的另一种流程示意图；

图15为本发明再一实施例提供的一种激光加工方法流程示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

本发明实施例提供的激光加工方法适用于任意合适激光加工场景，包括激光焊接场景、激光打标场景或激光切割场景等。

本发明实施例提供的激光加工方法应用于任意合适光学系统，对不同激光加工场景，本领域技术人员可根据下文所阐述的激光加工方法，为光学系统配置相应的透镜组件和调整相应透镜组件的透镜参数，以满足相应激光加工场景的需要。

本发明实施例提供一种光学系统，请参阅图1，光学系统100包括从物侧到像侧沿光轴依次设置的反射镜10及反摄远透镜组20。

在本实施例中，光学系统100工作时，激光源发射激光束至反射镜10，反射镜10将激光束反射至反摄远透镜组20，反摄远透镜组20透射激光束至待加工件，激光束在待加工件形成焦点，从而加工待加工件。

举例而言，焊接待加工件时，激光束在待加工件的缝隙位置上形成焦点，并加热待加工件的表面，表面热量通过热传导向待加工件内部扩散，使处于缝隙位置的部分待加工件融化，以便焊接待加工件的对应缝隙。

再举例而言，切割待加工件时，激光束在待加工件的切割位置上形成焦点，利用激光束高能量密度，在特定范围加热待加工件的表面，表面热量通过热传导向待加工件内部扩散，使待加工件融化，以便切割待加工件。

可以理解的是，激光源可以为各类激光器产生的激光源。

在本实施例中，反摄远结构既能够相对保证短焦距的同时，又提高后截距，由于光学镜头与待加工件的距离相对比较长，光学镜头距离热源比较远，避免热源损坏光学镜头，从而提高光学镜头的使用寿命和工作可靠性。

在一些实施例中，反射镜10可以固定安装于光学系统100，亦可以可转动地安装于光学系统100中。

在一些实施例中，反射镜10具有平行于反射镜10的摆动轴，亦即，摆动轴的轴线平行于反射镜10所在的平面，如图1所示，摆动轴垂直于纸面或者水平设置，反射镜10可以以摆动轴为中心按照预设角度进行往复摆动，以改变激光束的焦点在视场范围内的扫描位置，例如，反射镜10绕摆动轴作逆时针摆动，或者绕摆动轴作顺时针摆动，从而改变激光束的焦点在视场范围内的扫描位置。

在一些实施例中，反射镜10按照任意合适的预设角度进行摆动，激光束经过反射镜10的反射后，激光束在视场范围内不同位置形成的聚焦光斑都在瑞利范围内。举例而言，反摄远透镜组可被配置成平场镜组，激光束被处于不同摆动角度下的反射镜10反射后，再透射至平场透镜组中，在其视场范围内不同扫描位置下所形成的焦点直径都一致或者聚焦光斑都在瑞利范围内，亦即，在像面均匀的情况下，在视场范围内不同扫描位置下所形成的焦点直径都一致或者聚焦光斑都在瑞利范围内。例如，预设角度为±10°，反射镜10在按照预设角度±10°摆动时，可在视场范围内不同扫描位置下形成多个聚焦光斑，不同扫描位置的聚焦光斑都在瑞利范围内。

采用此种结构和特性的光学系统，其对于各种激光加工场景具有重要意义。举例而言，在激光焊接场景中，由于不同扫描位置的聚焦光斑直径一致，不同扫描位置的光斑能量均匀，最终的焊接平面较为平整。再举例而言，在激光切割场景中，如前所述，不同扫描位置的光斑能量均匀，切割平面的毛刺较少。

可以理解的是，反射镜10的摆动角度可以按实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。

在一些实施例中，光学系统100可以通过第一电机带动反射镜10进行摆动。

通常，用户可以根据不同的激光加工场景，调整光学系统的放大比例，放大比例越小，聚焦光斑直径越小。在相同输出能量的情况下，聚焦光斑直径越小，光斑能量密度越高，激光束越容易焊接或切割或打标待加工工件。由于激光焊接场景或激光切割场景或激光打标场景等场景，其所需的焊接缝隙或切割宽度或打标宽度是不同的，当焊接缝隙或切割宽度或打标宽度比较大，焦点比较小时，为了有效地实施激光作业，当反射镜按照预设角度进行摆动时，光学系统100可以通过第二电机带动待加工件移动，使得激光束相对待加工件的移动轨迹为预设移动轨迹，预设移动轨迹包括直线形、正弦形、余弦形或圆弧形等。

举例而言，光学系统100控制反射镜按照预设角度进行摆动，并且再控制待加工件作直线移动，使得激光束相对待加工件的移动轨迹为正弦形，从而满足相关激光加工场景的需要，

在一些实施例中，反射镜10的摆动角度可以受预设摆动函数的约束，第二电机带动待加工件作的直线移动可以受预设直线运动函数的约束，其中，预设摆动函数与预设直线运动函数由用户根据设计需要自定义，例如，请参阅图2，预设摆动函数为y＝10*sin(t*360)，预设直线运动函数为x＝50*t，y为摆动角度，x为移动距离，t为时间，单位为秒。由此可见，反射镜10的摆动角度范围为-10至10，反射镜10的摆动方向和待加工件的移动方向互相垂直，因此，激光束相对待加工件的移动轨迹为正弦形。x方向的移动速度和y方向的摆动角度可以由实际输入功率、波长、焊接或切割板材、焊接或切割质量定义。

在本实施例中，利用反射镜10的摆动，结合待加工件的运动补偿，一方面，由于反射镜10的摆动，扩宽了激光束在待加工件的激光扫描范围，并且还借助了待加工件的运动补偿，可以使得激光束在待加工件上形成任意合适加工轨迹，从而其能够满足各类宽度的焊接缝隙、切割宽度或打标宽度等场景需求，另一方面，借助待加工件的运动补偿，还可以提高加工效率。

在一些实施例中，激光束不仅可以为单波长激光束，亦可以为多波长激光束，亦即反射镜10不仅可以反射单波长激光束，亦可以同时反射多波长激光束。可以理解的是，在单波长激光束或多波长激光束下，本领域技术人员通过调整光学系统100中的相关光学参数，使得反射镜10按照任意合适的预设角度进行摆动时，在视场范围内不同扫描位置下所形成的聚焦光斑都在瑞利范围内。

请继续参阅图1，反摄远透镜组20包括第一透镜组30与第二透镜组40，其中，反射镜10、第一透镜组30及第二透镜组40从物侧到像侧沿光轴依次设置，第一透镜组30具有负光焦度，第二透镜组40具有正光焦度。

由于第一透镜组30具有负光焦度，第二透镜组40具有正光焦度，两者构成了反摄远结构。

工作时，反射镜10将激光束反射至第一透镜组30，反射后的激光束依次通过第一透镜组30及第二透镜组40透射至待加工件，激光束在待加工件形成焦点，从而加工待加工件。

在一些实施例中，反摄远透镜组20还包括平面透镜50，反射镜10、第一透镜组30、第二透镜组40及平面透镜50从物侧到像侧沿光轴依次设置。在一些实施例中，第一透镜组30、第二透镜组40及平面透镜50可以构成平场镜组。

通常，激光在透镜中传播速度或折射率随着波长改变，因此，对于多波长系统透镜需要进行材料选型。色散率为表征介质色散程度，即量度介质折射率随波长变化的快慢。定义为波长差为1个单位的两种光折射率差：对于n变化较快的区域，色散率定义为它们特性为：①波长越短，折射率越大；②波长越短，折射率随波长的变化率越大，色散率|ν|越大；③波长一定，折射率越大的材料，色散也越大。

正常的色散符合柯希公式，A，B，C是与材料有关的常数，通常可以去前两项如果把色散曲线的测量向光吸收区延伸，就会观察到这种“反常”色散。对于任何介质，在一个较大的波段范围内都不只有一个吸收带，而是由几个吸收带。从电子论的观点，考虑不同带电谐振子德共同效应。电荷与质量分别为e_j和m_j的不同带电粒子谐振子与每个频率ω_0j相对应，这时的复折射率的表达式应写为：实际上由于反常色散区的严重色散，不同波长的单色光在某个聚焦面上会有弥散严重的光斑出现。

在本实施例中，由于激光束为多波长激光束，因此需要对它们进行光焦度分配，如果没有进行光焦度分配，当它们通过透镜后聚焦于沿轴不同位置，形成不同聚焦点位置，这是因为透镜的折射率随着波长的变化而变化，光学系统的性质和波长密切联系。

折射率随着波长的变化度光学系统的直接影响是引起色差。有薄透镜光焦度公式为于以看出：当折射率改变时，不同波长的光线的焦点将沿着光轴方向移动。通常短波长的光折射得厉害，这表明光角度大，焦距短，在光轴上的焦点比长波长的焦点更靠近透镜。这种由光轴上同一点发出的不同波长的光经过光学系统后与光轴焦点的差别就是轴向色差，轴向色差也叫位置色差。在对光学系统进行计算时，要对波长范围最长的波长和最短的波长进行近轴光学计算。分别求出其像点。如果轴向色差没有进行校正，那么这两个波长的像点是不重合的，从而引起色差。

在本实施例中，假设本实施例提供的光学系统采用915nm到1080nm的波长，因此对于该光学系统，选取915nm作为截止的短波波长L(915nm)，选取1080nm作为截止的长波波长L(1080nm)。因此，这个激光光路系统的轴向色差定义为：L＝L(915nm)-L(1080nm)，当L＜O时，说明L(915nm)焦点比L(1080nm)靠近透镜，轴向色差是欠校正的。当L＞O时，说明L(1080nm)焦点比L(915nm)焦点靠近光轴，轴向色差是过校正的。通常正的单透镜有欠校正的轴向色差。而负的单透镜有过校正的轴向色差。因此采用正负透镜的方式可以组成一个色差校正模块，计算原理如下：

初级色差的分布式为：C₁＝luni(Δn′/n′-Δn/n)；

Δn′＝n′_F-n′_C，Δn＝n_F-n_C；

其中，C1为初级位置色差分布系数。

对于单透镜，应用公式可得：

ν为透镜玻璃的阿贝数，Φ为透镜的光焦度，M为透镜数，h为透镜的半通光口径。

由以上公式可知，单透镜不能校正色差，单正透镜具有负色差，单负透镜具有正色差。阿贝数同色散是反比关系，通常来说阿贝数同折射率也是反比关系，折射率越高，阿贝数越低，色散越大。因此校色差的光学系统需要由正负透镜组成。满足消色差的条件是：

h²(Φ₁/υ₁+Φ₂/ν₂)＝0

Φ₁+Φ₂＝Φ；

由此可得，满足总光焦度为Φ时，正负透镜的光焦度分配应为：

Φ₁＝ν₁Φ₁/(ν₁-ν₂)

Φ₂＝-ν₂Φ₂/(ν₁-ν₂)；

该公式只与光焦度分配、透镜的选型材料有关，和波长没有关系，色散得以消除。

当激光束为多波长激光束时，为了校正色差和兼容多波长，在一些实施例中，请参阅图3，光学系统100还包括准直透镜组60，准直透镜组60设置于反射镜10朝向物侧的一侧，用于准直多波长激光束，请结合图4，激光源可以发射多波长激光，石英棒70可以传输激光源发射的多波长激光束，诸如1080nm、975nm及915nm波长激光，1080nm、975nm及915nm波长激光同时射向准直透镜组60时，准直透镜组60都可以准直上述波长。可以理解的是，准直透镜组60可以包括一个或多个准直透镜。

请参阅图5a，光学系统100还包括多波长组件80，多波长组件80设置在准直透镜组60的物侧，且多波长组件80中至少包含一个正透镜与一个负透镜，通过多波长组件80中透镜的光学参数包括(曲率，厚度，折射率，阿贝数)，用于校正多波长光束的轴向色差。其中，所述正透镜可以为弯月透镜或双凸透镜，其中，所述弯月透镜的凹面靠近所述像侧，所述弯月透镜的凸面靠近物侧。所述负透镜为双凹透镜或平凹透镜，其中，平凹透镜的平面靠近物侧，平凹透镜的凹面靠近像侧，本文的像侧为靠近待加工件一侧，物侧为靠近激光源的一侧。通过采用多波长组件80，其能够校正色差，有效的提高聚焦后的光斑分辨率。

在一些实施例中，请参阅图5b，多波长组件80包括第一多波长透镜81，第一多波长透镜81为负透镜，第一多波长透镜81设置于准直透镜组60与石英棒70之间，其双面均为凹面。

在一些实施例中，请继续参阅图5b，多波长组件80包括第二多波长透镜82，第二多波长透镜82为正透镜，第二多波长透镜82设置于准直透镜组60与第一多波长透镜81之间，其为弯月透镜，其中，所述弯月透镜的凹面靠近所述像侧，所述弯月透镜的凸面靠近物侧。

在本实施例中，通过第一多波长透镜81、第二多波长透镜82及准直透镜组60的作用，不同波长激光准直后的发散角得到极大压缩，实现了免调节也能对多波长激光相同倍率的放大，避免由于发散角过大而导致后面的放大倍率不一致。并且，通过第一多波长透镜81与第二多波长透镜82，光学系统100能够兼容多波长激光的输入，满足各类多波长激光的加工场景。

如前所述，本实施例提供的光学系统利用多波长激光束，可以完成多种激光加工场景的作业。

在一些实施例中，当激光束为多波长激光束时，出于不同激光加工场景，光学系统100可以输出满足激光加工场景所需的焦点，以便有效加工待加工件。

在一些实施例中，激光束为多波长激光束，透射反摄远透镜组20的各个波长激光的焦点都在相同成像面的瑞利范围。举例而言，当激光加工场景为激光焊接场景，光学系统100校正多波长激光束中各个波长激光的轴向色差，使得多波长激光束中各个波长激光的聚焦光斑都在相同成像面的瑞利范围，控制各个波长激光焊接待加工件，请一并参阅图5c与图5d，多波长激光束中各个波长激光的聚焦光斑都在相同成像面，并且都在瑞利范围。

请参阅图1及图6a，光学系统100控制多波长激光束中各个波长激光经过反射镜10的反射后，射入由第一透镜组30、第二透镜组40以及平面透镜50组成的聚焦透镜组，聚焦透镜组进行消色差处理，满足消色差的条件是：A＝0；由此可得，满足总光焦度为Φ时，正负透镜的光焦度分配应为：根据光焦度分配调整第一透镜组30，第二透镜组40的光学参数包括(曲率，厚度，折射率，阿贝数)使得多波长光斑51中各波长激光在相同成像面52形成落在瑞利范围的聚焦光斑，以便可靠安全高效地焊接待加工件53。

通常，激光的波长越短，物体的吸收越好，在相同功率密度的情况下，短波效果更好。在本实施例中，由于多波长激光束包含多种波长的激光，最终形成在相同成像面下每个波长激光的聚焦光斑大小各不相同。并且，各个波长激光在成像面的光能量密度由外向内逐渐增强，因此，使用多波长激光束在激光焊接下加工待加工件时，由于长波的激光形成的大光斑能够在激光加工过程中，获得相对短波时的更大焊接面积或切割面积，短波激光形成的小光斑能够形成所需要的焊接深度，因此，长波激光通过加热焊接面，避免了热量过度集中或受热过度不均匀而导致熔化金属出现飞溅，从而提高了加工安全性，并且还能够整体焊接更均匀，以及焊接的宽度也更宽，从而保证焊接的质量。

由于多波长激光束中各个波长激光的聚焦光斑在相同成像面,且不同波长都还在不同波长在瑞利范围内，光学系统还可以根据比例分配规则，控制每个波长激光的聚焦光斑大小，以满足在摆动多波长激光进行焊接时对激光光束的整形需求，减小弥散斑，提高焊接质量。

在本实施例提供的光学系统中，其能够兼容多波长焊接，在不同波长激光的输入情况下，既能兼容所有波长在相同成像面有最佳焦点，又无需额外的空间透镜对不同波长激光进行同轴输出控制，便可以实现多波长同时加工的工艺需求，又能保证一定幅面的摆动焊接的工艺需求，即在扫描系统的情况下，不同扫描范围的激光器成像面的光斑均匀，减小弥散斑的直径，并能够控制不同波长激光在同一个焊接面的焦点直径大小。

在本实施例中，由于反射镜10是可摆动的，因此，光学系统能够适应焊接面积较大的待加工件，亦即兼容大焊接范围的需求，并且还可以保证边沿光斑不失真。

当激光加工场景为激光切割场景，且激光束为单波长激光束时，经常出现单个焦点在切割待加工件时，由于待加工件的厚度和激光的焦点不匹配，亦即焦点所引起的材料应力在不同厚度位置的差别比较大，容易导致产品崩边。

因此，在一些实施例中，激光束为多波长激光束，透射反摄远透镜组20的各个波长激光在待加工件中不同厚度位置形成不同焦点。举例而言，当激光加工场景为激光切割场景，激光束为多波长激光束，光学系统控制反摄远透镜组透射激光束，使得多波长激光束中各个波长激光在待加工件中不同厚度位置形成不同焦点，控制各个波长激光切割待加工件。

在本实施例中，由于光学系统能够控制多波长激光束中各个波长激光的焦点大小和位置，例如，短波形成的焦点短，长波形成的焦点长，利用不同波长和光学透镜的光学特性，形成物理层面的分割，使各个焦点有效地分布在需要切割板材的厚度位置，实现多波长激光的多焦点同时切割，避免由于单个焦点切割而引起产品崩边。多焦点的切割能在切割板材形成不同的切割焦点，可对切割应力有效划分，进而达到消除应力，进行快速高效的切割。在一些实施例中，待加工件为透明工件，不同波长激光皆可透过所述待加工件。

请参阅图1，图6b，光学系统100控制多波长激光束中各个波长激光经过反射镜10的反射后，射入由第一透镜组30、第二透镜组40以及平面透镜50组成的聚焦透镜组，反射后的多波长激光束依次通过第一透镜组30、第二透镜组40以及平面透镜50透射至待加工件，满足产生特定色差的条件是：A≠0；由此可得，满足总光焦度为Φ时，计算正负透镜的光焦度分配，根据光焦度分配调整第一透镜组30，第二透镜组40的光学参数包括(曲率，厚度，折射率，阿贝数)，使得多波长激光束中915nm,975nm,1080nm的激光在待加工件62中不同厚度位置形成不同焦点，多波长光斑61中915nm波长的激光在待加工件62中第一厚度位置对应的第一焦点平面63形成第一焦点，975nm波长的激光在第二厚度位置对应的第二焦点平面64形成第二焦点，1080nm波长的激光在第三厚度位置对应的第三焦点平面65形成第三焦点，第一焦点，第二焦点，第三焦点相互之间的距离为预设距离，每相邻两个焦点之间的距离为预设距离，不同焦点同时进行切割工作，避免由于单个焦点切割而引起产品崩边，并且还可以提高切割效率和质量。

在一些实施例中，每相邻两个焦点之间的距离可被预先设置，从而满足不同场景下的切割需求。

在一些实施例中，请结合图1，第一透镜组30为第一透镜，第一透镜为平凹透镜，平凹透镜具有负光焦度，并且平凹透镜的平面靠近物侧，平凹透镜的凹面靠近像侧。

第二透镜组40包括第二透镜41和第三透镜42，其中，第二透镜41为双凸透镜，具有正光焦度，第三透镜42为双凸透镜，也具有正光焦度，由此可见，光学系统100的镜片结构较少，结构简单，易于装调，降低了成本。

并且，对比使用单透镜聚焦，在同样焦距的情况下，在该光学系统100中，通过第二透镜41和第三透镜42聚焦，双透镜聚焦能够使透镜中心和透镜边沿的汇聚能力得到加强，因此成像质量更好，从而使聚焦的光斑更小。

同时，为了实现像面平场，即在满足反射镜10不同摆动幅度时的聚焦光斑一致的目的，对比使用单透镜聚焦，若要将激光束摆动幅度相同，采用第二透镜41和第三透镜42聚焦能够让聚焦效果更好，反射镜10所需要摆动的角度也更小。

最后，第一透镜、第二透镜41和第三透镜42组合实现了反摄远的结构，第一透镜为负透镜，对反射镜反射的激光束进行发散，形成带有一定发散角的入射光束，增大了入射到第二透镜41的光线的发散角和到第二透镜41的光斑大小，并且增加了物点焦距。在不同入射发散角的情况下，会形成不同的后截距，从而达到延长后截距，达到反摄远的效果。

同时根据ABCD传输矩阵，增加第一透镜之后，所述光束再经第二透镜41和第三透镜42，需要在更远的距离进行聚焦，从而增大了光学系统100的后截距，使待加工件和光学系统100之间的距离更远，能够更好的保护光学系统100不被从焊接工作回返的激光破坏。

在一些实施例中，第一透镜可以为双凹透镜，具有负光焦度，第二透镜具有正光焦度。

第二透镜41可以为第一弯月透镜，其中，第一弯月透镜的凹面靠近物侧，第一弯月透镜的凸面靠近像侧。

第三透镜42可以为第二弯月透镜，具有正光焦度，其中，第二弯月透镜的凹面靠近物侧，第二弯月透镜的凸面靠近像侧。

在实际应用中，第一透镜、第二透镜41和第三透镜42的透镜类型可根据实际需要进行选择，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。

为了进一步降低加工难度，在一些实施例中，第一透镜、第二透镜41以及第三透镜42均为球面透镜。

在一些实施例中，为了能更好校正像差，第一透镜、第二透镜41以及第三透镜42也可以使用非球面透镜。在实际应用中，所述用于激光焊接的光学系统100中球面透镜的个数可以根据需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例的限定。

为了能保证反射镜10反射的光束能纳入第一透镜、并且经第一透镜发散、再由第二透镜41和第三透镜42聚焦，在一些实施例中，用于激光焊接的光学系统100满足以下关系：

5mm＜d₁＜30mm，

5mm＜d₂＜30mm，

0.5mm＜d₃＜2mm；

其中，d₁为反射镜10的中心至第一透镜光心的距离，d₂为第一透镜的光心至第二透镜41光心的距离，d₃为第二透镜41的光心至所述第三透镜42光心的距离。

为了保证光学系统100的总长与像差之间的平衡，在一些实施例中，反射镜10的中心至平面透镜50中心的距离为90-130mm，光学系统100的有效焦距为30-60mm。同时为了保证能够让光学系统100能够保证像面均匀，在一些实施例中，光学系统100的全视场角为0°-10°。

在实际应用中，光学系统100的总长、有效焦距、全视场角可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。

为了保证光学系统100能够更好地接收输入光束，在一些实施例中，光学系统100的入瞳直径为2-15mm，由于物方和用于激光焊接的光学系统之间的焦距共同作用决定入瞳直径，在实际应用中，光学系统100的入瞳直径可以根据不同的焊接应用场景进行设置，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。

在一些实施例中，光学系统100的有效焦距为30-60mm，全视场角为0°-10°，入瞳直径为2-15mm。

由于光学系统100的有效焦距和入瞳直径较小，不仅能保证工作时所需的短焦条件和单位面积的高能量密度，而且也使光学系统100易于接收激光器输出的激光光束。同时光学系统100的全视场角为0°-10°，可达到激光扫描的要求范围，例如，在焊接过程中可以通过反射镜转动，进行聚焦光斑扫描，同时通过控制摆动频率，来调节加工速度，从而满足快速加工的需求。

为了详细阐述本发明实施例提供的光学系统的成像质量，下面结合图7与图8对此作出说明：

本实施例提供的光学系统能够兼容915nm、975nm及1080nm的波长激光。请参阅图7，在相同能量输出的情况下，将915nm、975nm及1080nm的波长激光分别输入光学系统，得到如图7所示的点列图，点列图反映的是光学系统成像的几何结构，在像质评价中，可用点列图的密集程度更加直观反映和衡量系统成像质量的优劣，点列图的RMS半径越小，证明像差越小、系统的成像质量越好。

如图7所示，RMS半径控制在11.85微米，即该用于激光焊接的光学系统各视场光斑较小，像差校正比较好，该用于激光焊接的光学系统的聚焦质量好，能满足焊接过程中激光光斑大小的需求。

如图8所示，图8的左侧为场曲曲线，右侧为畸变曲线，场曲是物平面形成曲面像的一种像差，以子午场曲和弧矢场曲来表征，二者过大会严重影响光学系统的轴外光线成像质量。如图8所示，场曲小于20微米，畸变小于5％，由此可见，本实施例中的光学系统的场区畸变较小，聚焦效果好，能满足激光聚焦光斑的要求。

由以上数据可知，光学系统100不仅结构简单，而且像差校正较好，聚焦效果好且能满足长后截距的要求。

本发明实施例还提供一种激光加工设备，激光加工设备包括如上述任意实施例所述的光学系统。

本发明实施例还提供一种激光加工方法，请参阅图9，激光加工方法S900包括：

S91、发射激光束至反射镜，使得反射镜反射激光束至反摄远透镜组；

S92、控制反摄远透镜组透射激光束至待加工件，以加工待加工件。

在本实施例中，反摄远结构既能够相对保证短焦距的同时，又提高后截距，由于光学镜头与待加工件的距离相对比较长，光学镜头距离热源比较远，避免热源损坏光学镜头，从而提高光学镜头的使用寿命和工作可靠性。

在一些实施例中，请参阅图10，激光加工方法S900还包括步骤S93，步骤S93：控制反射镜按照预设角度进行摆动，反射镜摆动时，激光束在视场范围内不同位置形成的聚焦光斑都在瑞利范围内，举例而言，光学系统通过第一电机带动反射镜摆动，其中，第一电机通过传动组件与反射镜的摆动轴连接，第一电机可以通过传动组件带动反射镜按照预设角度作往返摆动，其中，传动组件可以为由任意合适部件构成的传动机构，例如齿轮传动机构、皮带传动机构或线条传动机构等。

在一些实施例中，请参阅图11，激光加工方法S900还包括步骤S94，步骤S94：控制待加工件移动，使得激光束相对待加工件的移动轨迹为预设移动轨迹，举例而言，光学系统通过第二电机带动待加工件作直线移动，使得激光束相对待加工件的移动轨迹为正弦形，其中，第二电机通过滑动组件与待加工件连接，第二电机通过滑动组件驱动待加工件作直线移动，其中，滑动组件可以为由任意合适部件构成的滑动机构，例如滑动组件包括滑动丝杆与滑动块，滑动丝杆与第二电机连接，滑动块套设于滑动丝杆，滑动块与待加工件连接，第二电机驱动滑动丝杆转动，滑动丝杆驱动滑动块带动待加工件作直线移动。

在一些实施例中，激光束为多波长激光束，请参阅图12，步骤S92包括：

S921、校正多波长激光束中各个波长激光的轴向色差，使得多波长激光束中各个波长激光的聚焦光斑都在相同成像面的瑞利范围；

S922、控制各个波长激光焊接待加工件。

在一些实施例中，请参阅图13，激光加工方法S900还包括步骤S95，步骤S95：根据比例分配规则，控制每个波长激光的聚焦光斑大小。

与上述各个实施例不同点在于，激光束为多波长激光束，在一些实施例中，请参阅图14，步骤S92包括：

S923、控制反摄远透镜组透射激光束，使得多波长激光束中各个波长激光在待加工件中不同厚度位置形成不同焦点；

S924、控制各个波长激光切割待加工件。

在一些实施例中，请参阅图15，激光加工方法S900还包括步骤S96，步骤S96：准直多波长激光束。

可以理解的是，未在本方法实施例详尽阐述的技术内容，其可以引用上述各个实施例中光学系统所阐述的技术内容，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种激光加工方法，其特征在于，包括：

发射激光束，其中，所述激光束为多波长激光束，所述多波长激光束透射多波长组件，所述多波长组件包括第一多波长透镜及第二多波长透镜，所述多波长激光束依次透射第一多波长透镜和第二多波长透镜，其中，所述第一多波长透镜的双面都为凹面，所述第二多波长透镜的凹面靠近像侧，凸面靠近物侧；

透射所述第二多波长透镜的多波长激光束入射至反射镜，使得所述反射镜反射所述激光束至反摄远透镜组，其中，所述反摄远透镜组包括第一透镜组与第二透镜组，所述第一透镜组及所述第二透镜组从物侧到像侧沿光轴依次设置，所述第一透镜组具有负光焦度，所述第二透镜组具有正光焦度；所述第二透镜组包括第二透镜和第三透镜，其中，所述第二透镜为双凸透镜，具有正光焦度；所述第三透镜为双凸透镜，具有正光焦度；

控制所述反摄远透镜组透射所述激光束至待加工件，以加工所述待加工件，所述控制所述反摄远透镜组透射所述激光束至待加工件，以加工所述待加工件包括：校正所述多波长激光束中各个波长激光的轴向色差，使得所述多波长激光束中各个波长激光的聚焦光斑都在相同成像面的瑞利范围，控制所述各个波长激光焊接所述待加工件，使用所述多波长激光束在激光焊接下加工所述待加工件时，长波的激光形成的大光斑能够在激光加工过程中获得相对短波时的更大焊接面积，短波激光形成的小光斑能够形成所需要的焊接深度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

控制所述反射镜按照预设角度进行摆动，所述反射镜摆动时，所述激光束在视场范围内不同位置形成的聚焦光斑都在瑞利范围内。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

控制所述待加工件移动，使得所述激光束相对所述待加工件的移动轨迹为预设移动轨迹。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

根据比例分配规则，控制每个所述波长激光的聚焦光斑大小。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，在所述激光束射入所述反射镜之前，所述方法还包括：准直所述多波长激光束。

6.一种光学系统，其特征在于，包括从物侧到像侧之间沿光轴依次设置的多波长组件、反射镜及反摄远透镜组，其中，所述反射镜用于反射激光束，所述激光束为多波长激光束，所述反摄远透镜组包括第一透镜组与第二透镜组，所述第一透镜组及所述第二透镜组从物侧到像侧沿光轴依次设置，所述第一透镜组具有负光焦度，所述第二透镜组具有正光焦度；所述第二透镜组包括第二透镜和第三透镜，其中，所述第二透镜为双凸透镜，具有正光焦度；所述第三透镜为双凸透镜，具有正光焦度；所述多波长激光束透射多波长组件，所述多波长组件包括第一多波长透镜及第二多波长透镜所述多波长激光束依次透射第一多波长透镜和第二多波长透镜，其中，所述第一多波长透镜的双面都为凹面，所述第二多波长透镜的凹面靠近像侧，凸面靠近物侧，所述反摄远透镜组用于透射所述激光束至待加工件，以加工所述待加工件，所述多波长组件用于校正所述多波长激光束中各个波长激光的轴向色差，使得所述多波长激光束中各个波长激光的聚焦光斑都在相同成像面的瑞利范围，控制所述各个波长激光焊接所述待加工件，使用所述多波长激光束在激光焊接下加工所述待加工件时，长波的激光形成的大光斑能够在激光加工过程中获得相对短波时的更大焊接面积，短波激光形成的小光斑能够形成所需要的焊接深度。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，透射所述反摄远透镜组的各个波长激光的焦点都在相同成像面的瑞利范围。

8.一种激光加工设备，其特征在于，包括：如权利要求6至7任一项所述的光学系统。

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