CN207557590U - 激光光束整形器和新型激光光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光光束整形器，包括透镜座、第一凹面镜及第二凹面镜，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜相对设置于所述透镜座内，所述第一凹面镜包括第一凹镜面，所述第二凹面镜包括第二凹镜面，所述第一凹镜面和所述第二凹镜面相对设置，所述透镜座开设有入光口和出光口，呈高斯分布的激光束由所述入光口入射到所述第一凹面镜的凹镜面，被反射到所述第二凹面镜的凹镜面，再被所述第二凹面镜的凹镜面反射后由所述出光口射出，得到目标激光束，所述目标激光束中心光强低于边缘光强。上述激光光束整形器在激光切割过程中加工锥度小、切割效率高。

Description

激光光束整形器和新型激光光源

技术领域

本实用新型涉及激光光束整形技术领域，特别是涉及一种激光光束整形器及新型激光光源。

背景技术

激光切割的原理是利用聚焦后的高功率密度激光束照射工件，使工件被照射区域的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与激光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而将工件割开。激光器本身发出的光束，直径比较大，能量密度远远低于激光切割所需的能量密度，因此，必须利用激光聚焦系统对激光光束进行聚焦，才能获得激光切割所需的光斑大小以及功率密度。聚焦后光斑的能量分布以及能量密度直接影响激光切割的效果，而聚焦后的光斑能量分布取决于聚焦前光束的能量分布。

传统激光加工行业，激光光束呈高斯分布，即中间能量高、周围低，经过聚焦后，这种能量分布不均匀的问题更加严重，得到的聚焦光斑中间能量密度远高于周围能量密度，光斑能量密度梯度加大。在激光切割过程中，中间能量密度高的部分很容易将材料去除，而周围能量密度低的部分去除效果较差，导致出现较大的切割锥度，同时也会影响激光切割效率。

实用新型内容

基于此，有必要针对激光切割过程中加工锥度大、切割效率低的问题，提供一种激光光束整形器及新型激光光源。

一种激光光束整形器，包括透镜座、第一凹面镜及第二凹面镜，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜相对设置于所述透镜座内，所述第一凹面镜包括第一凹镜面，所述第二凹面镜包括第二凹镜面，所述第一凹镜面和所述第二凹镜面相对设置，所述透镜座开设有入光口和出光口，呈高斯分布的激光束由所述入光口入射到所述第一凹面镜的凹镜面，被反射到所述第二凹面镜的凹镜面，再被所述第二凹面镜的凹镜面反射后由所述出光口射出，得到目标激光束，所述目标激光束中心光强低于边缘光强。

上述激光光束整形器，包括第一凹面镜和第二凹面镜，第一凹面镜包括第一凹镜面，第二凹面镜包括第二凹镜面，第一凹镜面和第二凹镜面相对设置，激光束由入光口入射到第一凹镜面上，呈高斯分布的激光束中心处的激光强度大，照射到第一凹镜面的夹角处时被第一凹镜面的两个镜面分别反射得到两束激光，该两束激光再分别由第二凹镜面反射出来且位于目标激光束的边缘位置，从而获得中心光强低于边缘光强的目标激光束，该目标激光束应用于激光切割时锥度小，切割效率高。

在其中一个实施例中，所述第一凹镜面和所述第二凹镜面均包括第一镜面和第二镜面，所述第一镜面和第二镜面呈夹角设置，以在第一镜面和第二镜面的连接处形成凹角。

在其中一个实施例中，所述第一凹镜面的第一镜面和所述第二凹镜面的第二镜面平行设置，所述第一凹镜面的第二镜面和所述第二凹镜面的第一镜面平行设置。

在其中一个实施例中，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜均包括底镜面，所述底镜面与所述第一凹镜面/所述第二凹镜面相对设置，所述第一镜面与所述底镜面的夹角为10°～15°，所述第二镜面与所述底镜面的夹角为10°～15°。

在其中一个实施例中，所述第一镜面和所述第二镜面关于所述底镜面的垂直平分线对称设置。

在其中一个实施例中，所述底镜面为方形，尺寸为10mm×10mm、15mm×15mm或20mm×20mm。

在其中一个实施例中，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜的边缘厚度均为5～8mm。

在其中一个实施例中，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜还包括涂覆于所述凹镜面的反射膜。

在其中一个实施例中，所述反射膜包括适用于波长为355nm、532nm或1064nm的激光束的镀膜。

一种新型激光光源，应用于激光切割，包括激光器和所述的激光光束整形器，所述激光器发射出的呈高斯分布的激光束，经所述激光光束整形器整形为目标激光束，所述目标激光束中心光强低于边缘光强。

附图说明

图1为一实施例中激光光束整形器的结构示意图；

图2为图1中第一凹面镜/第二凹面镜的结构示意图；

图3为入射激光束和经激光光束整形器调整后的目标激光束的光强分布图；

图4为一实施例中新型激光光源的光路原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参阅图1，激光光束整形器100包括透镜座10、第一凹面镜20及第二凹面镜30，第一凹面镜20和第二凹面镜30相对设置于透镜座10内，第一凹面镜20包括相对设置的底镜面21和第一凹镜面22，第二凹面镜30包括相对设置的底镜面31和第二凹镜面32，第一凹镜面22和第二凹镜面32相对设置，透镜座10开设有入光口11和出光口12，激光束由入光口11进入，经过第一凹面镜20和第二凹面镜30的反射后，由出光口12射出，呈高斯分布的激光束依次被第一凹镜面22和第二凹镜面32反射而整形为目标激光束，目标激光束中心光强低于边缘光强。请参阅图3，左图为呈高斯分布的激光束的光强分布(x轴为距离激光束中心的距离，y轴为光强)，右图为调整后的目标激光束的光强分布(x轴为距离激光束中心的距离，y轴为光强)。

在一实施例中，为保证入射激光束和经由激光光束整形器100调整后出射的目标激光束的方向一致，第一凹面镜20和第二凹面镜30结构完全相同；更进一步地，第一凹面镜20的底镜面21和第二凹面镜30的底镜面31与水平方向呈45°角放置于透镜座10内，水平入射的激光束经过第一凹面镜20和第二凹面镜30，得到的目标激光束水平射出。

请参阅图2，第一凹镜面22包括呈夹角设置的第一镜面221和第二镜面222，第二凹镜面32包括呈夹角设置的第一镜面321和第二镜面322，第一镜面221/321和第二镜面222/322形成所述凹角α。请参阅图4，呈高斯分布的激光束中心处的激光入射到凹角上时，一部分激光被第一镜面221反射，另一部分激光被第二镜面222反射，使得该位于入射激光束中心处的激光被分割为两束激光，上述两束激光分别经由第二凹面镜30的第一镜面321和第二镜面322反射出来，且位于目标激光束的边缘位置，达到将呈高斯分布的激光束整形为中心处光强低于边缘光强的目标激光束的目的。

请参阅图1，在一实施例中，第一凹镜面22的第一镜面221和第二凹镜面32的第二镜面322平行设置，第一凹镜面22的第二镜面222和第二凹镜面32的第一镜面321平行设置，以使得入射激光束和经由激光光束整形器100调整后出射的目标激光束的方向一致。

请参阅图2，在一实施例中，第一镜面221/321和第二镜面222/322关于底镜面21/31的垂直平分线对称设置。第一镜面221/321与底镜面21/31的夹角θ1为10°～15°。第二镜面222/322与底镜面21/31的夹角θ2为10°～15°。由于θ1+α+θ2＝180°，在θ1和θ2大于10°，有效保证呈高斯分布的激光束中心处的激光入射到凹角上时，被第一镜面221和第二镜面222分别反射而实现分束，同时，θ1和θ2小于15°，能够避免激光束的光程过大而使平均光强减弱。

在一实施例中，第一凹面镜20和第二凹面镜30的底镜面21/22均为平面，底镜面21和底镜面31相互平行，进一步地，底镜面为方形，尺寸(a×a)为10mm×10mm、15mm×15mm或20mm×20mm。在加工第一凹面镜20和第二凹面镜30时，提供一长方体基材，去除顶部的多余物料，形成呈坡状的第一凹镜面22和第二凹镜面32，长方体基材的底面即底镜面21/31。

在一实施例中，第一凹面镜20和第二凹面镜30的边缘厚度h均为5～8mm，为便于加工出第一凹镜面22和第二凹镜面32，第一凹面镜20和第二凹面镜30的厚度不宜小于5mm，而为减小制备所述第一凹面镜20和所述第二凹面镜30的材料的用量，第一凹面镜20和第二凹面镜30的厚度不宜大于8mm。第一凹面镜20和第二凹面镜30的材质可选为紫外融熔石英材料。

在一实施例中，第一凹面镜20和所述第二凹面镜30还包括涂覆于所述凹镜面22/32的反射膜，涂覆反射膜后，第一凹面镜20和第二凹面镜30的反射率能够达到99％，有效减少激光束的能量损失。针对具有不同波长的激光束，可选用适用不同波长的反射膜，具体的，反射膜可选为适用于波长为355nm、532nm或1064nm的激光束的镀膜，有效提高了本实用新型激光光束整形器100的适用性。

在设计激光光束整形器100时，通过改变上述凹角α的大小，可以调整目标激光束的直径，此外，还可通过改变第一凹面镜20的底镜面21与第二凹面镜30的底镜面31的垂直距离来改变目标激光束的直径。具体的，凹角α变小，第一凹面镜20的底镜面21与第二凹面镜30的底镜面31的垂直距离变大，目标激光束的直径变大；相反的，凹角α变大，第一凹面镜20的底镜面21与第二凹面镜30的底镜面31的垂直距离变小，目标激光束的直径变小。

请参阅图4，一种新型激光光源200，应用于激光切割，包括激光器210和激光光束整形器100，激光器210发射出的呈高斯分布的激光束，经激光光束整形器100整形为目标激光束，目标激光束中心光强低于边缘光强。上述新型激光光源200中的激光光束整形器100具备上述实施例描述的结构，呈高斯分布的激光束中心处的激光入射到第一凹镜面22的凹角上时，一部分激光被第一镜面221反射，另一部分激光被第二镜面222反射，使得强度较大的入射激光被分割为两束激光，上述两束激光分别经由第二凹镜面32的第一镜面321和第二镜面322反射出来，且位于目标激光束的边缘位置，达到将呈高斯分布的激光束整形为中心处的光强较低的目标激光束的目的，通过新型激光光源200能够得到中心处光强低于边缘光强的激光束。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光光束整形器，其特征在于，包括透镜座、第一凹面镜及第二凹面镜，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜相对设置于所述透镜座内，所述第一凹面镜包括第一凹镜面，所述第二凹面镜包括第二凹镜面，所述第一凹镜面和所述第二凹镜面相对设置，所述透镜座开设有入光口和出光口，呈高斯分布的激光束由所述入光口入射到所述第一凹镜面，被反射到所述第二凹镜面，再被所述第二凹镜面反射后由所述出光口射出，得到目标激光束，所述目标激光束中心光强低于边缘光强。

2.根据权利要求1所述的激光光束整形器，其特征在于，所述第一凹镜面和所述第二凹镜面均包括第一镜面和第二镜面，所述第一镜面和第二镜面呈夹角设置，以在第一镜面和第二镜面的连接处形成凹角。

3.根据权利要求2所述的激光光束整形器，其特征在于，所述第一凹镜面的第一镜面和所述第二凹镜面的第二镜面平行设置，所述第一凹镜面的第二镜面和所述第二凹镜面的第一镜面平行设置。

4.根据权利要求2所述的激光光束整形器，其特征在于，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜均包括底镜面，所述底镜面与所述第一凹镜面/所述第二凹镜面相对设置，所述第一镜面与所述底镜面的夹角为10°～15°，所述第二镜面与所述底镜面的夹角为10°～15°。

5.根据权利要求4所述的激光光束整形器，其特征在于，所述第一镜面和所述第二镜面关于所述底镜面的垂直平分线对称设置。

6.根据权利要求4所述的激光光束整形器，其特征在于，所述底镜面为方形，尺寸为10mm×10mm、15mm×15mm或20mm×20mm。

7.根据权利要求1所述的激光光束整形器，其特征在于，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜的边缘厚度均为5～8mm。

8.根据权利要求1所述的激光光束整形器，其特征在于，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜还包括涂覆于所述凹镜面的反射膜。

9.根据权利要求8所述的激光光束整形器，其特征在于，所述反射膜包括适用于波长为355nm、532nm或1064nm的激光束的镀膜。

10.一种新型激光光源，应用于激光切割，其特征在于，包括激光器和如权利要求1-9任一项所述的激光光束整形器，所述激光器发射出的呈高斯分布的激光束，经所述激光光束整形器整形为目标激光束，所述目标激光束中心光强低于边缘光强。