CN209867670U - 一种实现光斑能量分布可切换的光学镜组及激光加工头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种实现光斑能量分布可切换的光学镜组及激光加工头。本实用新型无需改变激光光束作用到工作平面的距离，仅仅驱动切换镜组进行工作区域的切换，即可实现输出的激光在同样的工作面上完成高斯分布和平顶分布的切换，适用性进一步提高。该光学镜组包括准直镜组和会聚镜组，其改进之处是：还包括切换镜组以及驱动机构；切换镜组设置在准直镜组和会聚镜组之间的准直光束上；切换镜组包括镜片框体以及并排设置在镜片框体上通孔和衍射镜片；驱动机构驱动切换镜组进行切换，使得所述通孔位于准直光束上或所述衍射镜片位于准直光束上。

Description

一种实现光斑能量分布可切换的光学镜组及激光加工头

技术领域

本实用新型属于光学设计领域，具体涉及一种实现光斑能量分布可切换的光学镜组及激光加工头。

背景技术

传统激光加工头是激光加工系统的重要组成部分，其主要包括光学镜组和送粉装置。光学镜组的作用是主要完成将激光光束从高功率光纤激光器的光纤端面传输至工作平面上，主要包括准直镜组和会聚镜组，是激光加工头中的核心部分，是实现激光加工头能否工作的重要部件。

传统激光加工头光学镜组输出并作用于工作平面上的激光光斑一般为实心光斑，只有根据激光光束传播特点通/过改变激光光束作用在工作平面上的距离改变光斑尺寸大小，间接地来改变激光光斑的能量分布。激光光斑能量分布是非常重要的，尤其是在增材制造领域，激光能量的分布直径影响增材工艺效果，并且根据增材制造的灵活性和特殊性，激光能量分布的变化也要具有这样的特性。

在传统激光加工头中如果想实现激光能量分布的变化，只能上下移动激光光束位置，通过改变激光光束作用在工作平面上的激光光斑尺寸不同，间接地来改变激光光斑的能量分布状态。

一般情况下，对于大芯径的高功率多模激光器，当激光束的焦点作用在工作平面上时，如图1所示此时激光光斑能量分布呈现平顶分布，此时作用在工作平面上的光斑定义为焦点光斑：

而当激光束的焦点位于工作平面的上方或者下方，如图2所示，此时激光光斑能量分布呈现高斯分布形态，此时将作用在工作平面上的光斑定义为离焦光斑。

如果在实际应用中，想要实现激光能量从高斯分布到平顶分布的形态切换，就需要改变激光光束作用到工作平面的距离。

但是在一些特殊的使用场景，激光光束作用到工作平面的距离是无法改变的，因此现有方法无法实现激光能量高斯分布到平顶分布的切换。

实用新型内容

为了解决背景技术中的问题，本实用新型设计了一套实现光斑能量分布可切换的激光加工头镜组，无需改变激光光束作用到工作平面的距离，仅仅驱动切换镜组进行工作区域的切换，即可实现输出的激光在同样的工作面上完成高斯分布到平顶分布的切换，适用性进一步提高。

同时，本实用新型还提出了一种使用该光学镜组的激光加工头。

本实用新型的具体技术方案是：

本实用新型提供了一种实现光斑能量分布可切换的光学镜组，包括准直镜组和会聚镜组，其改进之处是：还包括切换镜组以及驱动机构；

切换镜组设置在准直镜组和会聚镜组之间的准直光束上；

切换镜组包括镜片框体，以及并排设置在镜片框体上通孔和衍射镜片；

驱动机构驱动切换镜组进行切换，使得所述通孔位于准直光束上或所述衍射镜片位于准直光束上。

进一步地，驱动机构采用步进电机或直线电机，通过步进电机的输出轴与切换镜组中镜片框体中心连接，可驱动切换镜组做旋转运动从而实现通孔和衍射镜片在准直光束上的切换；通过直线电机的输出轴与切换镜组中镜片框体一侧连接，可驱动切换镜组做直线运动从而实现通孔和衍射镜片在准直光束上的切换。

进一步地，所述通孔和衍射镜片均为圆形，且直径相同。

本实用新型还提供了一种激光加工头，其包括上述实现光斑能量分布可切换的光学镜组和送粉装置。

本实用新型的有益效果是：

通过在光学镜组的准直镜组和会聚镜组之间设置切换镜组，无需改变激光光束作用到工作平面的距离，仅仅通过驱动机构实现切换镜组做旋转运动或直线运动，进而影响最终作用在工作平面上的激光光斑能量分布状态，实现了光斑能量分布的高斯分布和平顶分布之间的切换。

附图说明

图1为平顶分布的激光光斑能量分布随X坐标变化示意图；

图2为高斯分布的激光光斑能量分布随X坐标变化示意图；

图3为驱动机构为步进电机时的结构原理图；

图4为驱动机构为直线电机时的结构原理图；

图5为切换镜组的结构示意图；

图6为本实用新型的工作状态原理示意图。

附图标记如下：

1-激光器、2-散射光束、3-准直镜组、4-准直光束、5-切换镜组、 51-通孔、52-衍射镜片、53-镜片框体、6-驱动机构、7-会聚镜组、8- 第一种光束、9-第二种光束、10-工作平面。

具体实施方式

基本设计原理

本实用新型通过改变传统激光加工头的光路结构，通过一驱动机构切换一切换镜组，实现通孔和衍射镜片的切换，实现了输出激光作用在同一工作位置时，激光光斑能量分布发生变化。

通孔指的是没有放置任何镜片，不会影响激光光束的空间传输，假设使用大芯径多模激光器，当作用在工作平面内的光斑为离焦光斑，其能量分布状态呈现高斯分布；

衍射镜片一种常用的光学整形镜片，通过镜片的衍射结构，可以改变激光光束的能量分布状态，当激光光束通过它时，可以将高斯分布状态调整为平顶分布状态。

以下给出通过附图和实施例对本实用新型做进一步的介绍：

如图3、图4和图5所示，一种实现光斑能量分布可切换的激光加工头镜组，包括准直镜组3、会聚镜组7、切换镜组5以及驱动机构6；

切换镜组5设置在准直镜组3和会聚镜组7之间的准直光束4上；

切换镜组5包括镜片框体53，以及并排设置在镜片框体53上通孔 51和衍射镜片52；驱动机构6驱动切换镜组5进行切换，使得所述通孔 51位于准直光束4上或所述衍射镜片52位于准直光束4上。其中，本例中通孔51和衍射镜片52均为圆形，且直径相同。

本实施例中，切换方式有两种，分别为：旋转切换和直线切换。

旋转切换

驱动机构6采用步进电机，通过步进电机的输出轴与切换镜组中镜片框体中心连接，可驱动切换镜组做旋转运动从而实现通孔和衍射镜片在准直光束上的切换；

直线切换

驱动机构6采用直线电机，通过直线电机的输出轴与切换镜组中镜片框体一侧连接，可驱动切换镜组做直线运动从而实现通孔和衍射镜片在准直光束上的切换。

衍射镜片的参数设定

其中，衍射镜片采用偶次非球面镜片结构，设定曲率半径和镜片厚度根据入射光参数进行设定；

高斯光束的能量分布可以用以下公式进行表述：

为简化公式，其中P为高斯分布光束的功率密度值，W为高斯光束束腰尺寸，R为高斯光束分布光束半径值设定：

则

平顶光束的能量分布可以用以下公式进行表述，其中H为平顶光束的功率密度值，S为平顶分布光束的半径值：

B＝HπS²

则为了使高斯分布光束变为平顶分布光束，其激光能量需要保持守恒：

A＝B

则:

令：

则：

上述公式提供了一种透镜设计的依据公式，可以给出任意高斯分布光束的半径值就可以求得对应的平顶分布光束半径值，该算法在光学优化软件中是进行光学设计和优化的重要算法。在光学软件中，将衍射镜片的厚度和曲率半径以及镜片位置设定为变量，将入射高斯分布光束直径设定为定制，设定好所需的平顶分布光束直径值，根据上述公式所表述的算法作为光学优化的依据，就可以得到所需的衍射镜片的厚度和曲率半径以及镜片位置。

使用过程

如图6所示，激光器1的输出激光以一定发散角输出，形成散射光束2；散射光束2通过准直镜组3，光束传播方向发生了偏转，形成准直光束4；

准直光束4将通过切换镜组5中的通孔51或衍射镜片52；(通过驱动机构6实现切换镜组5的切换，图6中为步进电机作为驱动机构)

当通孔51时，准直光束4传输并没有受到影响，通过会聚镜组7 后形成第一种光束8；

当通过衍射镜52时，准直光束4的传输受到光学传播影响，通过会聚镜组7后形成第二种光束9；

第一种光束8作用于工作平面10上时，形成的离焦光斑能量分布为高斯分布状态；

第二种光束9作用于工作平面10上时，形成离焦光斑能量分布为平顶状态。

Claims (5)

1.一种实现光斑能量分布可切换的光学镜组，包括准直镜组和会聚镜组，其特征在于：还包括切换镜组以及驱动机构；

切换镜组设置在准直镜组和会聚镜组之间的准直光束上；

切换镜组包括镜片框体以及并排设置在镜片框体上通孔和衍射镜片；

驱动机构驱动切换镜组进行切换，使得所述通孔位于准直光束上或所述衍射镜片位于准直光束上。

2.根据权利要求1所述的实现光斑能量分布可切换的光学镜组，其特征在于：驱动机构采用步进电机，步进电机驱动切换镜组做旋转运动。

3.根据权利要求1所述的实现光斑能量分布可切换的光学镜组，其特征在于：驱动机构采用直线电机，直线电机驱动切换镜组做直线运动。

4.根据权利要求2或3所述的实现光斑能量分布可切换的光学镜组，其特征在于：所述通孔和衍射镜片均为圆形，且直径相同。

5.一种激光加工头，包括光学镜组和送粉装置，其特征在于：所述光学镜组采用上述权利要求4所述的实现光斑能量分布可切换的光学镜组。