CN114012248A - 一种激光切割头的光路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光切割头的光路系统,光源模块输出的平行激光经轴棱锥发射镜反射后分成第一平行激光束和第二平行激光束，第一平行激光束通过第一反射镜转向射向第一非球面反射镜，平行于第一非球面反射镜抛物线对称轴入射的平行光线经该第一非球面反射镜反射后，其光路必会聚于第一非球面反射镜的焦点，所以第一平行激光束经第一非球面反射镜后分别形成第一交叉激光束，同理，第二平行激光束通过第一反射镜转向射向第二非球面反射镜，第二平行激光束经第二非球面反射镜后分别形成第二交叉激光束，第一交叉激光束和第二交叉激光束经第二反射镜反射后从过光空隙处射出，该光路系统在输出高功率激光时不会产生热透镜效应，并且具有更大的焦深。

Description

一种激光切割头的光路系统
技术领域
本发明涉及激光切割头技术领域，尤其涉及一种激光切割头的光路系统。
背景技术
随着激光技术的深入研究和科学技术的发展，激光切割机越来越广泛应用，激光切割头是一种新的技术，目前已经运用到各种行业，包括金属切割、玻璃切割雕刻等广泛领域。
激光切割头是激光切割机的核心部件之一，请参见授权公告号为CN213592068U的专利文件，该专利文件的技术方案可根据不同材料厚度实时选取不同的焦深，从而增大了激光切割的工艺参数的调控范围，但是此技术方案中激光要通过聚焦透镜聚焦后在射出，随着激光切割头激光输出功率的增加，射向聚焦透镜的激光能量过大时会发生热透镜效应，聚焦后的激光会出现焦散现象，激光切割头所输出的激光集中度降低，严重影响了激光的切割质量和效率。
发明内容
本发明的目的是提供激光切割头的光路系统，该光路系统在输出激光时没有采用聚焦透镜聚焦，激光切割头输出大功率激光时，不会产生热透镜效应，并且具有更大的焦深。
本发明提出一种激光切割头的光路系统,包括：光源模块、轴棱锥反射镜和第一反射镜、第一非球面反射镜、第二非球面反射镜和第二反射镜；
所述光源模块输出的平行激光射向所述轴棱锥反射镜；
所述轴棱锥反射镜包括第一反射面和第二反射面，射向所述第一反射面的激光转向后形成第一平行激光束，射向所述第二反射面的激光转向后形成第二平行激光束，所述第一平行激光束和所述第二平行激光束射向所述第一反射镜；
经所述第一反射镜转向后的所述第一平行激光束射向所述第一非球面反射镜且与所述第一非球面反射镜的抛物线对称轴相平行，所述第一平行激光束经所述第一非球面反射镜转向后形成第一交叉激光束，经所述第一反射镜转向后的第二平行激光束射向所述第二非球面反射镜且与所述第二非球面反射镜的抛物线对称轴相平行，所述第二平行激光束经所述第一非球面反射镜转向后形成第二交叉激光束，所述第一非球面反射镜与第二非球面反射镜之间设有过光空隙，所述第一交叉激光束和所述第二交叉激光束射向所述第二反射镜；
所述第二反射镜设于所述第一反射镜下方，且所述第二反射镜位于经所述第一反射镜转向后的所述第一平行激光束和所述第二平行激光束之间，且所述第二反射镜位于所述第一非球面反射镜和其第一焦点之间，所述第二反射镜位于所述第一非球面反射镜和其第二焦点之间，经所述第二反射镜转向的第一交叉激光束和所述第二交叉激光束从所述过光空隙射出，并在所述过光空隙外相交形成作用焦深。
进一步地，所述光源模块包括QBH接头和第二非球面反射镜，所述QBH接头的出光端设于所述第二非球面反射镜的焦点位置，所述QBH接头射出的发散激光射向所述第二非球面反射镜，经所述第二非球面反射镜转向后的发散激光变成平行激光射向所述轴棱锥反射镜。
进一步地，所述光源模块包括QBH接头、准直透镜和第三反射镜，所述QBH接头射出的发散激光射向所述准直透镜，所述第三反射镜呈预设角度倾斜设于所述准直透镜的出光方向，经所述准直透镜准直后的平行激光射向所述第三反射镜，经所述第三反射镜转向后的平行激光射向所述轴棱锥反射镜。
进一步地，所述光源模块包括QBH接头和准直透镜，所述QBH接头射出的发散激光射向所述准直透镜，经所述准直透镜准直后的平行激光射向所述轴棱锥反射镜。
进一步地，所述轴棱锥反射镜还包括反射顶点，射向所述反射顶点的激光转向后形成第三平行激光束，所述第三平行激光束射向所述第一反射镜，经所述第一反射镜转向后的所述第二反射镜，所述第二反射镜上设有用于第三平行激光束穿过的通孔，所述第三平行激光束穿过所述通孔后从所述出光孔射出。
进一步地，本发明的光路系统还包括至少一保护镜，所述保护镜设于所述过光空隙下方。
进一步地，所述第一非球面反射镜为抛面镜。
进一步地，所述第一非球面反射镜为双曲面镜。
进一步地，所述第二反射镜连接有伺服电机系统，所述伺服电机系统控制所述第二反射镜做上下运动。
本实用发明的有益效果在于：
1、本发明的光源模块输出的平行激光经轴棱锥发射镜反射后分成第一平行激光束和第二平行激光束，第一平行激光束通过第一反射镜转向射向第一非球面反射镜，平行于第一非球面反射镜抛物线对称轴入射的平行光线经该第一非球面反射镜反射后，其光路必会聚于第一非球面反射镜的焦点，所以第一平行激光束经第一非球面反射镜后分别形成第一交叉激光束，同理，第二平行激光束通过第一反射镜转向射向第二非球面反射镜，第二平行激光束经第二非球面反射镜后分别形成第二交叉激光束，第一交叉激光束和第二交叉激光束经第二反射镜反射后从过光空隙处射出，第一交叉激光束和第二交叉激光束在外界相交形成的作用焦深比现有技术中通过聚焦透镜聚焦后两平行激光束相交所形成的焦深更大，可以切更厚的板材，并且在该光路系统未使用聚焦透镜，由于没有热透镜效应的影响，本发明的光路系统产生的光斑的集中度更高，更适用于高输出功率的激光切割头。
2、第二反射镜连接有伺服电机系统，通过伺服电机控制第二反射镜上下移动，焦深根据所切板材的厚度进行调整。
附图说明
图1是本发明实施一光路系统的光路结构示意图。
图2是本发明实施二光路系统的光路结构示意图。
图3是本发明实施三光路系统的光路结构示意图。
图中，
100、光源模块；110、QBH接头；120、第三非球面反射镜；130、准直透镜；140、第三反射镜；
200、轴棱锥反射镜；210、第一反射面；220、第二反射面；230、反射顶点；
300、第一反射镜；
400、第一非球面反射镜；
500、第二非球面反射镜；
600、第二反射镜；610、通孔；
700、平行激光束；
800、横向平行激光束；
900、纵向平行激光束900；
A、第一平行激光束；B、第二平行激光束；C、第三平行激光束；D、第一交叉激光束；E、第二交叉激光束；H、作用焦深；F1、第一焦点；F2、第二焦点；K、过光空隙；M、保护镜。
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，对本发明一种激光切割头的光路系统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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例一
请参见图1，一种激光切割头的光路系统主要包括光源模块100、轴棱锥反射镜200、第一反射镜300、第一非球面反射镜400、第二非球面反射镜500和第二反射镜600；具体地，该光源模块100包括QBH接头110(QBH为光纤激光光缆)和第三非球面反射镜120，QBH接头110为高功率光纤激光器的输出端并且QBH接头110发射出的激光为发散光，该发散光射向第三非球面反射镜120，把QBH接头110的出光端设在第三非球面反射镜120的焦点位置，根据第三非球面反射镜120的光学特性，经过第三非球面反射镜120转向后的发散光变成平行激光束700，该平行激光束700射向轴棱锥反射镜200，轴棱锥反射镜200包括第一反射面210、第二反射面220和反射顶点230，该平行激光束700一部分射向第一反射面210的平行光经第一反射面210转向后形成第一平行激光束A，一部分射向第二反射面220的平行光经第二反射面220转向后形成第二平行激光束B，该平行激光束700中极少量的平行激光射向反射顶点230，经反射顶点230转向后形成第三平行激光束C。
经轴棱锥反射镜200转向形成的第一平行激光束A、第二平行激光束B和第三平行激光束C分别射向第一反射镜300，经第一反射镜300转向的第一平行激光束A射向第一非球面反射镜400且与第一非球面反射镜400的抛物线对称轴相平行，根据第一非球面反射镜400的光学特性，平行于第一非球面反射镜400抛物线对称轴入射的平行光线经该第一非球面反射镜400反射后，其反射光路必会聚于第一非球面反射镜400的第一焦点F1，所以第一平行激光束A经第一非球面反射镜400转向后形成第一交叉激光束D，经第一反射镜300转向的第二平行激光束B射向第二非球面反射镜500且与第二非球面反射镜500的抛物线对称轴相平行，根据第二非球面反射镜500的光学特性，平行于第二非球面反射镜500抛物线对称轴入射的平行光线经该第二非球面反射镜500反射后，其反射光路必会聚于第二非球面反射镜500的第二焦点F2，所以第二平行激光束B经第二非球面反射镜500转向后形成第二交叉激光束E，第一非球面反射镜400与第二非球面反射镜500之间留有过光空隙K，之后，第一交叉激光束D和第二交叉激光束E射向第二反射镜600。
请参见图1，第二反射镜600设于第一反射镜300下方，并且第二反射镜600位于经第一反射镜300转向后的第一平行激光束A和第二平行激光束B之间，并且第二反射镜600位于第一非球面反射镜400与其第一焦点F1之间，也位于第二非球面反射镜500与其第二焦点F2之间，经第二反射镜600转向后的第一交叉激光束D和第二交叉激光束E从过光空隙K处射出，第一交叉激光束D和第二交叉激光E束在过光空隙K外相交形成作用焦深H，该作用焦深H比现有技术中通过聚焦透镜聚焦后两平行激光束相交所形成的焦深更大，可以切更厚的板材，并且整个光路系统均未使用聚焦透镜，由于没有热透镜效应的影响，该光路系统产生的光斑的集中度更高，更适用于高输出功率的激光切割头。
请参见图1，为了防止激光切割头在切割过程中产生的碎料飞溅进过光空隙K内，可以在第一非球面反射镜400的下方设置至少一块保护镜M。
请参见图1，需要提到的是，由于经反射顶点230转向后形成第三平行激光束C是极其少量的激光，所以在实际装配中可以忽略掉，当然也可在第二反射镜600上相对应的位置设一个通孔610，该通孔610与过光空隙K相对准，第三平行激光束C直接从该通孔610穿过，然后从过光空隙K处射出。
实施例二
请参见图2，相比于实施例一区别在于光源模块100的结构设计不同，在实施例二中光源模块100包括QBH接头110、准直透镜130和第三反射镜140，该QBH接头110是横向设置因此发射出的发散激光也是横向的，横向的发散光射向准直透镜130，经准直透镜130准直后形成横向平行激光束800，该横向平行激光束800射向第三反射镜140，经第三反射镜140转向后的横向平行激光束800射向轴棱锥反射镜200，其他均与实施例一相同在此不在赘述。
需要提到的是，实施例二中的光源模块100结构属于准直系统设于激光切割头外部的情况。
实施例三
请参见图3，相比实施例一，区别在于光源模块100的结构设计不同，在实施例三中光源模块100包括QBH接头110和准直透镜130，该QBH接头110是纵向设置，因此发射出的发散激光也是纵向的，纵向的发散光射向准直透镜130，经准直透镜130准直后形成纵向平行激光束900，该纵向平行激光束900射向轴棱锥反射镜200，其他均与实施例一相同在此不在赘述。
需要提到的是，实施例三中的光源模块100结构属于准直系统设于激光切割头内部的情况。
在实施一至实施例三中，第一非球面反射镜400和第三非球面反射镜120可以选用离轴抛面镜或离轴双曲面镜，离轴抛面镜或离轴双曲面镜都具有使平行于对称轴入射的光线经反射后，其光路将会聚于其焦点的光学特性。
在实施一至实施例三中，第二反射镜600可以外接伺服电机系统(图中未示出)，通过伺服电机系统驱动第二反射镜600上下移动，焦深根据所切板材的厚度进行调整，当伺服电机系统驱动第二反射镜600向上移动时，作用焦深H逐渐变短，当伺服电机系统驱动第二反射镜600向下移动时，作用焦深H逐渐变长。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种激光切割头的光路系统，其特征在于，包括：光源模块、轴棱锥反射镜、第一反射镜、第一非球面反射镜、第二非球面反射镜和第二反射镜；
所述光源模块输出的平行激光射向所述轴棱锥反射镜；
所述轴棱锥反射镜包括第一反射面和第二反射面，射向所述第一反射面的激光转向后形成第一平行激光束，射向所述第二反射面的激光转向后形成第二平行激光束，所述第一平行激光束和所述第二平行激光束射向所述第一反射镜；
经所述第一反射镜转向后的所述第一平行激光束射向所述第一非球面反射镜且与所述第一非球面反射镜的抛物线对称轴相平行，所述第一平行激光束经所述第一非球面反射镜转向后形成第一交叉激光束，经所述第一反射镜转向后的第二平行激光束射向所述第二非球面反射镜且与所述第二非球面反射镜的抛物线对称轴相平行，所述第二平行激光束经所述第一非球面反射镜转向后形成第二交叉激光束，所述第一非球面反射镜与第二非球面反射镜之间设有过光空隙，所述第一交叉激光束和所述第二交叉激光束射向所述第二反射镜；
所述第二反射镜设于所述第一反射镜下方，且所述第二反射镜位于经所述第一反射镜转向后的所述第一平行激光束和所述第二平行激光束之间，且所述第二反射镜位于所述第一非球面反射镜和其第一焦点之间，所述第二反射镜位于所述第二非球面反射镜和其第二焦点之间，经所述第二反射镜转向的第一交叉激光束和所述第二交叉激光束从所述过光空隙射出，并在所述过光空隙外相交形成作用焦深。
2.根据权利要求1所述的一种激光切割头的光路系统，其特征在于，所述光源模块包括QBH接头和第二非球面反射镜，所述QBH接头的出光端设于所述第二非球面反射镜的焦点位置，所述QBH接头射出的发散激光射向所述第二非球面反射镜，经所述第二非球面反射镜转向后的发散激光变成平行激光射向所述轴棱锥反射镜。
3.根据权利要求1所述的一种激光切割头的光路系统，其特征在于，所述光源模块包括QBH接头、准直透镜和第三反射镜，所述QBH接头射出的发散激光射向所述准直透镜，所述第三反射镜呈预设角度倾斜设于所述准直透镜的出光方向，经所述准直透镜准直后的平行激光射向所述第三反射镜，经所述第三反射镜转向后的平行激光射向所述轴棱锥反射镜。
4.根据权利要求1所述的一种激光切割头的光路系统，其特征在于，所述光源模块包括QBH接头和准直透镜，所述QBH接头射出的发散激光射向所述准直透镜，经所述准直透镜准直后的平行激光射向所述轴棱锥反射镜。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种激光切割头的光路系统，其特征在于，所述轴棱锥反射镜还包括反射顶点，射向所述反射顶点的激光转向后形成第三平行激光束，所述第三平行激光束射向所述第一反射镜，经所述第一反射镜转向后的所述第二反射镜，所述第二反射镜上设有用于第三平行激光束穿过的通孔，所述第三平行激光束穿过所述通孔后从所述出光孔射出。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种激光切割头的光路系统，其特征在于，还包括至少一保护镜，所述保护镜设于所述过光空隙下方。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种激光切割头的光路系统，其特征在于，所述第一非球面反射镜为抛面镜。
8.根据权利要求1-4任一项所述的一种激光切割头的光路系统，其特征在于，所述第一非球面反射镜为双曲面镜。
9.根据权利要求1-4任一项所述的一种激光切割头的光路系统，其特征在于，所述第二反射镜连接有伺服电机系统，所述伺服电机系统控制所述第二反射镜做上下运动。
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