CN213517766U - 一种光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光学系统，该光学系统包括ZOOM光学系统以及与所述ZOOM光学系统中心轴同轴的微透镜组；本实用新型结构设计新颖，基于微透镜与聚焦镜配合实现环形光斑及长焦深特性，基于ZOOM光学系统实现聚焦光斑大小、光束发散角以及焦点位置补偿特性，通过沿光束传输轴小角度旋转其中一片微透镜的方式，结合ZOOM光学系统配合调节，实现了聚焦光束发散角、焦点实心光斑大小、实心光斑到环形光斑、环形光斑中径与粗细连续可调，可大幅提高板材切割速度、断面质量、切割厚度以及断面垂直度，适用于千瓦、万瓦级高功率光纤激光器的激光切割应用，尤其适用于50um及以上光纤芯径的连续光纤激光器中、厚板切割应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学技术领域，具体为一种光学系统。
背景技术
光纤激光器因为电光转换效率高、光纤柔韧性好、耦合效率高、光束质量好等优势，以及大功率激光器的出现，使得市场占有率日益突出，目前光纤耦合输出激光器千瓦级已是相当普及，万瓦级激光器也逐步上映市场，让光纤激光各类加工工艺越加普遍化。
光纤激光器激光切割应用，覆盖了不锈钢、碳钢、铝材、铜材等各类金属加工市场，随着激光功率的增加，不同材料的板材切割厚度越厚。
众所周知，常规消像差光学配置虽然能够实现聚焦光束衍射极限效果，使得光束质量达到最佳，但对应下的聚焦光束离焦段，能量分布趋近于高斯分布，对于厚板切割而言，一者不利于板材割缝成型，也就限制了切割气体或辅助气体的进气量，为满足切割效果，需高度优化气路；一者中心能量过剩，边缘能量不够集中，散光大，不利于光束能量利用，也不利于板材断面成型质量。
为切割更厚板材，通常引入ZOOM光学方案来实现。常规的ZOOM光学方案可获得聚焦光斑直径、光束发散角、焦点位置等的调节，较大程度上改善厚板切割割缝而提高切割板材厚度，改善光束发散角而提高厚板切割断面垂直度，但就其本身而言，离焦光束段能量分布依旧与常规定倍配置相近，这就意味着未能将光束中心能量利用最大化，切割速度上并不能显著提升，同时更厚板穿透力上不足。
环形聚焦光束的引入，将光斑能量去中心化，相同离焦量下可用于中、厚板材激光切割的光斑直径增大，同时大幅加强边缘能量分布强度，可改善激光切割板材割缝成型，有利于切割气体或辅助气体进气量的提升，从而在提高切割厚度及速度的同时，也提高切割断面质量。
目前，实现环形聚焦光束段的方法较多，比如单片轴锥透镜、HighYAG自由曲面透镜组、Precitec微透镜组或微透镜等。单片轴锥透镜无法实现环形光斑可调，不利于不同厚度板材的工艺优化；HighYAG自由曲面透镜组需要双片自由曲面镜组配合可调，额外还需准直镜或聚焦镜移动配合补偿焦点位置，增加了机械设计及控制难度，且镜面加工难度非常大；Precitec微透镜组可以实现从实心光斑到固定直径环形光斑能量比调节，同样存在直径不可调问题，而单片微透镜方案虽然减少镜片数量，降低成本，但直径不可调、焦点光斑环形化，无法进行穿孔，故切割过程中需要不断切换镜片，且不利于不同材料、不同厚度板材工艺最优化。
基于上述各点，本实用新型提出一种基于微透镜组可调环形光斑ZOOM方案，基于微透镜与聚焦镜配合实现环形光斑及长焦深特性，基于ZOOM光学系统实现聚焦光斑大小、光束发散角以及焦点位置补偿特性，通过沿光束传输轴小角度旋转其中一片微透镜的方式，结合ZOOM光学系统配合调节，实现了聚焦光束发散角、焦点实心光斑大小、实心光斑到环形光斑、环形光斑中径与粗细连续可调，可大幅提高板材切割速度、断面质量、切割厚度以及断面垂直度，适用于千瓦、万瓦级高功率光纤激光器的激光切割应用，尤其适用于50um及以上光纤芯径的连续光纤激光器中、厚板切割应用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种光学系统，该光学系统包括ZOOM光学系统以及与所述ZOOM光学系统中心轴同轴的微透镜组。
基于微透镜组可调环形光斑ZOOM方案，包括非球面准直镜、平凹型微透镜、平凸型微透镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜。
优选的，所述非球面准直镜、平凹型微透镜、平凸型微透镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜均为熔融石英材料；
所述非球面准直镜、平凹型微透镜、平凸型微透镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜中心轴同轴；
所述非球面准直镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜构成ZOOM光学系统；
所述平凹型微透镜、平凸型微透镜构成微透镜组；
所述平凹型微透镜、平凸型微透镜介于非球面准直镜、非球面聚焦镜之间；
所述平凹型微透镜、平凸型微透镜基于轴锥分光与角向分光组合，为中心轴对称的角向阵列微透镜；
所述平凹型微透镜、平凸型微透镜具有相同的角向分光单元，数量满足10～100，所有角向分光单元分光角度相同，分光顶点交合为一点；
所述平凹型微透镜单个角向分光单元分光面面型包括平面或凸面，平凸型微透镜单个角向分光单元分光面面型包括平面或凹面；
所述双凹非球面镜、双凸非球面镜均只有一个镜面为非球面，另一个镜面为球面。
优选的，所述平凹型微透镜、平凸型微透镜有且仅有一片镜片沿光束传输轴小角度旋转，所述非球面聚焦镜、双凹非球面镜、双凸非球面镜与之配合移动改变聚焦光斑大小、光束发散角及补偿焦点位置。
优选的，所述平凹型微透镜或所述平凸型微透镜可沿所述中心轴转动，所述双凹非球面镜和所述非球面聚焦镜可在所述平凸型微透镜与所述双凸非球面镜之间移动。
优选的，所述方案在聚焦光束段实现光束发散角、焦点实心光斑大小、实心光斑到环形光斑、环形光斑中径与粗细连续可调。
优选的，所述方案的聚焦焦点最大环形光斑中径随ZOOM放大倍数增大而增大。
本实用新型的有益效果是：
(1)本实用新型结构设计新颖，基于微透镜与聚焦镜配合实现环形光斑及长焦深特性，基于ZOOM光学系统实现聚焦光斑大小、光束发散角以及焦点位置补偿特性，通过沿光束传输轴小角度旋转其中一片微透镜的方式，结合ZOOM光学系统配合调节，实现了聚焦光束发散角、焦点实心光斑大小、实心光斑到环形光斑、环形光斑中径与粗细连续可调，可大幅提高板材切割速度、断面质量、切割厚度以及断面垂直度，适用于千瓦、万瓦级高功率光纤激光器的激光切割应用，尤其适用于50um及以上光纤芯径的连续光纤激光器中、厚板切割应用；
(2)本实用新型的两片微透镜为中心轴对称角向阵列镜片，可按照常规阵列透镜方法加工，有利于确保镜片加工成型，成本可控；仅需其中一片微透镜沿光束传输轴小角度旋转，机械设计及控制难度可控；
(3)本实用新型的两片微透镜引入到ZOOM光学系统中，可大幅降低非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜承受功率密度，从而降低该三种光学镜片加工及镀膜难度；另外，微透镜组在实现环形光斑时可大幅提升焦深，意味着ZOOM光学系统放大倍数不必过大，进一步降低以上三种镜片加工及镀膜难度，有助于提高光学系统高功率稳定性；
(4)本实用新型提出的光学系统，可保证聚焦焦点为实心光斑，确保激光切割过程中的穿孔正常进行；环形光斑直径连续可调，有利于不同厚度板材的工艺优化；聚焦光束段焦点前后同等离焦量下光斑环内直径基本一致，大幅提升聚焦光束段焦深；
(5)本实用新型提出的光学系统，引入环形聚焦光束，将光斑能量去中心化，相同离焦量下可用于中、厚板材激光切割的光斑直径增大，同时大幅加强边缘能量分布强度，可改善激光切割板材割缝成型，有利于切割气体或辅助气体进气量的提升；
(6)本实用新型提出的光学系统，引入ZOOM光学系统，可保证聚焦光束段发散角、光斑大小、焦点位置等连续可调，大幅兼容不同材料不同厚度板材切割应用，再结合环形整形方案的引入，提升板材切割速度与厚度、断面质量与垂直度；
(7)本方案提出的光学系统，聚焦焦点最大环形光斑中径随ZOOM放大倍数增大而增大，有利于最大限度提高光学系统在激光切割中的板材厚度并保证切割质量。
附图说明
图1为本实用新型光学系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中微透镜组的结构示意图；其中图2a为微透镜组的正视图；图2b为微透镜组的截面图；图2c为微透镜组的立体图。
图3为本实用新型实施例较小ZOOM放大倍数下焦点及离焦光斑能量分布变化情况图；
图4为本实用新型实施例中等ZOOM放大倍数下焦点及离焦光斑能量分布变化情况图；
图5为本实用新型实施例较大ZOOM放大倍数下焦点及离焦光斑能量分布变化情况图。
附图标记：1.非球面准直镜、2.平凹型微透镜、3.平凸型微透镜、4.非球面聚焦镜、5.双凹非球面镜、6.双凸非球面镜。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
实施例一：
如图1、2所示，本实用新型提供一种技术方案：一种光学系统，该光学系统包括ZOOM光学系统以及与所述ZOOM光学系统中心轴同轴的微透镜组。基于微透镜组可调环形光斑ZOOM方案，包括非球面准直镜1、平凹型微透镜2、平凸型微透镜3、非球面聚焦镜4、双凹非球面镜5以及双凸非球面镜6。
本系统中，所述非球面准直镜1、平凹型微透镜2、平凸型微透镜3、非球面聚焦镜4、双凹非球面镜5以及双凸非球面镜6均为熔融石英材料；
所述非球面准直镜1、平凹型微透镜2、平凸型微透镜3、非球面聚焦镜4、双凹非球面镜5以及双凸非球面镜6中心轴同轴；
所述非球面准直镜1、非球面聚焦镜4、双凹非球面镜5以及双凸非球面镜6构成ZOOM光学系统；
所述平凹型微透镜2、平凸型微透镜3构成环形可调镜组；
所述平凹型微透镜2、平凸型微透镜3介于非球面准直镜1、非球面聚焦镜4之间；
所述平凹型微透镜2、平凸型微透镜3基于轴锥分光与角向分光组合，为中心轴对称的角向阵列微透镜；
所述平凹型微透镜2、平凸型微透镜3具有相同的角向分光单元，数量满足10～100，所有角向分光单元分光角度相同，分光顶点交合为一点；
所述平凹型微透镜2单个角向分光单元分光面面型包括平面或凸面，平凸型微透镜3单个角向分光单元分光面面型包括平面或凹面；
所述双凹非球面镜5、双凸非球面镜6均只有一个镜面为非球面，另一个镜面为球面。
本方案中，所述平凹型微透镜2、平凸型微透镜3有且仅有一片镜片沿光束传输轴小角度旋转，所述双凹非球面镜5、双凸非球面镜6与之配合移动改变聚焦光斑大小、光束发散角及补偿焦点位置。
所述平凹型微透镜2或所述平凸型微透镜3可沿所述中心轴转动，所述双凹非球面镜5和所述非球面聚焦镜4可在所述平凸型微透镜3与所述双凸非球面镜6之间移动。
本方案中，在聚焦光束段实现光束发散角、焦点实心光斑大小、实心光斑到环形光斑、环形光斑中径与粗细连续可调。
本方案中，聚焦焦点最大环形光斑中径随ZOOM放大倍数增大而增大。
工作原理：光纤激光器出射发散光，入射到非球面准直镜1以获得平行准直光束，准直光束逐一经过平凹型微透镜2、平凸型微透镜3进行光束整形，再由非球面聚焦镜4聚焦形成汇聚光束，汇聚光束通过双凹非球面镜5形成发散光束，最后由双凸非球面镜6聚焦。
为获得可调的环形光斑，平凹型微透镜2、平凸型微透镜3有且仅有1片镜片沿光束传输轴小角度旋转。以平凸型微透镜3沿光束传输轴旋转为例，平凹型微透镜2固定，双凹非球面镜5、双凸非球面镜6与之配合移动改变聚焦光斑大小、光束发散角及补偿焦点位置。
当平凹型微透镜2、平凸型微透镜3每个角向分光单元一一对应时，聚焦焦点为实心光斑，不受ZOOM放大倍数影响，如图3、4、5第一横排光斑能量分布所示，从左到右为焦点前离焦、焦点、焦点后离焦光斑，此时可用于普通切割以及中、厚板穿孔。
在平凹型微透镜2沿光束传输轴小角度旋转过程中，平凹型微透镜2、平凸型微透镜3每个角向分光单元一一错位并增大错位面积，聚焦焦点从实心光斑变为环形光斑，并实现环形光斑直径连续调节。
假设平凹型微透镜2、平凸型微透镜3每个角向分光单元一一错位角为a°、b°、c°，其中a<b<c。
在此基础上，调节双凹非球面镜5、双凸非球面镜6位置获得较小ZOOM放大倍数，获得的聚焦光束段光斑能量分布参考图3第二到第四横排，从左到右为焦点前离焦、焦点、焦点后离焦光斑。
同样的，调节双凹非球面镜5、双凸非球面镜6位置获得中等ZOOM放大倍数，获得的聚焦光束段光斑能量分布参考图4第二到第四横排，从左到右为焦点前离焦、焦点、焦点后离焦光斑。
调节双凹非球面镜5、双凸非球面镜6位置获得较大ZOOM放大倍数，获得的聚焦光束段光斑能量分布参考图5第二到第四横排，从左到右为焦点前离焦、焦点、焦点后离焦光斑。
可以看出，相同的ZOOM放大倍数下，环形光斑中径越大，焦深越长；相同的平凸型微透镜3旋转角度，不同的ZOOM放大倍数下，环形光斑中径越大，线径越粗；不同的ZOOM光斑放大倍数下，整体焦深越长，发散角越小。此时，可用于厚板切割以优化断面质量、垂直度和切割速度，并大幅提高可切割板材的厚度。
以上环形光斑中径，是指0光纤芯径下聚焦焦点光斑直径；环形光斑粗细，是指光纤芯径不为0下聚焦光斑线径，即有能量区域的宽度。
本实用新型结构设计新颖，基于微透镜与聚焦镜配合实现环形光斑及长焦深特性，基于ZOOM光学系统实现聚焦光斑大小、光束发散角以及焦点位置补偿特性，通过沿光束传输轴小角度旋转其中一片微透镜的方式，结合ZOOM光学系统配合调节，实现了聚焦光束发散角、焦点实心光斑大小、实心光斑到环形光斑、环形光斑中径与粗细连续可调，可大幅提高板材切割速度、断面质量、切割厚度以及断面垂直度，适用于千瓦、万瓦级高功率光纤激光器的激光切割应用，尤其适用于50um及以上光纤芯径的连续光纤激光器中、厚板切割应用。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种光学系统，其特征在于：该光学系统包括ZOOM光学系统以及与所述ZOOM光学系统中心轴同轴的微透镜组；
所述ZOOM光学系统包括非球面准直镜(1)、非球面聚焦镜(4)、双凹非球面镜(5)以及双凸非球面镜(6)，
所述微透镜组包括平凹型微透镜(2)、平凸型微透镜(3)；
该光学系统按照非球面准直镜(1)、平凹型微透镜(2)、平凸型微透镜(3)、非球面聚焦镜(4)、双凹非球面镜(5)以及双凸非球面镜(6)依次排列；
所述平凹型微透镜(2)或所述平凸型微透镜(3)可沿所述中心轴转动，所述双凹非球面镜(5)和所述非球面聚焦镜(4)可在所述平凸型微透镜(3)与所述双凸非球面镜(6)之间移动。
2.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述平凹型微透镜(2)、平凸型微透镜(3)基于轴锥分光与角向分光组合为中心轴对称的角向阵列微透镜，所述平凹型微透镜(2)、平凸型微透镜(3)具有相同的角向分光单元，数量满足10～100，所有角向分光单元分光角度相同，分光顶点交合为一点。
3.根据权利要求2所述的一种光学系统，其特征在于：所述平凹型微透镜(2)单个角向分光单元分光面面型包括平面或凸面，所述平凸型微透镜(3)单个角向分光单元分光面面型包括平面或凹面。
4.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述双凹非球面镜(5)、双凸非球面镜(6)均只有一个镜面为非球面，另一个镜面为球面。
5.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述ZOOM 光学系统以及所述微透镜组均为熔融石英材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Suzhou Jiaqiang Automation Technology Co., Ltd. Assignor: SHANGHAI EMPOWER AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Contract record no.: X2022310000052 Denomination of utility model: an optical system Granted publication date: 20210622 License type: Common License Record date: 20220803 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: No. 8 Dongbao Road, Songjiang District, Shanghai, 2016 Patentee after: Jiaqiang (Shanghai) Intelligent Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 201615 room 304-1, building 5, 1158 Zhongxin Road, Songjiang District, Shanghai Patentee before: SHANGHAI EMPOWER AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region before: China |