CN213257671U - 形成点环光斑的光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学偏转元件及形成点环光斑的光学系统，包括光纤、锥台形光学偏转元件和光学成像系统；所述锥台形光学偏转元件及所述光学成像系统设置在光纤输出光路上，所述光学成像系统设置在锥台形光学偏转元件前侧和/或后侧；所述光纤发出的光经过锥台形光学偏转元件和所述光学成像系统组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑，本实用新型能实现各种光斑结构要求的光学系统，同时构成该系统的元件能够采用传统光学加工技术制造，降低了系统的制造难度，从而能够大大降低系统的制造成本。

Description

形成点环光斑的光学系统

技术领域

本实用新型属于激光加工领域，特别涉及光学偏转元件及形成点环光斑的光学系统。

背景技术

在高功率激光加工领域引入点环光斑，通过预热中心工作点周围的材料，可以实现抑制材料飞溅、预热缓冷、获得更好的加工效率、更好的加工质量等技术优势。目前市场上实现点环形光斑的技术途径主要有两种：coherent公司通过多层光纤同时在中心形成点光斑在边缘形成环状光斑；大族激光已公开的实用新型(CN 206952364U)通过使用包含光纤、准直透镜、圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜和环形光斑聚焦透镜的光学系统来获得点环光斑。其中：前者系统复杂性高，价格极其昂贵；后者所使用的圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜和环形光斑聚焦透镜等光学元件加工非常复杂，价格昂贵，中心点光斑的单片透镜汇聚系统通常像差较大。市场上现有技术均无法以低成本可靠的实现点环形光斑。

这两种技术方案在使用中主要存在以下问题：

一、在激光加工中，需要按照工艺要求对点环光斑的结构参数进行调整，参数包括中心光斑大小、环光斑直径、环光斑宽度及点环光斑能量分配，还需要能实现整体光斑变大变小，即系统变焦。在这些要求中，coherent公司方案不能改变光斑结构关系，但可以通过光学系统进行变焦，改变光斑大小。大族公司方案可以改变光斑结构，但系统结构无法提供变焦能力，不能进行光斑整体变大或变小。

二、coherent公司方案系统复杂性高，价格极其昂贵；大族公司方案中使用的圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜和环形光斑聚焦透镜等光学元件加工非常复杂，价格昂贵。特别是，圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜需要自由曲面加工设备制造。

市场上现有技术均无法满足激光加工对点环光斑的要求，也无法提供低成本可靠的实现点环形光斑的系统。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种能实现各种光斑结构要求的光学系统，同时构成该系统的元件能够采用传统光学加工技术制造，降低了系统的制造难度，从而能够大大降低系统的制造成本。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，光学偏转元件，包括相互平行的顶面和底面，顶面的周边为锥形面，所述底面用于接收光纤的输出光源。

进一步的，所述顶面或底面上设置有内凹的曲面。

进一步的，包括光纤、光学成像系统以及所述光学偏转元件，所述光学偏转元件设置在光纤输出光路上，所述光学成像系统设置在光学偏转元件前侧和/或后侧，所述光纤1发出的光经过光学偏转元件和所述光学成像系统组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑。

进一步的，还包括一复合透镜，所述复合透镜靠近所述锥台形光学偏转元件设置，所述复合透镜中心部分和四周部分的光焦度不同。

进一步的，所述复合透镜靠近所述光学偏转元件的顶面。

进一步的，所述复合透镜中心部分为光焦度为零的平面，四周为曲面；或者，所述复合透镜4的中心部分为曲面、四周为光焦度为零的平面。

进一步的，所述复合透镜两个面的中心部分为平面、四周部分为凸面或者平面。

进一步的，所述复合透镜两个面中，至少有一个面的中心部分为凹面，四周部分为平面。

一种形成点环光斑结构的光学系统，包括光纤、光学成像系统以及权利要求所述的光学偏转元件，所述光学偏转元件设置在光纤输出光路上，所述光学成像系统设置在光学偏转元件前侧和/或后侧，所述光纤发出的光经过光学偏转元件和所述光学成像系统组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑。

所述锥台形光学偏转透镜复合元件设置在光纤输出光路上，所述光学成像系统设置在锥台形光学偏转透镜复合元件前侧和/或后侧，所述光纤发出的光经过锥台形光学偏转透镜复合元件和所述光学成像系统组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑。

进一步的，所述锥台形光学偏转透镜复合元件由两部分组成，中心部分的一个面为平面，另一个面为凹球面，使透过它的光的发散，四周部分为锥面，使透过它的光向锥台形光学偏转透镜复合元件的中心方向偏转。

本实用新型通过合理的系统设计，创造性的使用锥台形光学偏转元件将光纤输出的光分成类似于来自一个点环光源同时发出的光，这两束光进而通过后续的光学成像系统在后面的某个面上形成实的点环光斑结构，用于激光加工。为了使该光斑结构的参数更容易变化以满足更广泛的工艺需求，在锥台形光学偏转元件后又加入了复合透镜。更进一步，我们又创造性的使用锥台形光学偏转透镜复合元件取代了锥台形光学偏转元件和复合透镜，使系统更简单，同时，由于工作面减少了两个，带来能量损耗的减低和系统中产生热危害的杂光的降低。与现有技术相比，本实用新型带来的最大效果是可以实现满足各种工艺要求的光斑结构，这由现有技术是做不到的！COHERNT公司的方案提供的点环光斑结构由光纤的结构决定，后续系统无法更改，大族公司的方案可以按工艺要求设计光斑结构，但无法实现光斑的放大或所需，因所提供的中心单透镜光学结构无实现光学变焦的能力。

另外本实用新型带来的另外一个效果是：所使用的零部件易于加工。比如锥台形光学偏转元件的加工，可以先用传统工艺做出一个锥面，然后用传统工艺锥面的中心部分磨成平面即可，而大族公司的中心平四周锥面的方案无法用传统设备加工。同样，本实用新型采用的中心凹球面的复合透镜元件，也可以先用传统工艺制造一个平凹透镜，然后将四周的瓦面磨掉就制成了，而背景技术中大族公司的中心凸球面透镜，传统制造工艺无法实现。由于光学元件加工简单，成本低，进而大大降低了系统的生产成本。

本实用新型产生的点环光斑，在激光焊接加工过程中，中心圆点形光斑对金属等工作物质加热熔化烧结，环形光斑的前半部分对金属进行预热和清洁，后半部分可以对焊接区域光滑和缓冷。在激光切割加工中，环状光斑提供预热，抑制高反材料的表面反射，保护激光器，提高加工效率。在激光熔覆过程中，中心光斑对熔覆物质和基体进行烧结，环状光斑提供预热和缓冷，提高熔覆质量。

附图说明

图1A为本实用新型提出的形成点环光斑的光学系统的一种结构示意图，其中，锥台形光学偏转元件位于光纤和光学系统之间。

图1B为本实用新型提出的形成点环光斑的光学系统的第二种结构示意图，其中，锥台形光学偏转元件位于光学系统之后。

图1C为本实用新型提出的形成点环光斑的光学系统的第三种结构示意图，其中，锥台形光学偏转元件位于光学系统的两光学子系统之间。

图2A为本实用新型提出的形成点环光斑的光学系统中锥台形光学偏转元件结构示意图。

图2B为本实用新型提出的形成点环光斑的光学系统中锥台形光学偏转元件与复合透镜的位置示意图。

图3A为本实用新型提出的形成点环光斑的光学系统中提出的复合透镜的某一种结构示意图。

图3B为本实用新型提出的形成点环光斑的光学系统中提出的复合透镜的另一种结构示意图。

图4为本实用新型实施例1的光路示意图。

图5为本实用新型实施例2的光路示意图。

图6为本实用新型的第三种结构的一种示意图，其中，锥台形光学偏转透镜复合元件光学成像系统前。

图7A、图7B分别给出两种具体的锥台光学偏转透镜复合元件的结构示意图。

图8为本实用新型实施例3的结构示意图，

其中：1为光纤；2为锥台形光学偏转元件；3为光学成像系统，31为第一光学成像子系统，32为第二光学成像子系统，3LC为准直透镜、3LF为聚焦透镜，3LF1为第一聚焦子透镜、3LF2为第二聚焦子透镜；4为复合透镜；5表示锥台形光学偏转透镜复合元件，51为复合元件顶面、52为复合元件底面，53为复合元件锥形面，54为复合元件凹球面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型提出的形成点环光斑的光学系统进行详细说明。

本实用新型的锥台形光学偏转元件2如图2A所示，包括相互平行的顶面21和底面22，顶面21的周边为锥形面，所述锥台形光学偏转元件2的底面朝向光纤1的光源输出；如2A所示，所述锥台形光学偏转元件2由两部分组成，中心部分前后端面平行，因此通过中心部分的光线不改变传播方向，四周部分为锥面，使透过它的光向锥台形光学偏转元件2的中心方向偏转，锥台形光学偏转元件2的锥角小于3°。

如图1A至图1C所示，本实用新型提出的形成点环形光斑的光学系统包括光纤1、锥台形光学偏转元件2、光学成像系统3。在图1A中，锥台形光学偏转元件2位于光纤1与光学成像系统3之间。在图1B中，锥台形光学偏转元件2位于光纤与光学成像系统3之后。在图1C中，锥台形光学偏转元件2位于第一光学成像系统子系统31与第二光学成像系统子系统32之间，光纤1发出的光经过锥台形光学偏转元件2和所述光学成像系统3组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑。

在上述形成点环形光斑的光学系统中，锥台形光学偏转元件2优选设置方法是底面22朝向光源。

以图1A所示结构对该系统的工作原理进行说明。由光纤1端面输出的光通过锥台形光学偏转元件2的底面22后，中心部分的光直接通过锥台形光学偏转元件2的顶面21，四周部分的光被锥台形光学偏转元件2的锥面向中心方向偏转。从成像的观点看，锥台形光学偏转元件 2将光纤端面在光纤端面上成了一个同等大小的虚像，同时还在光纤端面四周形成一个圆环状的虚像。该圆环虚像的环宽与光纤芯径相同，圆环半径等于锥台形光学偏转元件2产生的偏转角与锥台形光学偏转元件2到光纤距离的乘积。锥台形光学偏转元件2产生的偏转角等于元件的锥面与底面的夹角与元件折射率减1后的值的乘积。锥台形光学偏转元件2产生的虚像经光学成像系统后，在像面上形成一个由光学成像系统放大率决定的点环结构光斑。该光斑中点光斑和环光斑的相对能量分布，由锥台形光学偏转元件2顶面与底面入射光斑大小的比例及入射光斑的能量分布决定。

在图1A、图1B和图1C所展示的光学系统中，由于锥台形光学偏转元件2分光之后，两部分光通过完全相同的光学系统，这时，中心光斑的尺寸与环光斑的宽度相同，环光斑的直径主要由锥台形光学偏转元件2的偏转角控制。并且，在该系统中，通过将光学成像系统3设计成变焦光学系统，可以实现光斑的整体大小变化。

在本实用新型的另一实施例中，基于同一实用新型构思还提出了一种改进结构，能够改变点光斑直径与环形光斑宽度之间的比例关系，进一步的拓展了本实用新型的点环结构光斑的应用范围和使用场景，具体方案如图2B，在锥台形光学偏转元件2旁边增加一个复合透镜4，复合透镜4中心部分和四周部分的焦距不同；当然，作为优选实施例的，复合透镜4设置在锥台形光学偏转元件2之后，即所述复合透镜4靠近所述锥台形光学偏转元件2的顶面21设置，采用此结构设置能够避免复合透镜4放在锥台形光学偏转元件2之前产生的杂光。

作为优选实施例，一个易于加工的复合透镜的中心部分是平行平板，四周部分为曲面，或者中心部分是曲面四周部分是平面。

在某一实施例中，复合透镜4采用图3A所示的结构，它的一个面是平面，另一面的中心是凹球面；在另一实施例中，复合透镜4采用图3B所示的结构，复合透镜4的一个面是平面，另一面的边缘是凸球面。这两个元件是最容易加工的复合透镜元件。

在上述形成点环形光斑的光学系统中，锥台形光学偏转元件2优选设置方法是底面朝向光源。

还以图1A所示结构对该系统的工作原理进行说明，这时在锥台形光学偏转元件2后紧邻处设置了一个复合透镜4。由光纤1端面输出的光通过锥台形光学偏转元件2的底面后，中心部分的光直接通过锥台形光学偏转元件2的顶面，四周部分的光被锥台形光学偏转元件2的锥面向中心方向偏转。从成像的观点看，锥台形光学偏转元件2将光纤端面在光纤端面上成了一个同等大小的虚像，同时还在光纤端面四周形成一个圆环状的虚像。该圆环虚像的环宽与光纤芯径相同，圆环半径等于锥台形光学偏转元件2产生的偏转角与锥台形光学偏转元件2到光纤距离的乘积。锥台形光学偏转元件2产生的偏转角等于元件的锥面与底面的夹角与元件折射率减1后的值的乘积。由于复合透镜4的引入，且该复合透镜4中心部分的光焦度与四周部分的光焦度不同，它与光学成像系统3就综合形成了面对不同区域的不同光焦度的两个系统。这时，锥台形光学偏转元件2形成的点光斑通过中心区域对应的光学系统成像，而环状光斑通过四周区域对应的光学系统成像。两个像面位于不同位置，工作面可根据实际要求设置在满足光斑要求的位置上。

在上述形成点环结构光斑的光学系统中，由于经锥台形光学偏转元件分光之后，两部分光分别通过两个独立的光学系统，因此，由该系统产生的点环结构光斑的中心光斑大小、环宽度及环直径等参数都可以根据工艺要求灵活设计。该系统中的光学成像系统3可以采用变焦结构设计，实现点环光斑整体的大小变化。因此，基于该技术方案，可以设计出满足各种激光加工工艺要求的光学加工系统。

本实用新型还提出了同一实用新型构思下的另一种方案。

本实用新型提供的另一种形成点环形光斑的光学系统，其包括光纤、锥台形光学偏转透镜复合元件5和光学成像透镜系统3组成；锥台形光学偏转透镜复合元件5可以位于所述光学成像透镜系统3的某一侧，也可以位于组成所述光学成像系统3的两个子系统31和32之间。锥台形光学偏转透镜复合元件由两部分组成，中心部分的一个面为平面，另一个面为凹球面，使透过它的光的发散，四周部分为锥面，使透过它的光向锥台形光学偏转透镜复合元件的中心方向偏转；所述光纤发出的光经过锥台形光学偏转透镜复合元件和所述光学成像系统组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑。

锥台形光学偏转透镜复合元件5包括的顶面51、底面52、锥形面53和凹球面54，图7A 和图7B给出了两种具体结构，其中，优选的是图7A所示结构，在图7A中，顶面51和底面52相对设置，凹球面54设置在顶面51上，在图7A中整个顶面51均为凹球面54，在锥形面 53环绕顶面51。在图7B中，顶面51和底面52相对设置，凹球面54设置在底面52上，且设置在底面52的中心位置，在锥形面53的锥面环绕顶面51形成。

图6给出了锥台形光学偏转透镜复合元件5位于光学成像透镜系统3之前的结构示意图，我们以该结构对其工作原理进行说明。由光纤1端面输出的光通过锥台形光学偏转透镜复合元件5的底面51后，中心部分的光通过锥台形光学偏转透镜复合元件5上的凹球面52后发散，四周部分的光被锥台形光学偏转透镜复合元件5的锥面53向中心方向偏转，偏转角度与锥面与底部平面的角度相关。从成像的观点看，锥台形光学偏转透镜复合元件5将光纤端面在光纤端面前方成了一个虚像，同时还在光纤端面四周形成一个圆环状的虚像。该圆环虚像的环宽与光纤芯径相同，圆环半径等于锥台形光学偏转透镜复合元件5产生的偏转角与锥台形光学偏转透镜复合元件5顶部到光纤距离的乘积。锥台形光学偏转复合元件5产生的偏转角等于元件的锥面与底面的夹角与元件折射率减1后的值的乘积。锥台形光学偏转透镜复合元件5产生的虚像经光学成像系统后，在像面上形成一个由光学成像系统3放大率决定的点环结构光斑。该光斑中点光斑和环光斑的相对能量分布，由锥台形光学偏转透镜复合元件5顶面与底面入射光斑大小的比例及入射光斑的能量分布决定。

在上述形成点环结构光斑的光学系统中，点光源发出的光的不同部分分别通过两个独立的光学系统，因此，由该系统产生的点环结构光斑的中心光斑大小、环宽度及环直径等参数都可以根据工艺要求灵活设计。在本实用新型的其他实施例中，通过将该系统中的光学成像系统3 采用变焦结构设计，可以实现点环光斑整体的大小变化。因此，基于该技术方案，可以设计出满足各种激光加工工艺要求的光学加工系统；本实用新型的点环型光斑的光学系统具有非常多的应用场景，有非常好的推广使用价值。

实施例1，在本实用新型的某一个具体使用场景下，要求形成一个点环状光斑的结构：中心光斑大小50微米，环状光斑直径150微米，环形光斑宽度50微米，点光斑能量60％，环光斑能量40％。输入光纤芯径25微米，数值孔径0.06。本实施例按照图4所示结构设计了一个点环光斑光学系统，其中：准直透镜3LC的焦距为100毫米；聚焦透镜3LF的焦距为100毫米；锥台形光学偏转元件2由折射率1.46的石英玻璃制成，高度为2毫米，底部直径为15毫米，有效通光孔径为12毫米，根据光束高斯分布特点，锥台形光学偏转元件2的顶部平面部分直径6毫米，四周锥面与顶部平面的夹角为0.093度。通过这种光学系统，我们就可以在聚焦透镜的后焦面上得到所需光斑。

实施例2，在本实用新型的另一个具体使用场景下，要求形成一个点环状光斑的结构是：中心光斑大小100微米，环状光斑直径250微米，环形光斑宽度50微米，点光斑能量60％，环光斑能量40％。输入光纤芯径25微米，数值孔径0.06。本实施例按照图5所示结构设计了一个点环光斑光学系统，其中：准直透镜3LC焦距为50毫米；聚焦透镜3LF焦距为100毫米；复合透镜为一面为平面，有效通光孔径6.2毫米，另一面中心为直径3毫米的凹球面，四周为平行平板，中心部分焦距为-6101.6mm；锥台形光学偏转元件2由折射率1.46的石英玻璃制成，高度两毫米，底部8毫米，有效通光孔径6毫米，根据光束高斯分布特点，顶部平面部分直径 3毫米，四周锥面顶部平面的夹角为0.1557度。通过这种光学系统采用上述参数设计，可以在聚焦透镜的后焦面上得到所需光斑。其中环状光斑直接成像在该面上，中心光束的焦点在该面的后方，中心光束在该面上的投影形成中心光斑。

实施例3，在本实用新型的另一个具体使用场景下，要求形成一个点环状光斑的结构是：中心光斑大小由100变到300微米，相应的，环状光斑直径由200变到600微米，环形光斑宽度50微米变到150微米，点光斑能量60％，环光斑能量40％。输入光纤芯径25微米，数值孔径0.06。本实施例按照图8所示光路设计了一个点环光斑光学系统，其中：准直透镜3LC焦距为50毫米；聚焦透镜3LF采用两片透镜实现变焦设计，使焦距在100毫米到300毫米间变化，其中，第一片透镜3LF1的焦距为541.6毫米，第二片透镜3LF2的焦距为117.87毫米，通过调整两片透镜的距离实现变焦；锥台形偏转透镜复合元件5面向光源一面为平面，另一面中心为一凹球面，其焦距为负1073.6mm，锥台形光学偏转透镜复合元件5由折射率1.46的石英玻璃制成，高度两毫米，底部8毫米，有效通光孔径6毫米，根据光束高斯分布特点，顶部平面部分直径3毫米，四周锥面顶部平面的夹角为0.3278度，底面到光源距离为17.62毫米。利用这种光学系统，就可以在聚焦透镜的后焦面上得到所需光斑。其中环状光斑直接成像在该面上，中心光束的焦点在该面的后方，中心光束在该面上的投影形成中心光斑。

本实用新型提供的技术方案，克服了现有技术方案不能全面满足激光加工工艺对点环状结构光斑的结构要求的技术缺憾，能够产生满足激光加工工艺要求的各种结构光斑。利用该方案设计的光学系统中的元件可以采用常规光学加工技术加工，在满足工艺要求的同时，降低了设备成本。

Claims (8)

1.形成点环光斑的光学系统，其特征在于，包括光纤(1)、光学成像系统(3)以及光学偏转元件，所述光学偏转元件包括相互平行的顶面和底面，顶面的周边为锥形面，所述底面用于接收光纤(1)的输出光源；光学偏转元件为锥台形光学偏转元件(2)；

所述光学偏转元件设置在光纤(1)输出光路上，所述光学成像系统(3)设置在光学偏转元件前侧和/或后侧，所述光纤(1)发出的光经过光学偏转元件和所述光学成像系统(3)组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑。

2.根据权利要求1所述的形成点环光斑的光学系统，其特征是：还包括一复合透镜(4)，所述复合透镜(4)靠近所述光学偏转元件设置，所述复合透镜(4)中心部分和四周部分的光焦度不同。

3.根据权利要求2所述的形成点环光斑的光学系统，其特征是：所述复合透镜(4)靠近所述光学偏转元件的顶面。

4.根据权利要求2所述的形成点环光斑的光学系统，其特征是：所述复合透镜(4)中心部分为光焦度为零的平面，四周为曲面；或者，所述复合透镜(4)的中心部分为曲面、四周为光焦度为零的平面。

5.根据权利要求2所述的形成点环光斑的光学系统，其特征是：所述复合透镜(4)两个面的中心部分为平面、四周部分为凸面或者平面。

6.根据权利要求2所述的形成点环光斑的光学系统，其特征是：所述复合透镜(4)两个面中，至少有一个面的中心部分为凹面，四周部分为平面。

7.形成点环光斑的光学系统，其特征是：包括光纤(1)、光学成像系统(3)以及光学偏转元件，所述光学偏转元件为包括相互平行的顶面和底面，顶面的周边为锥形面，所述底面用于接收光纤(1)的输出光源；所述顶面或底面上设置有内凹的曲面；所述光学偏转元件为锥台形光学偏转透镜复合元件(5)；

所述光学偏转元件设置在光纤(1)输出光路上，所述光学成像系统(3)设置在光学偏转元件前侧和/或后侧，所述光纤(1)发出的光经过光学偏转元件和所述光学成像系统(3)组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑。

8.根据权利要求7所述的形成点环光斑的光学系统，其特征是：所述锥台形光学偏转透镜复合元件(5)由两部分组成，中心部分的一个面为平面，另一个面为凹球面，使透过它的光的发散，四周部分为锥面，使透过它的光向锥台形光学偏转透镜复合元件的中心方向偏转。

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