CN210243948U - 一种新型激光切割镜头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型激光切割镜头，包括沿光线入射方向依次设置的轴锥镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均为正透镜。本实用新型新型激光切割镜头，基于贝塞尔光束的传播原理，实现了小的聚焦光斑和较长的焦深的同时满足，可实现对玻璃、陶瓷、蓝宝石等脆性材料的精密切割，还可去材料表面的油墨、PVD等。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种新型激光切割镜头，属于切割镜头领域。
背景技术
激光切割和钻孔为利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气，这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。激光切割为非接触式切割，由于激光切割存在切割质量好、切割效率高、切割速度快、适应性好、后处理成本低等优势，激光切割和钻孔在工业生产加工中发挥越来越重要的作用。
随着社会的发展，对材料加工的精密度、高效性提出了更高的需求。而激光加工技术现存的一大难题：系统无法同时满足具有较小的聚焦光斑和较长的焦深。现有切割镜头聚焦光斑范围最好的效果在10μm左右，焦深在0.5mm左右。
实用新型内容
为了解决激光加工中，现有镜头无法同时具有小的聚焦光斑和较长的焦深的缺陷，本实用新型提供一种新型激光切割镜头。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
一种新型激光切割镜头，包括沿光线入射方向依次设置的轴锥镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均为正透镜。
本实用新型基于贝塞尔理论的新型激光加工镜头，解决了现有镜头无法同时具有小的聚焦光斑和较长的焦深的缺陷。本实用新型的新型激光切割镜头使用于YAG激光器或紫外355nm激光器，激光入射光斑直径要小于10mm，本实用新型可以实现焦深为1.5mm，激光聚焦光斑大小约为1μm，可以实现对玻璃、陶瓷等材料的精密切割。
为了满足高功率激光切割的要求，轴锥镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均采用熔融石英材料。
为了实现小聚焦光斑的精密切割，轴锥镜的顶角范围为170°～178°，且第一透镜和第二透镜的组合焦距范围为100mm～150mm之间，第三透镜、第四透镜和第五透镜的组合焦距范围为10mm～25mm之间。
为了实现小聚焦光斑的精密切割，进一步优选，锥镜的中心厚度为6±0.2mm；第一透镜的中心厚度为4±0.2mm；第二透镜的中心厚度为4±0.2mm；第三透镜的中心厚度为1.7±0.2mm；第四透镜的中心厚度为1.7±0.2mm；第五透镜的中心厚度为1.5±0.2mm。
为了满足高功率激光切割的要求，进一步优选，锥镜与第一透镜的中心间距为126.7±1mm，第一透镜与第二透镜的中心间距为56.1±1mm，第二透镜与第三透镜的中心间距为70.9±1mm，第三透镜与第四透镜的中心间距为9.8±0.5mm，第四透镜与第五透镜的中心间距为0.3±0.01mm。
为了进一步兼顾小的聚焦光斑和较长的焦深，优选，沿光线入射方向，第一透镜的两面依次为第一曲面和第二曲面；第二透镜的两面依次为第三曲面和第四曲面，第三透镜的两面依次为第五曲面和第六曲面，第四透镜的两面依次为第七曲面和第八曲面，第五透镜的两面依次为第九曲面和第十曲面；第一曲面的曲率半径为157.49±0.5mm，第二曲面的曲率半径为-157.49±0.5mm；第三曲面的曲率半径为72.518±0.5mm，第四曲面的曲率半径为无穷大；第五曲面的曲率半径为-122.58±0.5mm，第六曲面的曲率半径为-18.23±0.5mm；第七曲面的曲率半径为17.65±0.5mm，第八曲面的曲率半径为-1250±0.5mm；第九曲面的曲率半径为9.6±0.5mm，第十曲面的曲率半径为24.156±0.5mm。
为了保证切割精度，优选，轴锥镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均装设在镜筒内，镜筒采用的材料为铝，镜筒外形为长直筒，镜筒的中心偏小于1’。
进一步优选，镜筒包括沿轴向依次相接的第一镜筒、第二镜筒、连接筒和第三镜筒，轴锥镜位于第一镜筒内，第一透镜和第二透镜分别位于第二镜筒内两端的端部，第三透镜、第四透镜和第五透镜均位于第三镜筒内。
为了进一步提高镜头的精度和稳定性，轴锥镜通过第一压圈固定；第一透镜通过第二压圈固定；第二透镜通过第三压圈固定；第三镜筒内周设有第一内镜座和第二内镜座，第三透镜设在第一内镜座内，第四透镜和第五透镜设在第二内镜座内；第三透镜通过第四压圈固定，第一内镜座通过五压圈固定；第一内镜座和第二内镜座之间设有调节隔圈；第二内镜座通过尼龙头调节螺钉固定；第五透镜通过第六压圈固定；第四透镜和第五透镜之间设有隔圈。上述镜筒由四节筒分组装而成，且在结构中设计了可调节螺钉和调节隔圈，用于镜片的微调，提高镜头的精度。
为了减少损伤，第一压圈和轴锥镜之间设有弹性垫圈。
本实用新型未提及的技术均参照现有技术。
本实用新型新型激光切割镜头，基于贝塞尔光束的传播原理，实现了小的聚焦光斑和较长的焦深的同时满足，可实现对玻璃、陶瓷、蓝宝石等脆性材料的精密切割，还可去材料表面的油墨、PVD等。
附图说明
图1为本实用新型实施例中新型激光切割镜头的光路图；
图2为本实用新型实施例中新型激光切割镜头在工作波段1.5mm内的能量分布图；
图3为本实用新型实施例中新型激光切割镜头在1.5mm焦深处的能量分布图；
图4为本实用新型实施例中新型激光切割镜头的内部结构图；
其中，1为锥镜，2为第一透镜，3为第二透镜，4为第三透镜，5为第四透镜，6为第五透镜，7为第一压圈，8为弹性垫圈，9为第一镜筒，10为第二压圈，11为第二镜筒，12为第三压圈，13为连接筒，14为第四压圈，15为第五压圈，16为第一内镜座，17为调节隔圈，18为尼龙头调节螺钉，19为第三镜筒，20为第二内镜座，21为隔圈，22为第六压圈。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1所示：一种新型激光切割镜头，包括沿光线入射方向依次设置的锥镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，前述五片透镜均为正透镜，且锥镜和所有透镜都采用熔融石英材料制备。
锥镜的厚度为6mm，且锥镜的顶角为170°。沿光线入射方向，第一透镜的两面依次为第一曲面和第二曲面；第二透镜的两面依次为第三曲面和第四曲面，第三透镜的两面依次为第五曲面和第六曲面，第四透镜的两面依次为第七曲面和第八曲面，第五透镜的两面依次为第九曲面和第十曲面；第一曲面的曲率半径为157.49mm，第二曲面的曲率半径为-157.49mm，第一透镜的中心厚度为4mm。第三曲面的曲率半径为72.518mm，第四曲面的曲率半径为Infinity(无穷大)，第二透镜的中心厚度为4mm。第五曲面的曲率半径为-122.58mm，第六曲面的曲率半径为-18.23mm，第三透镜的中心厚度为1.7mm。第七曲面的曲率半径为17.65mm，第八曲面的曲率半径为-1250mm，第四透镜的中心厚度为1.7mm。第九曲面的曲率半径为9.6mm，第十曲面的曲率半径为24.156mm，第五透镜的中心厚度为1.5mm。
锥镜与第一透镜的中心间距为126.7mm，第一透镜与第二透镜的中心间距为56.1mm，第二透镜与第三透镜的中心间距为70.9mm，第三透镜与第四透镜的中心间距为9.8mm，第四透镜与第五透镜的中心间距为0.3mm。
第一透镜和第二透镜的组合焦距为101.4mm，第三透镜、第四透镜和第五透镜的组合焦距为15.6mm。
镜筒采用的材料为铝，镜筒外形为长直筒，镜筒的中心偏小于1’；如图4所示，镜筒包括沿轴向依次相接的第一镜筒、第二镜筒、连接筒和第三镜筒，轴锥镜位于第一镜筒内，第一透镜和第二透镜分别位于第二镜筒内两端的端部，第三透镜、第四透镜和第五透镜均位于第三镜筒内。轴锥镜通过第一压圈固定，第一压圈和轴锥镜之间设有弹性垫圈；第一透镜通过第二压圈固定；第二透镜通过第三压圈固定；第三镜筒内周设有第一内镜座和第二内镜座，第一内镜座和第二内镜座之间设有调节隔圈，第三透镜设在第一内镜座内，第四透镜和第五透镜设在第二内镜座内；第三透镜通过第四压圈固定，第一内镜座通过五压圈固定；第二内镜座通过尼龙头调节螺钉固定；第五透镜通过第六压圈固定；第四透镜和第五透镜之间设有隔圈。
YAG激光器出来的光经过扩束镜后的光斑直径为10mm，然后进入上述激光切割镜头，将厚度为1.5mm的玻璃放置在镜头的1.5mm焦深内，图2为光经过玻璃时的截面能量分布图，可以看出光经过玻璃材料时的能量随着距离逐渐降低，但在1.5mm的距离内能保持较高的能量；图3为0.5mm焦深处的能量分布图，可以看出此能量分布满足贝塞尔函数分布，且可以看出能量最集中的区域约为1μm左右，说明系统的聚焦光斑较小约为1μm左右。
Claims (10)
1.一种新型激光切割镜头，其特征在于：包括沿光线入射方向依次设置的轴锥镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均为正透镜。
2.如权利要求1所述的新型激光切割镜头，其特征在于：轴锥镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均采用熔融石英材料。
3.如权利要求1或2所述的新型激光切割镜头，其特征在于：轴锥镜的顶角范围为170°～178°，且第一透镜和第二透镜的组合焦距范围为100mm～150mm之间，第三透镜、第四透镜和第五透镜的组合焦距范围为10mm～25mm之间。
4.如权利要求1或2所述的新型激光切割镜头，其特征在于：锥镜的中心厚度为6±0.2mm；第一透镜的中心厚度为4±0.2mm；第二透镜的中心厚度为4±0.2mm；第三透镜的中心厚度为1.7±0.2mm；第四透镜的中心厚度为1.7±0.2mm；第五透镜的中心厚度为1.5±0.2mm。
5.如权利要求1或2所述的新型激光切割镜头，其特征在于：锥镜与第一透镜的中心间距为126.7±1mm，第一透镜与第二透镜的中心间距为56.1±1mm，第二透镜与第三透镜的中心间距为70.9±1mm，第三透镜与第四透镜的中心间距为9.8±0.5mm，第四透镜与第五透镜的中心间距为0.3±0.01mm。
6.如权利要求1或2所述的新型激光切割镜头，其特征在于：沿光线入射方向，第一透镜的两面依次为第一曲面和第二曲面；第二透镜的两面依次为第三曲面和第四曲面，第三透镜的两面依次为第五曲面和第六曲面，第四透镜的两面依次为第七曲面和第八曲面，第五透镜的两面依次为第九曲面和第十曲面；第一曲面的曲率半径为157.49±0.5mm，第二曲面的曲率半径为-157.49±0.5mm；第三曲面的曲率半径为72.518±0.5mm，第四曲面的曲率半径为无穷大；第五曲面的曲率半径为-122.58±0.5mm，第六曲面的曲率半径为-18.23±0.5mm；第七曲面的曲率半径为17.65±0.5mm，第八曲面的曲率半径为-1250±0.5mm；第九曲面的曲率半径为9.6±0.5mm，第十曲面的曲率半径为24.156±0.5mm。
7.如权利要求1或2所述的新型激光切割镜头，其特征在于：轴锥镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均装设在镜筒内，镜筒采用的材料为铝，镜筒外形为长直筒，镜筒的中心偏小于1’。
8.如权利要求7所述的新型激光切割镜头，其特征在于：镜筒包括沿轴向依次相接的第一镜筒、第二镜筒、连接筒和第三镜筒，轴锥镜位于第一镜筒内，第一透镜和第二透镜分别位于第二镜筒内两端的端部，第三透镜、第四透镜和第五透镜均位于第三镜筒内。
9.如权利要求8所述的新型激光切割镜头，其特征在于：轴锥镜通过第一压圈固定；第一透镜通过第二压圈固定；第二透镜通过第三压圈固定；第三镜筒内周设有第一内镜座和第二内镜座，第一内镜座和第二内镜座之间设有调节隔圈，第三透镜设在第一内镜座内，第四透镜和第五透镜设在第二内镜座内；第三透镜通过第四压圈固定，第一内镜座通过五压圈固定；第二内镜座通过尼龙头调节螺钉固定；第五透镜通过第六压圈固定；第四透镜和第五透镜之间设有隔圈。
10.如权利要求9所述的新型激光切割镜头，其特征在于：第一压圈和轴锥镜之间设有弹性垫圈。
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2019
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| CN110275282B (zh) * | 2019-07-12 | 2024-02-09 | 南京波长光电科技股份有限公司 | 一种新型激光切割镜头 |
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