CN113534474B - 一种反射式光束整形镜及整形系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射式光束整形镜及整形系统，属于激光加工领域。反射式光束整形镜包括：镜体和反射镜面，反射镜面包括多个旋转曲面组，根据所述旋转曲面组的反射特性将接收到的光束反射到工作面所限定的区域内，每个旋转曲面组反射出的光束可在各自的旋转轴处形成汇聚线，光束从各个旋转曲面组到达汇聚线前不交叉，进而在工作面生成多个矩形光斑。整形系统包括：激光光束发射装置，准直抛物镜和本发明所述的反射式光束整形镜。本发明可以生成数量、尺寸和能量可调节的组合矩形光斑，满足不同情况下对光斑的不同需求。本发明的装置可以采用高精密旋转车床加工，降低加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，更具体地，涉及到一种反射式光束整形镜及整形系统。
背景技术
反射式光束整形镜被广泛运用于大功率激光器领域，能够获得均匀、边缘陡峭的光斑，在激光加工中能够得到非常精密的加工效果，消除热效应等因素的影响，用以实现焊接、覆层和热处理等应用。
现有技术中，实现激光束整形和均匀化的方法很多，如非球面反射镜方法、双折射透镜组方、衍射光学元件法、微透镜阵列等。非球面反射镜方法可使输出的光束会聚到指定的矩形区域，并保持其空间相干性；双折射透镜组方法适用于线偏振高斯光束的整形为光强均匀分布的圆形光斑；衍射光学元件可以将激光高斯光束整形成能量较均匀光斑，但是衍射光学元件的工作距离固定，无法灵活调节线列光斑的角度，更无法快速的改变均匀光斑形状且装调困难；微透镜阵列成本高，对光源的波长有要求等。但是，现有的技术方案不论是对生成矩形光斑的形状进行的改进，还是针对生成光斑的尺寸进行的拓展，都是在基于生成一个光斑的情况下进行的设计，在光斑尺寸、形状的灵活调节上和不同能量密度的组合分布扩展上存在缺陷。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种反射式光束整形镜及整形系统，能够生成多个矩形光斑，多个矩形光斑形成一个组合光斑，可扩展生成光斑的形状、尺寸及调节能量组合分布，适用性好。
一种反射式光束整形镜，包括：镜体和反射镜面，所述反射镜面包括三个或三个以上的旋转曲面组，根据所述旋转曲面组的反射特性将接收到的光束反射到工作面所限定的区域内，每个旋转曲面组反射出的光束可在各自的旋转轴处形成汇聚线，光束从各个旋转曲面组到达汇聚线前不交叉，进而在工作面生成多个矩形光斑。
进一步地，所述旋转曲面组是多个子曲面，所述子曲面由一段直线段和/或二次曲线段绕旋转轴生成，所述多个子曲面的多段直线段和/或二次曲线段首尾顺序连接形成该旋转曲面组的旋转母线。
进一步地，所述二次曲线段为抛物线段或圆弧。
进一步地，所述反射镜面分割成四个旋转曲面组，其中两个旋转曲面组在反射镜面中部，上下对称，另外两个旋转曲面组在反射镜面两侧，输入光束入射在所述四个旋转曲面组上反射在工作面上形成四个矩形光斑组合而成的矩形环状光斑。
进一步地，所述反射镜面左右分割成三个旋转曲面组，输入光束入射在所述三个旋转曲面组上反射在工作面上形成三个矩形光斑，所述三个矩形光斑可叠加，也可相隔一定间距。
进一步地，所述反射镜面左右分割成两个旋转曲面组，将其中一个旋转曲面组上下分割成两个旋转曲面组，输入光束入射在所述三个旋转曲面组上反射在工作面上形成一个熊猫光斑。
进一步地，所述反射式光束整形镜采用高反射金属材料，采用高精密旋转车床加工而成。
一种反射式光束整形系统，包括激光光束发射装置，准直抛物镜和上述所述的反射式光束整形镜；所述激光光束发射装置用于输出激光光束，所述准直抛物镜用于将激光光束进行准直处理，所述反射式光束整形镜用于接收准直抛物镜的出射光线并调整产生组合矩形光斑的出射方向。
进一步地，经准直抛物镜准直之后的光束以平行于镜体的方向入射至反射式光束整形镜。
进一步地，所述准直抛物镜为反射式元器件或透射式元器件。
综上所述，本发明所构思的技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果。
1、将反射镜面分割成多个旋转曲面组，可以得到多个矩形光斑，所得多个矩形光斑形成一个组合光斑，可扩展生成光斑的形状、尺寸及调节能量组合分布，适用性更好。
2、基于不同的应用场景，灵活设计旋转曲面组的数量、旋转半径、相邻旋转轴水平方向上的距离，入射光场的能量分布等参数，可生成数量、尺寸和能量可调节的组合矩形光斑，且各光斑之间的距离可调节，当组合光斑之间的距离≤0时，多个矩形光斑组合形成一个大尺寸光斑，适用面更广。
3、旋转曲面组优选划分为多个子曲面，多个子曲面分别将入射的光反射到所限定的区域内，可以提高生成的矩形光斑的均匀性，满足激光加工应用要求。
4、相邻两旋转轴的左右位置关系与旋转曲面组相同，相邻两旋转曲面组之间的夹角大于180°，便于单个旋转曲面组进行加工，且不会破坏相邻旋转曲面组。
5、本发明所述反射式光束整形镜优选采用高精密旋转车床加工而成，不需要价格昂贵的高精密自由曲面加工机床，降低加工成本，且加工方便。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，可以灵活设计所需组合光斑，加工成本低，安装步骤较简单、操作方便，能够实现大规模的生产；与传统的普通积分镜有较好的匹配，方便在原有系统进行更换更新。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的反射式光束整形镜的结构示意图。
图2是本发明第一实施例提供的反射式光束整形镜的原理图。
图3是本发明第一实施例提供的反射式光束整形镜的原理斜视图。
图4是本发明第一实施例提供的反射式光束整形系统示意图。
图5是本发明第一实施例提供的反射式光束整形镜的原理侧视图。
图6是本发明第一实施例生成的组合矩形光斑仿真图及在均匀方向上和光斑间距可调节方向上的能量分布仿真示意图。
图7是本发明第二实施例生成的组合矩形光斑仿真图及在均匀方向上和光斑间距可调节方向上的能量分布仿真示意图。
图8是本发明第三实施例生成的组合矩形光斑仿真图及在均匀方向上和光斑间距可调节方向上的能量分布仿真示意图。
图9是本发明第四实施例生成的组合矩形光斑仿真图及在均匀方向上和光斑间距可调节方向上的能量分布仿真示意图。
图10是本发明第五实施例生成的组合矩形光斑仿真图及在均匀方向上和光斑间距可调节方向上的能量分布仿真示意图。
在所有附图中，相同 的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：1-激光光束发射装置 2-反射式光束整形镜 3-反射式准直抛物镜 4-工作面 21-镜体 22-反射镜面23-旋转曲面组 24-旋转轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
首先对本发明所述生成光斑的均匀方向和间距可调节方向进行说明：与入射光平行的方向为生成光斑的均匀方向；与入射光垂直的方向为光斑间距可调节方向。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位关系为基于附图所示的方位关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位关系，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构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的反射式光束整形镜，包括：镜体21和反射镜面22，所述反射镜面22包括三个或三个以上的旋转曲面组23，根据所述旋转曲面组23的反射特性将接收到的光束反射到工作面4所限定的光斑内，每个旋转曲面组23反射出的光束可在各自的旋转轴24处形成汇聚线，光束从各个旋转曲面组到达汇聚线前不交叉，进而在工作面生成多个矩形光斑。
图1-图3是本发明第一实施例的反射式光束整形镜。反射式光束整形镜包括：镜体21以及顶部的反射镜面22，反射镜面22为凹面镜，包括四个旋转曲面组23，其中两个旋转曲面组在反射镜面中部，上下对称，另外两个旋转曲面组在反射镜两侧，所述旋转曲面组23由多段顺序连接的抛物线段组成的旋转母线绕其旋转轴24生成，且每个旋转曲面组23由12个子曲面构成，对应的旋转母线均相同，所述子曲面由一段抛物线段绕旋转轴24生成，多个子曲面的多段抛物线段首尾顺序连接形成该旋转曲面组的旋转母线。其中，子曲面的个数划分的越多，形成的矩形光斑的均匀性就越好。
如图4，在使用过程中，从激光光束发射装置1出射的激光光束，通过反射式准直抛物镜3将激光光束进行准直处理，反射准直为平行高斯光束，准直之后光束的入射方向需与镜筒21的方向保持平行，然后入射到反射式光束整形镜2；反射式光束整形镜2的子曲面接收反射式准直抛物镜3的出射光线并调整产生矩形光斑的出射方向，使得每个子曲面的出射光束反射到工作面4上所限定的区域内；每个子曲面反射出的光束可在各自的旋转轴24处形成汇聚线，侧面光路大致表现为漏斗状，光束从各个旋转曲面组到达汇聚线前不交叉，进而在工作面4上形成四个矩形光斑组合而成的矩形环状光斑。其中，反射式准直抛物镜3也可以是透射式元器件。
具体的，如图5所示，四个旋转曲面组在轴线上的长度D1、D2、D2、D3分别为10.5mm，3mm，3mm，10.5mm，其中，中间两个旋转曲面组上下对称，在轴线上的长度都为D2，所对应的旋转半径R1、R2、R2、R3分别为311mm，200mm，200mm，311mm，其中，中间两个旋转曲面组旋转半径都为R2，中间两旋转曲面组的旋转轴24延长可连成一条直线，两侧旋转曲面组对应的旋转轴24与中间旋转曲面组的旋转轴24水平方向上的距离d为3.8mm，经过子曲面反射后，在与入射光垂直的方向上，工作面4处所得组合光斑尺寸表现为中间矩形光斑的长度为3mm，均匀方向宽度为1.5mm，两侧矩形光斑的长度分别为3mm，初始设定光斑在均匀方向上的长度为5mm，获得尺寸为9mm*5mm的组合矩形环状光斑，即输入光束入射在所述四个旋转曲面组上反射在工作面上可形成四个矩形光斑组合而成的矩形环状光斑。生成的组合矩形环状光斑仿真图及在均匀方向上和光斑间距可调节方向上的能量分布仿真示意图如图6所示。此类型的光斑可应用在大功率深度焊接、增材制造和激光熔覆之中。
本发明第二实施例的反射式光束整形镜，相比于第一实施例不同之处在于，反射镜面22包括从左到右划分成的三个旋转曲面组23，三个旋转曲面组23对应的旋转母线相同，即母线方程相同，位置从左到右依次平移，三个旋转曲面组在轴线上的长度分别为6mm，12mm，6mm，旋转半径分别为280mm，230mm，280mm，其中两边旋转曲面组对应的旋转轴与中间旋转曲面组的旋转轴水平方向上的距离为6mm。经过子曲面反射后，在与入射光垂直的方向上，工作面4处所得组合光斑尺寸表现为中间矩形光斑的长度为9mm，两边矩形光斑的长度分别为2.5mm，两边矩形光斑与中间矩形光斑的叠加长度分别为1mm，即获得尺寸为12mm*5mm，相邻光斑之间有叠加的组合矩形光斑；能量表现为两边是一个能量较弱的矩形光斑，中间是一个能量较强的矩形光斑，生成的组合矩形光斑仿真图及在均匀方向上和光斑间距可调节方向上的能量分布仿真示意图如图7所示。该类型的光斑在激光加工中，可用于需要处理表面材料再进行加工和加工后需要继续处理的激光加光中，比如先用两边能量较弱的一个光斑进行预处理，再用中间能量较强的光斑进行正式加工，最后用两边能量较弱的另一个光斑进行加工后的保养。
本发明第三实施例的反射式光束整形镜，相比于第二实施例不同之处在于，调整子曲面对应的旋转母线使得两边旋转曲面组对应的旋转母线左右对称，并与中间旋转曲面组对应的旋转母线不同，三个旋转曲面组在轴线上的长度分别为7mm，10mm，7mm，旋转半径分别为311mm，182mm，311mm，其中两边旋转曲面组对应的旋转轴与中间旋转曲面组的旋转轴水平方向上的距离为5.8mm，经过子曲面反射后，在与入射光垂直的方向上，工作面4处所得组合光斑尺寸表现为中间矩形光斑的长度为12mm，在中间矩形光斑的两侧分别叠加一个长度为2mm的矩形光斑，初始设定光斑在均匀方向上的长度为6mm，即获得尺寸为12mm*6mm的组合矩形光斑；整个组合矩形光斑的能量均匀，生成的组合矩形光斑仿真图及在均匀方向上和光斑间距可调节方向上的能量分布仿真示意图如图8所示。该类型的光斑可以应用于激光熔覆和表面合金化的激光加工之中。
本发明第四实施例的反射式光束整形镜，相比于第三实施例不同之处在于，三个旋转曲面组在轴线上的长度分别为10.5mm，3mm，10.5mm，旋转半径分别为311mm，200mm，311mm，其中两边旋转曲面组对应的旋转轴与中间旋转曲面组的旋转轴水平方向上的距离为4.6mm，经过子曲面反射后，在与入射光垂直的方向上，工作面4处所得组合光斑尺寸表现为中间矩形光斑的长度为3mm，两边矩形光斑的长度分别为3mm，两边矩形光斑与中间矩形光斑的间隔长度分别为1mm，初始设定光斑在均匀方向上的长度为5mm，即获得尺寸为11mm*5mm，相邻光斑之间有间隔的组合矩形光斑；能量表现为三能量相同的条状光斑，生成的组合矩形光斑仿真图及在均匀方向上和光斑间距可调节方向上的能量分布仿真示意图如图9所示。该类型的光斑在激光加工中，可以用于需要预处理和保温的激光加工之中。
本发明第五实施例的反射式光束整形镜，相比于前四个实施例不同之处在首先将旋转曲面组左右分割成两个旋转曲面组，其次将其中一个旋转曲面组再上下分割成两个旋转曲面组，输入光束入射在所述三个旋转曲面组上反射在工作面上可形成一个矩形光斑和在矩形光斑一侧有两个光斑的组合光斑，因光斑整体形状像熊猫，故称所述组合光斑为熊猫光斑。生成的组合矩形光斑仿真图及在均匀方向上和光斑间距可调节方向上的能量分布仿真示意图如图10所示。该类型的光斑在激光钎焊中，可用于连接镀锌钢板的加工。
需要说明的是，上述实施例仅以反射镜面分割成三个旋转曲面组或四个旋转曲面组，生成三个或四个组合而成的矩形光斑为例，而反射式光束整形镜2的旋转曲面组的数量、面积、旋转轴水平方向上的距离，入射光场的能量分布以及旋转母线、旋转轴和工作面的距等参数不同，所得矩形光斑的数量、大小和能量也不同。将镜面划分为n（n≥3）个旋转曲面组，在工作面上可形成n个矩形光斑；所述n个矩形光斑的能量大小与旋转曲面组的面积和镜面反射到此处能量乘积的积分成正相关，旋转曲面组的面积越大所生成矩形光斑的能量越大，入射到此曲面的能量越大所生成矩形光斑的能量越大。通过改变相邻旋转轴水平方向的距离改变n个矩形光斑之间的距离，相邻两旋转曲面组对应的旋转轴水平方向距离为一特定值时，相邻两光斑之间既不重叠也没有间隔，n个小光斑会叠加形成一个大的矩形光斑；大于该特定值时，距离越大相邻光斑间隔越大；小于该特定值时，距离越小相邻光斑重叠部分越多。
另外，可以将本实施例中的子曲面换成由直线段或直线段和二次曲线段组成的旋转母线绕旋转轴生成。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种反射式光束整形镜，包括：镜体（21）和反射镜面（22），其特征在于，所述反射镜面（22）包括三个或三个以上的旋转曲面组（23），根据所述旋转曲面组（23）的反射特性将接收到的光束反射到工作面（4）所限定的区域内，每个旋转曲面组（23）反射出的光束可在各自的旋转轴（24）处形成汇聚线，光束从各个旋转曲面组到达汇聚线前不交叉，进而在工作面生成多个矩形光斑；
所述旋转曲面组（23）是多个子曲面，所述子曲面由一段直线段和/或二次曲线段绕旋转轴（24）生成，所述多个子曲面的多段直线段和/或二次曲线段首尾顺序连接形成该旋转曲面组的旋转母线；
所述二次曲线段为抛物线段或圆弧；
所述反射镜面（22）分割成四个旋转曲面组（23），其中两个旋转曲面组（23）在反射镜面（22）中部，上下对称，另外两个旋转曲面组（23）在反射镜面（22）两侧，输入光束入射在所述四个旋转曲面组（23）上反射在工作面上形成四个矩形光斑组合而成的矩形环状光斑。
2.根据权利要求1所述的一种反射式光束整形镜，其特征在于，所述反射式光束整形镜采用高反射金属材料，采用高精密旋转车床加工而成。
3.一种反射式光束整形系统，其特征在于，包括激光光束发射装置，准直抛物镜和权利要求1或2所述的反射式光束整形镜；所述激光光束发射装置用于输出激光光束，所述准直抛物镜用于将激光光束进行准直处理，所述反射式光束整形镜用于接收准直抛物镜的出射光线并调整产生组合矩形光斑的出射方向。
4.根据权利要求3所述的反射式光束整形系统，其特征在于，经准直抛物镜准直之后的光束以平行于镜体（21）的方向入射至反射式光束整形镜。
5.根据权利要求4所述的反射式光束整形系统，其特征在于，所述准直抛物镜为反射式元器件或透射式元器件。
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