CN113172336A - 一种输出光斑可控的激光输出头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光设备技术领域，特别涉及一种输出光斑可控的激光输出头。包括晶体端帽、主体及传输光纤，其中主体内沿轴向设有光纤容置腔；传输光纤容置于光纤容置腔内；晶体端帽嵌设于主体的前端，且与传输光纤连接；晶体端帽的凸透镜端帽，凸透镜端帽的发射光束虚焦点与凸透镜端帽端面的距离大于凸透镜端帽的长度。本发明通过控制凸透镜曲率实现输出光斑数值孔径调节可控、光斑大小调节的目的；通过控制凸透镜端帽长度和凸透镜曲率加之激光输出头的设计，可保证激光输出头虚焦点位置不变，能够正常用于现有激光应用设备。

Description

一种输出光斑可控的激光输出头

技术领域

本发明涉及激光设备技术领域，特别涉及一种输出光斑可控的激光输出头。

背景技术

随着高功率光纤激光器技术的不断成熟，目前主流高功率光纤激光器一般通过更大芯径光纤方案、主震荡功率放大方案或者高功率合束方案实现，随之而来的是牺牲激光器的部分输出性能导致输出光斑变大或者输出激光NA变大，但在实际应用中激光器输出性能与激光加工头或者整机设备配置需求密不可分，牺牲激光输出性能(光斑大小或输出激光发散角NA)会引起其他系统部件异常，如切割头喷嘴发热、准直镜发热、切割效果不佳等问题。如图1所示，通过传输光纤110输出的光束发散角NA较大时，光束能量会照射到准直透镜M和聚焦透镜N的边缘，甚至会照射到切割头的内壁上，从而引起透镜发热、切割头内壁发热、聚焦点光斑聚焦不良等不良影响；同时在切割头上，一般在聚焦点Q附近会有装有一个毫米级别直径的小孔光阑，当光束发散角NA较大时，光束边缘会照射在这个光阑上，从而导致光阑发热甚至损坏，影响切割质量。利用凸透镜成像原理可以一定程度上弥补光斑大或者NA发散的问题，但是会导致该类石英端帽装配激光输出头后无法正常调节焦点或者虚焦点跑偏等问题，给实际激光加工应用带来新的困扰。

发明内容

本发明实施例提供一种输出光斑可控的激光输出头，可有效解决高功率光纤激光器输出光斑大、发散角大，易引起切割头或准直镜发热，切割不良等问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种输出光斑可控的激光输出头，包括晶体端帽、主体及传输光纤，其中主体内沿轴向设有光纤容置腔；传输光纤容置于光纤容置腔内；晶体端帽嵌设于主体的前端，且与传输光纤熔接；

所述晶体端帽为凸透镜端帽，所述凸透镜端帽的发射光束虚焦点与所述凸透镜端帽端面距离大于所述凸透镜端帽的长度。

在一种可能的实现方式中，所述凸透镜端帽将输入光束压窄后输出。

在一种可能的实现方式中，通过减小所述凸透镜端帽的曲率半径来减小发射光束的发散角。

在一种可能的实现方式中，所述凸透镜端帽包括光纤熔接面、第一锥面、第二锥面、石英柱面及凸透镜输出面，其中石英柱面为圆柱体结构，其前端设有凸透镜输出面，后端沿轴向依次设有第二锥面、第一锥面及光纤熔接面，所述光纤熔接面与传输光纤熔接。

在一种可能的实现方式中，所述凸透镜输出面镀膜。

在一种可能的实现方式中，所述的输出光斑可控的激光输出头，所述主体后端与支撑部连接，支撑部与铠缆连接，所述传输光纤的另一端穿过支撑部后进入铠缆内；

所述主体的后端连接有两个水嘴；两个水嘴分别与两个水管连接，两个水管穿过所述支撑部后进入所述铠缆内。

在一种可能的实现方式中，所述主体包括内水管和水嘴固定件，其中内水管的中心为所述光纤容置腔，所述光纤容置腔内设有沿径向收缩的机械小孔；所述主体的前端设有与光纤容置腔连通的凹槽，所述晶体端帽嵌设于所述凹槽内；

所述内水管的侧壁内设有夹层腔，用于注入冷却介质；所述水嘴固定件设置于所述内水管的外侧，用于安装两个所述水嘴，所述水嘴与所述内水管的夹层腔连通。

在一种可能的实现方式中，所述支撑部包括内部支撑件、铠缆固定件及多个支撑柱，其中内部支撑件的一端与所述主体的后端连接，另一端与铠缆固定件连接；

多个支撑柱沿周向分布于所述内部支撑件的外侧，各所述支撑柱的两端分别与所述主体和所述铠缆固定件连接；

所述铠缆与铠缆固定件连接。

在一种可能的实现方式中，所述支撑部的外侧设有套筒，所述套筒的两端分别与所述主体和所述铠缆连接。

在一种可能的实现方式中，所述主体的外侧间隔交替套设有绝缘环和电极环，所述绝缘环和所述电极环通过与所述主体螺纹连接的卡件固定。

本发明的优点及有益效果是：

本发明实施例提供的一种输出光斑可控的激光输出头，根据凸透镜成像原理，通过控制凸透镜曲率实现输出光斑数值孔径调节可控、光斑大小调节的目的；结合凸透镜端帽、激光输出头和切割头内部设计，通过控制凸透镜端帽长度和凸透镜曲率加之激光输出头的设计可保证激光输出头虚焦点位置不变，能够正常用于现有激光应用设备。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有激光头在与切割头装配时的光束示意图；

图2为本发明实施例中一种输出光斑可控的激光输出头的结构示意图；

图3为本发明实施例中晶体端帽的结构示意图；

图4为本发明实施例中支撑部的结构示意图；

图5为本发明中主体的结构示意图；

图6为本发明的激光输出头在与切割头装配时的光束示意图。

图中：101为晶体端帽，1011为光纤熔接面，1012为第一锥面，1013为第二锥面，1014为石英柱面，1015为凸透镜输出面，102为主体，1021为内水管，1022为水嘴固定件Ⅰ，1023为水嘴固定件Ⅱ，1024为机械小孔，1025为焊接点Ⅰ，1026为焊接点Ⅱ，1027为凹槽，103为卡件，1041为电极环Ⅰ，1042为电极环Ⅱ，1051为绝缘环Ⅰ，1052为绝缘环Ⅱ，1053为绝缘环Ⅲ，106为水嘴，107为水管，108为内部支撑件，109为套筒，110为传输光纤，111为铠缆固定件，112为铠缆，113为支撑柱，M为准直透镜，N为聚焦透镜，Q为聚焦点。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一实施例提供的一种输出光斑可控的激光输出头，通过控制晶体端帽的凸透镜曲率实现输出光斑数值孔径调节可控、光斑大小调节的目的。参见图2至图4所示，该一种输出光斑可控的激光输出头，包括晶体端帽101、主体102及传输光纤110，其中主体102内沿轴向设有光纤容置腔；传输光纤110容置于光纤容置腔内；晶体端帽101嵌设于主体102的前端，且与传输光纤110熔接；晶体端帽101为凸透镜端帽，凸透镜端帽的发射光束虚焦点与凸透镜端帽端面的距离L’大于凸透镜端帽的长度L。具体地，发射光束的反向延长线的焦点为发射光束虚焦点。

本发明的实施例中，凸透镜端帽将输入光束压窄后输出，即发射光束的发散角NA小于入射光束的发散角NA，且通过减小凸透镜端帽的曲率半径来减小发射光束的发散角NA；也就是说，凸透镜端帽的发射光束的发散角NA随凸透镜端帽的曲率半径R减小而减小，发射光束虚焦点到凸透镜端帽端面的距离L’随凸透镜端帽的曲率半径R减小而增大。

本发明的实施例中，凸透镜端帽的材质采用石英晶体。参见图3所示，凸透镜端帽包括光纤熔接面1011、第一锥面1012、第二锥面1013、石英柱面1014及凸透镜输出面1015，其中石英柱面1014为圆柱体结构，其前端设有凸透镜输出面1015，后端沿轴向依次设有第二锥面1013、第一锥面1012及光纤熔接面1011，光纤熔接面1011与传输光纤110熔接。输入光纤熔接端帽可以降低输出端面的功率密度，解决输出光纤端面烧的问题。

进一步地，第一锥面1012的锥角小于第二锥面1013的锥角。具体地，第二锥面1013的锥角为90度，当回返光以近似平行光的小角度入射到第二锥面1013上时，大部分的光会在其45度锥面上形成全反射，经两次反射后近似的沿原光路反射回去，可有效拦截回返光，大大提高了产品抗高返回光的能力。

进一步地，凸透镜输出面1015镀膜，以减少晶体端帽101的端面反射。本实施例中，传输光纤110可以是单模光纤或多模光纤；也可以是单根光纤、多根光纤或熔融拉锥的光纤束；也可以是实心光纤或空心光纤；也可以是无源光纤或有源光纤。传输光纤110与晶体端帽101熔接是采用氢氧焰、石墨丝、电极或激光放电方式实现加热熔接。传输光纤110与晶体端帽101熔接可以是匀化光斑熔接，匀化光纤实现能量均匀分布，凸透镜端帽实现光斑和数值孔径变小，有效解决切割不良问题。

参见图2、图4所示，本发明的实施例中，主体102后端与支撑部连接，支撑部与铠缆112连接，传输光纤110的另一端穿过支撑部后进入铠缆112内；主体102的后端连接有两个水嘴106；两个水嘴106分别与两个水管107连接，两个水管107穿过支撑部后进入铠缆112内。

参见图5所示，本发明的实施例中，主体102包括内水管1021和水嘴固定件，其中内水管1021的中心为光纤容置腔，光纤容置腔内设有沿径向收缩的机械小孔1024；主体102的前端设有与光纤容置腔连通的凹槽1027，晶体端帽101嵌设于凹槽1027内；内水管1021的侧壁内设有夹层腔，用于注入冷却介质；水嘴固定件设置于内水管1021的外侧，用于安装两个水嘴106，水嘴106与内水管1021的夹层腔连通。

本发明的实施例中，支撑部包括内部支撑件108、铠缆固定件111及多个支撑柱113，其中内部支撑件108的一端与主体102的后端连接，另一端与铠缆固定件111连接；多个支撑柱113沿周向分布于内部支撑件108的外侧，各支撑柱113的两端分别与主体102和铠缆固定件111连接；铠缆112与铠缆固定件111连接。

进一步地，支撑部的外侧设有套筒109，套筒109的两端分别与主体102和铠缆112连接，套筒109用于保护其内的支撑部及水管107。

本发明的实施例中，主体102的外侧间隔交替套设有绝缘环和电极环，绝缘环和电极环通过与主体102螺纹连接的卡件103固定。

具体地，电极环包括电极环Ⅰ1041和电极环Ⅱ1042，绝缘环包括绝缘环Ⅰ1051、绝缘环Ⅱ1052及绝缘环Ⅲ1053，绝缘环Ⅰ1051和绝缘环Ⅲ1053分别设置于电极环Ⅰ1041和电极环Ⅱ1042的外侧，绝缘环Ⅱ1052设置于电极环Ⅰ1041和电极环Ⅱ1042之间。电极环内部分别对应连接有导线，导线接入外接电路板上，当激光头QBH插入激光加工头内部时，电极环与激光加工头分别接触即构成通路，可正常使用；当QBH插入激光加工头内部时，电极环与激光加工头接触但非形成通路，则激光加工头会报警。此处电极环是起导通作用判断的安全措施。

本实施例中，不同长度和曲率半径的凸透镜端帽材质可以是高纯熔融石英、氟化钙、蓝宝石、氟化钙、氟化镁或硒化锌；凸透镜端帽形状可以通过激光切割、端面研磨或石英生长方式实现；凸透镜端帽根据出射、入射光束与虚焦点要求来控制凸透镜端帽长度与透镜曲率半径。

参见图3所示，本发明的主要设计思路是基于凸透镜成像原理，R为凸透镜端帽的曲率半径，L为凸透镜端帽的长度，d为凸透镜端面的输出光斑半径，L’为发射光束虚焦点距离凸透镜端帽端面的长度。具体地，凸透镜端帽的设计如下表：

上表表示通过改变凸透镜端帽的曲率半径，对于一定发散角NA的入射光，出射光的NA和虚焦点是随之变化的。另外，同样的端帽长度和曲率半径的情况下，不同NA的输入光束均会被压窄，但虚焦点位置不变。举例1说明：序号3和4情况下，同样的端帽长度15mm和曲率半径14.58mm的情况下，0.22NA的输入光束经过凸透镜端帽后被压窄到0.15NA的输出光束，0.12NA的输入光束经过凸透镜端帽后被压窄到0.0818NA的输出光束，虚焦点位置不变同为15.2mm；举例2说明：又如序号6和7情况下，同样的端帽长度15mm和曲率半径10.556mm的情况下，0.22NA的输入光束经过凸透镜端帽后被压窄到0.123NA的输出光束，0.15NA的输入光束经过凸透镜端帽后被压窄到0.084NA的输出光束，虚焦点位置不变同为18.5mm。以上两例说明改变凸透镜端帽曲率半径可以改变输入光束和输出光束的压缩比，同时改变虚焦点位置，这对于改善光束发散角度(压缩比)和输出头(简称QBH)的装配(虚焦点位置)是重要的。举例3说明：在序号8和9情况下，端帽长度均为18mm时，曲率半径为5.6mm时，对于不同NA的入射光束均能得到准直光束。具体地，凸透镜端帽根据出射、入射光束与虚焦点要求来控制凸透镜端帽长度与透镜曲率半径。

图6是本发明的激光输出头在与切割头装配时的光束示意图；参见图6所示，由于晶体端帽101采用凸透镜端帽的输出头结构，传输光纤110输出的大发散角光束被凸透镜结构的晶体端帽101压缩为小发散角光束，光束能量不会照射到准直透镜M和聚焦透镜N的边缘，更不会照射到切割头的内壁上，从而在高功率激光应用中，不会引起切割头喷嘴发热、准直镜发热、切割效果不佳等问题。通过改变晶体端帽101的长度和曲率半径来调整发射光束的发散角，也可以根据切割头的内部结构调节发射光束的发散角NA(光斑数值孔径)大小，而且通过压窄光束的发散角，可以在聚焦点Q处获得更高能量密度的聚焦光斑，这对于切割更厚的金属材料是有利的。

输出光纤熔接端帽可以很大程度上降低输出端面的功率密度，解决输出光纤端面烧的问题，但输出光束由于数值孔径限制会引起输出光斑变大，在高功率激光应用中，易引起切割头喷嘴发热、准直镜发热、切割效果不佳等问题。本发明根据凸透镜成像原理并结合石英端帽、激光输出头和切割头内部设计，通过控制凸透镜端帽长度和凸透镜曲率实现输出光斑数值孔径调节可控、光斑大小调节的目的；同时凸透镜输出面1015镀膜，减少石英端帽端面反射，进而可有效解决以上问题。此外，通过控制凸透镜端帽长度和凸透镜曲率加之激光输出头的设计可保证激光输出头虚焦点位置不变，能够正常用于现有激光应用设备。本发明提供的激光输出头，设计简单，结构紧凑，可有效解决高功率光纤激光器输出光斑大、发散角大易引起切割头或准直镜发热、切割不良等问题。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种输出光斑可控的激光输出头，其特征在于，包括晶体端帽(101)、主体(102)及传输光纤(110)，其中主体(102)内沿轴向设有光纤容置腔；传输光纤(110)容置于光纤容置腔内；晶体端帽(101)嵌设于主体(102)的前端，且与传输光纤(110)熔接；

所述晶体端帽(101)为凸透镜端帽，所述凸透镜端帽的发射光束虚焦点与所述凸透镜端帽端面距离大于所述凸透镜端帽的长度。

2.根据权利要求1所述的输出光斑可控的激光输出头，其特征在于，所述凸透镜端帽将输入光束压窄后输出。

3.根据权利要求2所述的输出光斑可控的激光输出头，其特征在于，通过减小所述凸透镜端帽的曲率半径来减小发射光束的发散角。

4.根据权利要求2所述的输出光斑可控的激光输出头，其特征在于，所述凸透镜端帽包括光纤熔接面(1011)、第一锥面(1012)、第二锥面(1013)、石英柱面(1014)及凸透镜输出面(1015)，其中石英柱面(1014)为圆柱体结构，其前端设有凸透镜输出面(1015)，后端沿轴向依次设有第二锥面(1013)、第一锥面(1012)及光纤熔接面(1011)，所述光纤熔接面(1011)与传输光纤(110)熔接。

5.根据权利要求4所述的输出光斑可控的激光输出头，其特征在于，所述凸透镜输出面(1015)镀膜。

6.根据权利要求1-5任一项所述的输出光斑可控的激光输出头，其特征在于，所述主体(102)后端与支撑部连接，支撑部与铠缆(112)连接，所述传输光纤(110)的另一端穿过支撑部后进入铠缆(112)内；

所述主体(102)的后端连接有两个水嘴(106)；两个水嘴(106)分别与两个水管(107)连接，两个水管(107)穿过所述支撑部后进入所述铠缆(112)内。

7.根据权利要求6所述的输出光斑可控的激光输出头，其特征在于，所述主体(102)包括内水管(1021)和水嘴固定件，其中内水管(1021)的中心为所述光纤容置腔，所述光纤容置腔内设有沿径向收缩的机械小孔(1024)；所述主体(102)的前端设有与光纤容置腔连通的凹槽(1027)，所述晶体端帽(101)嵌设于所述凹槽(1027)内；

所述内水管(1021)的侧壁内设有夹层腔，用于注入冷却介质；所述水嘴固定件设置于所述内水管(1021)的外侧，用于安装两个所述水嘴(106)，所述水嘴(106)与所述内水管(1021)的夹层腔连通。

8.根据权利要求6所述的输出光斑可控的激光输出头，其特征在于，所述支撑部包括内部支撑件(108)、铠缆固定件(111)及多个支撑柱(113)，其中内部支撑件(108)的一端与所述主体(102)的后端连接，另一端与铠缆固定件(111)连接；

多个支撑柱(113)沿周向分布于所述内部支撑件(108)的外侧，各所述支撑柱(113)的两端分别与所述主体(102)和所述铠缆固定件(111)连接；

所述铠缆(112)与铠缆固定件(111)连接。

9.根据权利要求6所述的输出光斑可控的激光输出头，其特征在于，所述支撑部的外侧设有套筒(109)，所述套筒(109)的两端分别与所述主体(102)和所述铠缆(112)连接。

10.根据权利要求1所述的输出光斑可控的激光输出头，其特征在于，所述主体(102)的外侧间隔交替套设有绝缘环和电极环，所述绝缘环和所述电极环通过与所述主体(102)螺纹连接的卡件(103)固定。

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