CN113649689A - 一种光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学系统，包括：激光系统，用于产生激光束，并且将所述激光束准直后聚焦；光束偏折镜组，设置于所述激光束照射路径的任意位置上，所述光束偏折镜组在激光束截面方向上移动，以使所述激光系统最终获得单/双光束，并且，所述单/双光束之间可以变换。

Description

一种光学系统

【技术领域】

本发明涉及种一种光学系统。

【背景技术】

现代激光技术高速发展，其在工业加工领域、国防、医疗等领域的应用不断的扩展，尤其是高功率光纤激光器在工业加工领域展现出独有的优势，例如金属板材的切割，但同时在焊接、熔覆、清洗等领域都展现出巨大的潜力。在以上的应用中常常需要根据具体工艺或者应用场合变换光束类型，例如，单光束或者双光束。

为了获取不同光束模式的光束，在实际应用中，激光器往往针对一种光束设计，从而每一种光束都需要对应一台激光器，当需要从单光束切换成双光束的使用工况，要求相应地切换激光器，这大大增加了使用成本和系统复杂度。因此，能够提供多种光束模式并且可以独立实现不同光束模式之间的实时切换的光纤 激光器成为本领域最为迫切的技术需求。

【发明内容】

综上所述，本发明为了解决上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种光学系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种光学系统，包括：

激光系统，用于产生激光束，并且将所述激光束准直后聚焦；光束偏折镜组，设置于所述激光束照射路径的任意位置上，所述光束偏折镜组在激光束截面方向上移动，以使所述激光系统最终获得单/双光束，并且，所述单/双光束之间可以变换。

在一些具体实施方式中，所述激光系统包括：激光器、准直镜片以及聚焦镜片；所述激光器产生的激光束经过准直镜片变成平行光束后，由聚焦镜片聚焦。

在一些具体实施方式中，所述光束偏折镜组为单镜片，所述单镜片的入射面或者出射面为第一斜面C1，所述单镜片在激光束的截面方向上移动，被单镜片阻挡的部分激光束发生偏折形成第二光束M2，未被单镜片阻挡的另一部分激光束未发生偏折形成第一光束M1。

在一些具体实施方式中，所述单镜片还包括第二斜面C2，所述第二斜面C2和第一斜面C1接壤形成钝角；所述单镜片在激光束截面方向上移动，被单镜片的第一斜面C1阻挡的部分激光束发生偏折形成第二光束M2，被单镜片的第二斜面C2阻挡的另一部分激光束发生偏折形成第一光束M1。

在一些具体实施方式中，所述光束偏折镜组包括：曲率相同的凸柱面镜和凹柱面镜；所述凸柱面镜和凹柱面镜相对，并且，凸柱面镜的光轴a和凹柱面镜的光轴b之间的距离可调；所述凸柱面镜和凹柱面镜在激光束截面方向上移动，被凸柱面镜和凹柱面镜阻挡的部分激光束发生偏折形成第二光束M2，未被凸柱面镜和凹柱面镜阻挡的另一部分激光束形成第一光束M1。

在一些具体实施方式中，还包括纤芯光纤，所述纤芯光纤包括内纤芯以及包络于所述内纤芯外壁的外纤芯；所述纤芯光纤用于捕获激光系统所获得的光束，当激光系统所获得的光束为单光束，则，所述单光束照射于内纤芯或者外纤芯；当激光系统所获得的光束为双光束，则，所述双光束分别照射于内纤芯和外纤芯。

在一些具体实施方式中，还包括功率二极管，所述功率二极管设置于光束偏折镜组的光线入射侧，以用来探测经光束偏折镜组反射的激光束的功率。

在一些具体实施方式中，所述光束偏折镜组设置于激光器与准直镜片之间，或者光束偏折镜组设置于准直镜片和聚焦镜片之间，或者光束偏折镜组设置于聚焦镜片之后。

在一些具体实施方式中，所述光学系统工作在双光束的状态下，该双光束功率可调，且双光束中的任意一光束功率增大同时伴随着另一光束功率的减小。

光束偏折镜组在激光束截面方向上移动，当该光束偏折镜组位于激光束之外的时候，激光系统产生激光束，该激光束被准直后聚焦形成单个光束，当需要两个光束，光束偏折镜组在激光束截面方向上移动进入激光束，该激光束的一部分激光被光束偏折镜组阻挡而发生偏折，该激光束的另一部分未被光束偏折镜组阻挡的激光未发生偏折按照原路照射，最终，发生偏折的激光和未发生偏折的激光变成两束光束，光束偏折镜组根据需要在激光束截面方向上移动得到单光束或者双光束，并且可以切换。

采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明所产生的有益效果在于：本发明与传统技术的焊接方法比，本发明的焊接方法比起传统直接在焊接缝隙焊接的方式可以有效增加熔宽，最终可以减小热量影响的同时增加焊接强度；另外，只需要第一电机以及第二电机的工作即可以实现焊接，无需焊接头的移动，只通过激光光束的偏移既可以实现，工件和焊接头都是静止的，可以省去很多联动结构的设计，提高焊接精度和效率。

【附图说明】

图1、图1-1、图2以及图2-1为本发明的光学系统构思原理示意图；

图3、图3-1、图4以及图4-1为图1所示光学系统的第一实施例原理示意图；

图5和图5-1为图1所示光学系统的第二实施例原理示意图；

图6-8为图1所示光学系统的第三实施例原理示意图。

【具体实施方式】

下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不会构成任何限制。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1、图1-1、图2和图2-1所示，一种光学系统，包括：

激光系统1，用于产生激光束，并且将所述激光束准直后聚焦；

光束偏折镜组2，设置于所述激光束照射路径的任意位置上，所述光束偏折镜组2在激光束截面方向上移动，以使所述激光系统最终获得单/双光束，并且，所述单/双光束之间可以变换。

这里所述的激光系统1可以如下设计：

所述激光系统包括：激光器10、准直镜片20以及聚焦镜片30；所述激光器10产生的激光束经过准直镜片20变成平行光束后，由聚焦镜片30聚焦。光束偏折镜组2设置于所述激光束照射路径的任意位置上，所述光束偏折镜组2在激光束截面方向上，优选垂直于激光束的截面，如图1所示，当光束偏折镜组2未进入激光束，所述激光器10产生的激光束经过准直镜片20变成平行光束后，由聚焦镜片30聚焦得到一个焦点，也即单光束，如图1-1的e1光束所示；当需要双光束时候，如图2所示，光束偏折镜组2在激光束截面方向上移动进入激光束，被光束偏折镜组2阻挡的部分激光束发生偏折，形成第二光束M2，未被光束偏折镜组2阻挡的部分激光束未发生偏折，形成第一光束M1，最终，第一光束M1和第二光束M2同时经过聚焦镜片30后得到两个焦点，即得到双光束，如图2-1中所示的第一焦点e1和第二焦点e2所示为得到的两个焦点。由以上所知，使光束偏折镜组2在激光束截面方向上移动便可实现单/双光束之间的变换，无需分别采用两台并且切换激光设备。

需要说明的是，以上所述的光束偏折镜组2应该理解为任意可以使入射光线发生偏折的镜片，另外，本技术中，当工作在双焦点的状态下，第一焦点e1和第二焦点e2的能量（功率）可以调节，它们此消彼长分配着整束激光束的功率，如图2所示，光束偏折镜组2进入激光束内，被阻挡部分的激光束发生偏折，最终形成第二焦点e2，未被阻挡部分的激光按照原来方向照射，最终形成第一焦点e1，如图中箭头S1运动方向，随着光束偏折镜组2进入激光束面积增大，照射到该光束偏折镜组2的激光束面积增大，最终得到的第二焦点e2能量增大，与此同时，未被光束偏折镜组2阻挡的光束逐渐变小，最终形成的第一焦点e1能量变弱（激光束的总截面一定），当光束偏折镜组2沿着S1反方向移动，则上述第一焦点e1和第二焦点e2能量变化过程相反。由此可见，本发明的技术方案还可以根据需要调节第一焦点e1和第二焦点e2的高/低功率变化。

以上所述的“光束偏折镜组2，设置于所述激光束照射路径的任意位置上”的理解如下：

所述光束偏折镜组设置于激光器10与准直镜片20之间，或者光束偏折镜组设置于准直镜片20和聚焦镜片30之间，或者光束偏折镜组设置于聚焦镜片30之后。本文采用光束偏折镜组设置于准直镜片20和聚焦镜片30之间的实施方式进行原理阐述。

以上所述的光束偏折镜组2，本发明提供了三种具体实施例；

实施例一：参考图3、图3-1、图4和图4-1所示，所述光束偏折镜组2为单镜片，所述单镜片的入射面或者出射面为第一斜面C1，所述单镜片在激光束的截面方向上移动，当需要单光束，光束偏折镜组2位于不进入激光束的位置，如图3所示，此时，形成第一焦点e1，如图3-1所示；当需要双光束时候，如图4所示，光束偏折镜组2沿着S1方向移动进入激光束，被单镜片阻挡的部分激光束照射第一斜面C2后发生偏折形成第二光束M2，未被单镜片阻挡的另一部分激光束未发生偏折形成第一光束M1，最终形成的焦点如图4-1的第二焦点e2和第一焦点e1所示。同理，依据上述原理可知，当工作在双焦点情况下，第二焦点e2和第一焦点e1的功率可以调节，它们呈此消彼长的关系。

实施例二：参考图5和图5-1，基于上述第一实施例，所述单镜片还包括第二斜面C2，所述第二斜面C2和第一斜面C1接壤形成钝角（也可以将此时的单镜片理解成屋脊棱镜）；参考上述原理，当需要单光束时候，单镜片未进入激光束；当需要双光束的时候，参考图5所示意，单镜片在激光束截面方向上沿着S1方向移动，被单镜片的第一斜面C1阻挡的部分激光束发生偏折形成第二光束M2，被单镜片的第二斜面C2阻挡的另一部分激光束发生偏折形成第一光束M1，即最终经过聚焦镜片后形成如图5-1中的第二焦点e2和第一焦点e1。同理，依据上述原理可知，当工作再双焦点情况下，单镜片的移动，可以改变第一斜面C1和第二斜面C2接收的光束的面积从而使第一光束和第二光束的能量此消彼长，最终，第二焦点e2和第一焦点e1的功率可以调节，它们呈此消彼长的关系。

实施例三：参考图6，所述光束偏折镜组包括：曲率相同的凸柱面镜21和凹柱面镜22；所述凸柱面镜21和凹柱面镜22相对（正对——他们的光轴平行或者重合），并且，凸柱面镜21的光轴a和凹柱面镜22的光轴b之间的距离可调；所述凸柱面镜21和凹柱面镜22在激光束截面方向上移动，被凸柱面镜21和凹柱面镜22阻挡的部分激光束发生偏折形成第二光束M2，未被凸柱面镜21和凹柱面镜22阻挡的另一部分激光束形成第一光束M1。

参考图6，当需要单束光，只需要保持光束偏折镜组2位于激光束之外，则激光系统1的激光器10产生激光束经过准直镜片20变成平行光后，由聚焦镜片30聚焦形成单个焦点，如图1-1所示的第一焦点e1；参考图6和图7，当需要双光束时候，调整凸柱面镜21和凹柱面镜22之间的距离，使凸柱面镜21的光轴a和凹柱面镜22的光轴b之间的距离为f（f≠0）后，凸柱面镜21和凹柱面镜22同时沿着S1方向进入激光束，则被凸柱面镜21和凹柱面镜22阻挡的部分激光束发生偏折，形成第二光束M2，未被凸柱面镜21和凹柱面镜22阻挡的部分激光束不发生偏折，按照原来的路径形成第一光束M1，最终形成两个焦点，如图2-1所示的第二焦点e2和第一焦点e1，同理，依据上述原理，第二焦点e2和第一焦点e1可以根据需要移动光束偏折镜组2，改变照射到光束偏折镜组2上的激光束面积（变大/变小），同时也使未照射到光束偏折镜组2上的激光束面积相反改变（变小/变大），以实现第二焦点e2和第一焦点e1的功率大小可调。

该实施例中，不仅在工作于两个焦点的场景下可以实现两个焦点（第二焦点e2和第一焦点e1）功率可调功能，当其在工作于单光束（一个焦点）的场景下，该焦点（第一焦点e1）功率大小也可以调节，参考图8，当需要单光束且该单光束功率可变，则调整凸柱面镜21的光轴a和凹柱面镜22的光轴b之间的距离，使f＝0，即，它们的光轴重合，此状态下的凸柱面镜21和凹柱面镜22沿着S1进入激光束过程中，在凸柱面镜21和凹柱面镜22未进入激光束之前，激光系统1内所有的激光束经过聚焦得到功率最大的单个焦点（第一焦点e1），当凸柱面镜21和凹柱面镜22沿着S1进入激光束阻挡了部分激光束，由于凸柱面镜21和凹柱面镜22的曲率相同，且它们之间的光轴重合，被凸柱面镜21和凹柱面镜22阻挡的激光束不发生偏折，最终还是保持单个焦点，但是，被阻挡部分的激光束发生了能量损失，经过凸柱面镜21和凹柱面镜22的激光相比于未经过凸柱面镜21和凹柱面镜22的部分激光功率减少，最终综合得到的单个焦点功率减少，随着凸柱面镜21和凹柱面镜22沿着S1进入激光束深度增大，其阻挡的激光面积也增大，损耗的功率也增大，最终得到的焦点功率进一步减少，即随着凸柱面镜21和凹柱面镜22沿着S1方向的移动，最终得到的单焦点功率逐渐减小，当凸柱面镜21和凹柱面镜22完全阻挡激光束时候，所得到的单焦点功率最小。由此可见，工作在单光束要求下，该单光束功率也可调。

更进一步地，以上得到的单光束（第一焦点e1）或者双光束（第一焦点e1和第二焦点e2）可以照射于纤芯光纤40后引出可以用于焊接，根据焊接要求切换单/双激光束，所述纤芯光纤40包括内纤芯402以及包络于所述内纤芯402外壁的外纤芯401，图5-1所示为该纤芯光纤40的纵向剖面示意图；所述纤芯光纤40用于捕获激光系统所获得的光束，当激光系统所获得的光束为单光束，则，所述单光束照射于内纤芯402或者外纤芯401（本发明以照射到内纤芯402为例进行说明，即，第一焦点e1落在内纤芯402上，最终经过内纤芯402的传导输出一圆形光斑以用于焊接等）；当激光系统所获得的光束为双光束，则，所述双光束分别照射于内纤芯402和外纤芯401，此时，第一焦点e1落在内纤芯402截面上，最终形成一圆形光斑，另一焦点，即第二焦点e2落在外纤芯401上截面，最终形成一圆环状光斑，即，此时，最终经过纤芯光纤40后得到圆环光斑和位于圆环光斑内的圆形光斑，而且，依据上述原理，圆环光斑和圆形状光斑的功率可以此消彼长式调节，以满足实际使用需求。由此，上述单/双光束可以根据需要灵活切换，最终得到圆形光斑-圆形光斑和圆环光斑共存之间的相互切换使用。

进一步地，还包括功率二极管50，所述功率二极管50设置于光束偏折镜组的光线入射侧，以用来探测经光束偏折镜组反射的激光束的功率。

激光束通过光束偏折镜组2时候，很少一部分的激光（0.01%-5%）会被光束偏折镜组2的镜片的表面反射得到反射光25，反射光25能够被功率二极管50（PD）探测，利用功率二极管50能够将光信号装换成电信号的特性，反射光25的强度能够被探测，其可以用于判断第一焦点e1和第二焦点e2的强度分配比例。

尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但是本发明的范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，以上各构件可用所属技术领域人员了解的相似或等同元件来替换。

Claims (9)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：

激光系统，用于产生激光束，并且将所述激光束准直后聚焦；

光束偏折镜组，所述光束偏折镜组设置于所述激光束照射路径的任意位置上，所述光束偏折镜组在激光束截面方向上移动，以使所述激光系统最终获得单/双光束，并且，所述单/双光束之间可以变换。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述激光系统包括：激光器（10）、准直镜片（20）以及聚焦镜片（30）；所述激光器（10）产生的激光束经过准直镜片（20）变成平行光束后，由聚焦镜片（30）聚焦。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光束偏折镜组为单镜片，所述单镜片的入射面或者出射面为第一斜面C1，所述单镜片在激光束的截面方向上移动，被单镜片阻挡的部分激光束发生偏折形成第二光束M2，未被单镜片阻挡的另一部分激光束未发生偏折形成第一光束M1。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述单镜片还包括第二斜面C2，所述第二斜面C2和第一斜面C1接壤形成钝角；所述单镜片在激光束截面方向上移动，被单镜片的第一斜面C1阻挡的部分激光束发生偏折形成第二光束M2，被单镜片的第二斜面C2阻挡的另一部分激光束发生偏折形成第一光束M1。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光束偏折镜组包括：曲率相同的凸柱面镜（21）和凹柱面镜（22）；所述凸柱面镜（21）和凹柱面镜（22）正对，并且，凸柱面镜（21）的光轴a和凹柱面镜（22）的光轴b之间的距离可调；调节凸柱面镜（21）的光轴a和凹柱面镜（22）的光轴b之间的距离，使凸柱面镜（21）的光轴a和凹柱面镜（22）的光轴b不重合后，光束偏折镜组在激光束截面方向上移动，被凸柱面镜（21）和凹柱面镜（22）阻挡的部分激光束发生偏折形成第二光束M2，未被凸柱面镜（21）和凹柱面镜（22）阻挡的另一部分激光束形成第一光束M1。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的光学系统，其特征在于，还包括纤芯光纤（40），所述纤芯光纤（40）包括内纤芯（402）以及包络于所述内纤芯（402）外壁的外纤芯（401）；所述纤芯光纤（40）用于捕获激光系统所获得的光束，当激光系统所获得的光束为单光束，所述单光束照射于内纤芯（402）或者外纤芯（401）；当激光系统所获得的光束为双光束，所述双光束分别照射于内纤芯（402）和外纤芯（401）。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的光学系统，其特征在于，还包括功率二极管（50），所述功率二极管（50）设置于光束偏折镜组的光线入射侧，以用来探测经光束偏折镜组反射的激光束的功率。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的光学系统，其特征在于，光束偏折镜组设置于激光器（10）与准直镜片（20）之间，或者光束偏折镜组设置于准直镜片（20）和聚焦镜片（30）之间，或者光束偏折镜组设置于聚焦镜片（30）之后。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统工作在双光束的状态下，该双光束功率可调，且双光束中的任意一光束功率增大同时伴随着另一光束功率的减小。

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