CN115846900A - 用于生成高功率激光束的光路系统、切割头和设备 - Google Patents

Abstract

本申请属于激光光束整形技术领域，具体涉及一种用于生成高功率激光束的光路系统、切割头和设备。其中，用于生成高功率激光束的光路系统包括：依次设置的光纤密排模块、二元微透镜阵列、4F光学系统；激光光束经所述光纤密排模块传输至所述二元微透镜阵列，所述二元微透镜阵列将所述激光光束整形为平顶光束，所述平顶光束经所述4F光学系统形成预设形状的激光光斑。通过本申请的系统能够方便地得到满足用户形状要求的高能量密度的激光光斑。

Description

用于生成高功率激光束的光路系统、切割头和设备

技术领域

本申请属于激光光束整形技术领域，具体涉及一种用于生成高功率激光束的光路系统、切割头和设备。

背景技术

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻与切割、金属非金属钻孔、切割、焊接等等。

光纤激光器输出的激光光束的能量分布往往呈高斯型分布，在光纤激光加工工艺中通常需要将激光束进行能量分布整形，实现平顶分布，以得到功率密度均匀分布的光斑。

现有技术的光束整形(高斯光束平顶化)技术一般通过使用积分镜或匀光管的方法达成，积分镜由很多块小平面镜组成，工艺复杂；匀光管用于光纤激光器需要很长的长度，且损耗高。当用于光纤激光器时，两者均匀化后的光斑都较大，难以根据用户对光束形状的要求生成高亮度、高功率密度的激光光斑。

如何使激光器输出高光斑功率密度的光斑，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本申请提供一种用于生成高功率激光束的光路系统、切割头和设备。

(二)技术方案

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种用于生成高功率激光束的光路系统，该系统包括依次设置的光纤密排模块、二元微透镜阵列、4F光学系统，激光光束经所述光纤密排模块传输至所述二元微透镜阵列，所述二元微透镜阵列将所述激光光束整形为平顶光束，所述平顶光束经所述4F光学系统形成预设形状的激光光斑。

可选地，所述二元微透镜阵列的结构与光纤密排模块的结构相同，并镀有增透模，镀膜系数与激光器输出波长相同。

可选地，所述4F光学系统包括第一非球面镜、第二非球面镜以及第一非球面镜、第二非球面镜之间设置的整形模板，所述第一非球面镜包括第一入射曲面和第二出射曲面，所述第一入射曲面与所述第二出射曲面弯曲方向相同；所述第二非球面镜包括第三入射曲面和第四出射平面，所述第四出射平面不改变光束传输方向。

可选地，所述第一入射曲面的面型分布为：

其中，d₁为所述第一入射曲面中心与所述二元微透镜阵列出光端的距离，r为光线在第一入射曲面照射点与中心轴线之间的垂直距离，Z_S(r)为相应照射点处所对应的面型垂度。

可选地，所述第二出射曲面的面型分布为：

其中，z(r)为所述第二出射曲面径向位置r处的面型垂度，n为透镜使用材料的折射率，d为第二出射曲面中心与第三入射曲面中心之间的距离，f(x)为第二出射曲面出射位置r与第三入射曲面入射位置R之间的关系。

可选地，所述第三出射曲面的面型分布为：

其中，Z(R)为第三入射曲面径向位置R处的面型垂度。

可选地，所述光纤密排模块包括：

光纤束，其中光纤束的光纤参数与发出所述激光光束的激光发生器输出光纤的参数相同，所述光纤束为四边形或六边形，所述光纤束端面经研磨、抛光、镀膜形成有增透膜，增透膜系数与激光器的输出波长一致；

套设于所述阵列光纤的参氟石英管，所述参氟石英管的折射率为1.37。

第二方面，本申请实施例提供一种激光切割头，所述激光切割头包括激光输出系统和如上第一方面任一项所述的用于生成高功率激光束的光路系统，所述用于生成高功率激光束的光路系统通过所述激光输出系统输出激光光束。

第三方面，本申请实施例提供一种激光设备，所述激光设备包括激光发射器以及如上第二方面所述的激光切割头，所述激光发射器发射的激光进入所述激光切割头生成预设形状的激光光斑。

可选地，所述激光发射器为光纤激光器，所述光纤激光器输出功率范围为1050nm～1100nm。

(三)有益效果

本申请的有益效果是：本申请提出了一种用于生成高功率激光束的光路系统、切割头和设备。其中，用于生成高功率激光束的光路系统包括：依次设置的光纤密排模块、二元微透镜阵列、4F光学系统；激光光束经所述光纤密排模块传输至所述二元微透镜阵列，所述二元微透镜阵列将所述激光光束整形为平顶光束，所述平顶光束经所述4F光学系统形成预设形状的激光光斑。本申请的光路系统通过多个输出光纤进行密排处理后，通过二元微透镜得到能量均匀的光斑，然后经过4F系统将光斑进行整形能够方便地得到满足用户形状要求的高能量密度的激光光斑。

进一步地，在对金属板材进行加工时，通过二元微透镜的调整可以实现很多不同形状的光斑，以此来优化厚板加工中板材断面粗糙度和锥度。

通过光斑整形能够改善穿孔工艺形成更好的熔池效果，提高穿孔效率。

附图说明

本申请借助于以下附图进行描述：

图1为本申请实施例提供的一种用于生成高功率激光束的光路系统的结构示意图；

图2为本申请一个实施例中的光纤束结构示意图；

图3为本申请另一个实施例中的4F光学系统结构示意图；

图4为本申请另一个实施例中的4F光学系统对光斑处理前后对比图；

图5为本申请又一个实施例中的激光切割头组成结构图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。可以理解的是，以下所描述的具体的实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合；为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

实施例一

图1为本申请实施例提供的一种用于生成高功率激光束的光路系统的结构示意图，如图1所示，该系统包括：

依次设置的光纤密排模块、二元微透镜阵列、4F光学系统，激光光束经光纤密排模块传输至二元微透镜阵列，二元微透镜阵列将激光光束整形为平顶光束，平顶光束经4F光学系统形成预设形状的激光光斑。

本申请的光路系统通过多个输出光纤进行密排处理后，通过二元微透镜得到能量均匀的光斑，然后经过4F系统将光斑进行整形能够方便地得到满足用户形状要求的高能量密度的激光光斑。

为了更好地理解本发明，以下对本实施例中的各部分进行展开说明。

1、光纤密排模块

光纤密排模块内部精密排列了多根光纤，将多路激光按一定间距通过光纤阵列模块和透镜进行整合。

光纤密排模块包括：

光纤束，其中，光纤束的光纤参数与发出激光光束的激光发生器输出光纤的参数相同，光纤束端面经研磨、抛光、镀膜形成有增透膜，增透膜系数与激光器的输出波长一致；

套设于所述阵列光纤的参氟石英管，参氟石英管的折射率为1.37。

光纤密排模块的制作方法包括：

采用氢氟酸去掉光纤的包层；

通过套设参氟石英管将光纤束缚在一起，形成光纤束；

将光纤束端面进行研磨、抛光、镀膜，其中，增透膜系数与激光器的输出波长保持一致。

图2为本申请一个实施例中的光纤束结构示意图，图2中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别是三角形、四边形、每边2根、3根、4根光纤构成的六边形。如图2所示，光纤密排阵列的形状可以是三角形、四边形或六边形，光纤的数量大于等于3。优选地，光纤密排阵列的形状是四边形或六边形。

光纤密排模块还可以采用其他方法进行光纤的密排，例如，用提前准备好的排列模具将所有的光纤固定成一定的形状，可以是图2所示的形状，也可以是矩形，或者其他形状，本实施例对光纤密排模块的形状不做具体限制。排列模具的主要作用是让光纤进行规则的排列，然后再进行研磨、抛光、镀膜处理。

2、二元微透镜阵列

本实施例中，微透镜阵列为折射型微透镜阵列，微透镜阵列中每一微透镜与光纤密排阵列中的光纤对应设置，且微透镜阵列置于4f系统第一个焦距上。二元微透镜阵列将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分被相应的小透镜聚焦在焦平面上，光斑进行重叠，从而实现将光均匀化的精确整形。

二元微透镜阵列主要用于破坏高斯光或者类高斯光的模场分布，使得高斯光束变成能量均匀的平顶光束。二元微透镜阵列的结构与光纤密排模块的结构保持一致，采取镀增透模处理，镀膜系数与激光器输出波长保持一致。

进一步地，在对金属板材进行加工时，通过二元微透镜的调整可以实现很多不同形状的光斑，以此来优化厚板加工中板材断面粗糙度和锥度。

实施例二

本实施例提供了一种用于生成高功率激光束的光路系统，光纤密排模块、二元微透镜阵列与实施例一相同，因此以下仅对对本实施例中的4F光学系统进行具体说明。

4F光学系统用于对均匀的平顶光斑进行整形处理，以便达到适应不同加工场景的光斑。

图3为本申请另一个实施例中的4F光学系统结构示意图，如图3所示，4F光学系统包括第一非球面镜1、第二非球面镜2以及第一非球面镜1、第二非球面镜2之间设置的整形模板3。第一非球面镜1包括第一入射曲面R1和第二出射曲面R2，第一入射曲面R1与第二出射曲面R2弯曲方向相同，均沿光路方向弯曲，第二非球面镜2包括第三入射曲面R3和第四出射平面R4。第四出射平面R4不改变光束传输方向。d₁为第一入射曲面R1中心与二元微透镜阵列4出光端的距离，d为第二出射曲面R2中心与第三入射曲面R3中心之间的距离。

图3中第一入射曲面R1面型分布为：

其中，d₁为第一入射曲面R1中心与二元微透镜阵列出光端的距离，r为光线在第一入射曲面R1照射点与中心轴线之间的垂直距离，Z_S(r)为相应照射点处所对应的面型垂度。

图3中第二出射曲面R2的面型分布为：

其中，z(r)为第二出射曲面R2径向位置r处的面型垂度，n为透镜使用材料的折射率，d为第二出射曲面R2中心与第三入射曲面R3中心之间的距离，f(x)为第二出射曲面出射位置r与第三入射曲面入射位置R之间的关系。

图3中第三入射曲面R3的面型分布为：

其中，Z(R)为入射曲面R3径向位置R处的面型垂度。

优选地，通过对整形模板的形状进行调整可以得到不同形状的光斑。

图4为本申请另一个实施例中的4F光学系统对光斑处理前后对比图，图4中的(a)、(b)、(c)、(d)分别为通过整形模板对平顶光斑处理后得到的四种不同形状的光斑。如图4所示，平顶光斑经过4F光学系统处理后会得到如图4所示的不同光斑形状，以此提高穿孔、切割、焊接的效率和成品质量。

除了图4中所示的4种形状光斑，还可以对平顶光斑进行任意的调整，可以使光斑为环形、环形加圆心平顶，以此来提高各种应用的效果和效率。

通过本实施例的4F光学系统，不仅整合后的各路激光光轴平行，光斑均匀，能量相近；而且能够更加准确地控制通过整形模板形成光斑的形状，通过计算机的控制，便可实现多路激光同时工作的状态，高效、完美的实现制版、焊接、雕刻、探测等过程。

实施例三

图5为本申请又一个实施例中的激光切割头组成结构图，如图5所示，本申请第二方面提供一种激光切割头，包括激光输出系统和如上实施例中所述的用于生成高功率激光束的光路系统，用于生成高功率激光束的光路系统通过激光输出系统输出激光光束。

该光路系统的具体结构包括激光器、光纤密排模块、二元微透镜阵列、4F光学系统、激光输出装置，由于本激光切割头采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

光路系统容置于外壳内。该外壳形成有容纳空间，光路系统容置于容纳空间内，外壳能够对内部的光路系统进行保护，防止外界杂尘对光路系统造成影响。外壳上还可以安装有传感器，用于检测激光切割头与工件之间的距离，该传感器可连接外部调高系统，该调高系统能够根据传感器的检测数据对激光切割头与工件之间的间距进行调整，以保证激光切割头的光路系统所出射的激光光束聚焦形成的激光光斑与工件所在高度一致，保证该激光切割头对工件切割过程中形成的切痕尺寸稳定。

实施例四

本申请第三方面提供一种激光设备，该激光设备包括激光发生器以及如上实施例所述的激光切割头，激光发生器发射的激光进入所述激光切割头生成预设形状的激光光斑。

具体地，激光发生器为固态激光器、优选为光纤激光器。激光器输出激光呈现高斯分布，全部为单裸光纤输出，光纤的纤芯直径为10μm～100μm，激光器输出功率通常在0.1～25kw之间，优选地输出范围为10W～20KW，激光器输出波长优选为1050nm～1100nm之间。

激光发生器可以用连续方式、准连续方式或脉冲方式工作。

作为激光光源，耦接到光纤密排模块中的光纤以便产生入射激光束。

具体地，激光输出装置可以为光纤输出，也可以为空间光路输出。

由于本激光切割设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改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，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于生成高功率激光束的光路系统，其特征在于，该系统包括依次设置的光纤密排模块、二元微透镜阵列、4F光学系统，激光光束经所述光纤密排模块传输至所述二元微透镜阵列，所述二元微透镜阵列将所述激光光束整形为平顶光束，所述平顶光束经所述4F光学系统形成预设形状的激光光斑。

2.根据权利要求1所述的用于生成高功率激光束的光路系统，其特征在于，所述二元微透镜阵列的结构与光纤密排模块的结构相同，并镀有增透模，镀膜系数与激光器输出波长相同。

3.根据权利要求1所述的用于生成高功率激光束的光路系统，其特征在于，所述4F光学系统包括第一非球面镜、第二非球面镜以及第一非球面镜、第二非球面镜之间设置的整形模板，所述第一非球面镜包括第一入射曲面和第二出射曲面，所述第一入射曲面与所述第二出射曲面弯曲方向相同；所述第二非球面镜包括第三入射曲面和第四出射平面，所述第四出射平面不改变光束传输方向。

4.根据权利要求3所述的用于生成高功率激光束的光路系统，其特征在于，所述第一入射曲面的面型分布为：

其中，d₁为所述第一入射曲面中心与所述二元微透镜阵列出光端的距离，r为光线在第一入射曲面照射点与中心轴线之间的垂直距离，Z_S(r)为相应照射点处所对应的面型垂度。

5.根据权利要求4所述的用于生成高功率激光束的光路系统，其特征在于，所述第二出射曲面的面型分布为：

其中，z(r)为所述第二出射曲面径向位置r处的面型垂度，n为透镜使用材料的折射率，d为第二出射曲面中心与第三入射曲面中心之间的距离，f(x)为第二出射曲面出射位置r与第三入射曲面入射位置R之间的关系。

6.根据权利要求4所述的用于生成高功率激光束的光路系统，其特征在于，所述第三出射曲面的面型分布为：

其中，Z(R)为第三入射曲面径向位置R处的面型垂度。

7.根据权利要求1所述的用于生成高功率激光束的光路系统，其特征在于，所述光纤密排模块包括：

光纤束，其中，光纤束的光纤参数与发出所述激光光束的激光发生器输出光纤的参数相同，所述光纤束为四边形或六边形，所述光纤束端面经研磨、抛光、镀膜形成有增透膜，增透膜系数与激光器的输出波长一致；

套设于所述阵列光纤的参氟石英管，所述参氟石英管的折射率为1.37。

8.一种激光切割头，其特征在于，所述激光切割头包括激光输出系统和如权利要求1至7中任一项所述的用于生成高功率激光束的光路系统，所述用于生成高功率激光束的光路系统通过所述激光输出系统输出激光光束。

9.一种激光设备，其特征在于，

所述激光设备包括激光发射器以及如权利要求8所述的激光切割头，所述激光发射器发射的激光进入所述激光切割头生成预设形状的激光光斑。

10.根据权利要求9所述的激光设备，其特征在于，所述激光发射器为光纤激光器，所述光纤激光器输出功率范围为1050nm～1100nm。

Images