CN215200144U - 光路系统、激光切割头和激光切割设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光路系统、激光切割头和激光切割设备，其中，光路系统包括依次设置的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；激光光束经过所述第一光学元件，形成贝塞尔激光光束；所述贝塞尔激光光束经过所述第二光学元件，形成相平行的所述贝塞尔激光光束；相平行的所述贝塞尔激光光束经过所述第三光学元件，聚焦形成激光光斑；所述第三光学元件的焦距为f1，f1的取值范围满足：f1＜10mm。本实用新型技术方案中，激光光束经光路系统后形成的激光光斑对工件切割造成的崩边尺寸小、断面粗糙度低，对工件切割的精度高。

Description

光路系统、激光切割头和激光切割设备

技术领域

本实用新型涉及激光切割技术领域，特别涉及一种光路系统、应用该光路系统的激光切割头和应用该激光切割头的激光切割设备。

背景技术

随着技术的发展，产品品质的不断提升，产品零部件具有超薄化的发展趋势，对超薄柔性工件的切割要求也在不断提升。在利用激光激光切割设备对超薄柔性工件进行切割过程中，容易出现崩边、断面粗糙度较高等缺陷。对于切割精度要求较高的工件，现有的激光激光切割设备很难满足要求。

实用新型内容

本实用新型提供一种光路系统，激光光束经该光路系统后形成的激光光斑对工件切割造成的崩边尺寸小、断面粗糙度低，对工件切割的精度高。

本实用新型提出的光路系统，所述光路系统包括：依次设置的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；

激光光束经过所述第一光学元件，形成贝塞尔激光光束；所述贝塞尔激光光束经过所述第二光学元件，形成相平行的所述贝塞尔激光光束；相平行的所述贝塞尔激光光束经过所述第三光学元件，聚焦形成激光光斑；

所述第三光学元件的焦距为f1，f1的取值范围满足：f1＜10mm。

可选地，所述第三光学元件包括物镜或聚焦透镜，激光光束经过所述物镜或所述聚焦透镜聚焦形成所述激光光斑。

可选地，所述第二光学元件包括准直透镜或准直透镜组，所述贝塞尔激光光束经过所述准直透镜或所述准直透镜组，形成相平行的所述贝塞尔激光光束。

可选地，所述第二光学元件的焦距为f2，f2的取值范围满足：f2≤150mm。

可选地，所述准直透镜组包括凹透镜和凸透镜组成的双胶合透镜，所述贝塞尔激光光束经过所述双胶合透镜，形成相平行的所述贝塞尔激光光束。

可选地，所述第一光学元件包括锥透镜、衍射光学元件或空间光调制器，所述激光光束经过所述锥透镜、衍射光学元件或空间光调制器，形成所述贝塞尔激光光束。

可选地，定义所述锥透镜的圆锥母线和圆锥底面所形成的夹角为α，α的取值范围满足：1°≤α≤10°。

可选地，所述光路系统还包括光阑，所述光阑具有光阑孔，所述激光光束依次经过所述光阑孔、所述第一光学元件、所述第二光学元件和所述第三光学元件。

本实用新型还提出一种激光切割头，所述激光切割头包括外壳和光路系统；

所述光路系统包括：依次设置的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；

激光光束经过所述第一光学元件，形成贝塞尔激光光束；所述贝塞尔激光光束经过所述第二光学元件，形成相平行的所述贝塞尔激光光束；相平行的所述贝塞尔激光光束经过所述第三光学元件，聚焦形成激光光斑；

所述第三光学元件的焦距为f1，f1的取值范围满足：f1＜10mm；

所述光路系统容置于所述外壳内。

本实用新型还提出一种激光切割设备，所述激光切割设备包括激光发射器和扩束镜以及激光切割头；

所述激光切割头包括外壳和光路系统；

所述光路系统包括：依次设置的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；

激光光束经过所述第一光学元件，形成贝塞尔激光光束；所述贝塞尔激光光束经过所述第二光学元件，形成相平行的所述贝塞尔激光光束；相平行的所述贝塞尔激光光束经过所述第三光学元件，聚焦形成激光光斑；

所述第三光学元件的焦距为f1，f1的取值范围满足：f1＜10mm；

所述光路系统容置于所述外壳内；

所述激光器发射的激光经所述扩束镜扩束后进入所述激光切割头。

本实用新型技术方案的光路系统包括第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件。激光发射器发射出的激光，经扩束镜扩束后，依次经过第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件照射于工件上，对工件进行切割。

第一光学元件用于对激光光束进行光学处理，使得经过该第一光学元件后的激光光束能够形成贝塞尔激光光束；该贝塞尔激光光束经过第二光学元件，形成相平行的贝塞尔激光光束；相平行的贝塞尔激光光束经过第三光学元件，聚焦形成激光光斑；该第三光学元件的焦距为f1，f1的取值范围满足：f1＜10mm。

本实施例中，由激光发射器发射的高斯激光光束经过第一光学元件形成贝塞尔激光光束，贝塞尔激光光束是非衍射光束，它在传播时能保持光强分布不变。第三光学元件的焦距f1满足：f1＜10mm，使得经第三光学元件的激光光束聚焦形成的激光光斑的尺寸小，利用该尺寸小的激光光斑对工件进行切割，使得工件的切割形成的切痕宽度小，切痕在裂片过程中崩边尺寸小，工件裂片后形成的断面粗糙度低，使得切割后的工件的质量高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型激光切割设备一实施例的部分结构示意图；

图2为图1中激光切割头的结构示意图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

参见图1，本实用新型提供一种光路系统10，该光路系统10可以应用于激光切割头100，该激光切割头100可以应用于激光切割设备。激光切割设备应用具有该光路系统10的激光切割头100能够对工作台上的工件700进行切割。激光光束800经过本实用新型技术方案的光路系统10后能够形成极细的激光光斑，在利用该激光光斑对工件700进行切割过程中，极细的激光光斑贯穿工件700后留下的切痕较小，在裂片过程中沿切痕形成的崩边也会较小，保证切割后工件700的断面粗糙度低，且崩边尺寸较小，符合超薄工件700的高精度的切割要求，使得应用具有该光路系统10的激光切割设备能具有较高的切割精度。

如图1所示，本实用新型实施例的激光切割设备可以包括激光发射器200，激光发射器200发射的激光进入激光切割头100内部的光路系统10，并经过该光路系统10后照射于工件700上，对工件700进行激光切割。激光切割设备还包括扩束镜300，扩束镜300能够对激光发射器200发射出的激光进行扩大，同时压缩激光光束800的发散角，能够使经过扩束镜300激光准直到几乎平行的状态。该扩束镜300能够将激光发射器200发射出的激光扩大到所需要的的尺寸，具体可以扩大到5mm～15mm，也可以根据需要扩大到其他尺寸。

结合图2，本实用新型实施例的光路系统10包括：依次设置的第一光学元件11、第二光学元件12和第三光学元件13，激光光束800依次经过第一光学元件11、第二光学元件12和第三光学元件13。激光发射器200发射出的激光，经扩束镜300扩束后，依次经过第一光学元件11、第二光学元件12和第三光学元件13照射于工件700上，对工件700进行切割。

第一光学元件11用于对激光光束800进行光学处理，使得经过该第一光学元件11后的激光光束800能够形成贝塞尔激光光束800；该贝塞尔激光光束800经过第二光学元件12，形成相平行的贝塞尔激光光束800；相平行的贝塞尔激光光束800经过第三光学元件13，经过第三光学元件13的处理，贝塞尔激光光束800能够聚焦形成激光光斑；该第三光学元件13的焦距为f1，f1的取值范围满足：f1＜10mm。

本实施例中，由激光发射器200发射的高斯激光光束800经过第一光学元件11后形成贝塞尔激光光束800，贝塞尔激光光束800是非衍射光束，它在传播时能保持光强分布不变。第三光学元件13的焦距为f1满足：f1＜10mm，使得经第三光学元件13处理后的激光光束800聚焦形成的激光光斑的尺寸小，利用该尺寸小的激光光斑对工件700进行切割，使得工件700的切割形成的切痕宽度小，切痕在裂片过程中崩边尺寸小，工件700裂片后形成的断面粗糙度低，使得切割后的工件700的质量高。

该第三光学元件13可以包括物镜，经过第二光学元件12处理后的贝塞尔激光光束800经过物镜聚焦形成用于对工件700进行切割的激光光斑，相比普通的聚焦透镜，物镜结构复杂，工作距离长，能有效地消除一些像差，如球差，彗差，场曲等。当第三光学元件13包括物镜时，物镜的焦距f1＜10mm，也即，选用数值孔径NA＞0.4的物镜，在镜长为200mm的情况下，镜长与焦距的比值可以为20倍、50倍或100倍。该物镜也可以替换为聚焦透镜，经过第二光学元件12处理后的贝塞尔激光光束800经过聚焦透镜聚焦形成用于对工件700进行切割的激光光斑，普通的聚焦透镜聚焦尺寸相对较大，光斑质量稍差，但由于聚焦透镜较物镜成本低，选用聚焦透镜作为第三光学元件13使得光路系统的成本低，应用该光路系统的激光切割设备成本低。

本实用新型实施例中，第二光学元件12包括准直透镜或准直透镜组，激光光束800经过第一光学元件11的处理形成贝塞尔激光光束800后，该贝塞尔激光光束800经过准直透镜的准直形成平行的贝塞尔激光光束800。该准直透镜还可以由准直透镜组进行替代，该准直透镜组可以包括凹透镜和凸透镜组成的双胶合透镜，经第一光学元件11形成的贝塞尔激光光束800经过该双胶合透镜形成相平行的贝塞尔激光光束800。该第二光学元件12对贝塞尔激光光束800进行准直。该准直透镜组还可以由多个其他透镜组合而成，以达到对贝塞尔激光光学准直的效果。

该第二光学元件12的焦距为f2，f2的取值范围满足：f2≤150mm，使得经第二光学元件12处理后的贝塞尔激光光束800的平行效果好，且能使经准直后的贝塞尔激光光束800完全进入第三光学元件13，不被挡光。该第二光学元件12的焦距f2还可以进一步满足取值范围：50mm≤f2≤150mm。第二光学元件12还可以选择为非球面镜或其他准直透镜组，以达到有效消除像差的效果，使经该第二光学元件12的贝塞尔激光光束800的准直效果更好。

本实用新型实施例中，第一光学元件11包括锥透镜、衍射光学元件或空间光调制器。贝塞尔光束需要无限的能量才能产生，但锥透镜可以在其焦深范围内产生与之非常近似的非衍射特性。当第一光学元件11包括锥透镜时，激光光束800经过锥透镜形成贝塞尔激光光束800，由于锥透镜的成本较低，使得应用该锥透镜形成贝塞尔激光光束800的光路系统10的成本较低，使应用该光路系统10的激光切割头100和激光切割设备的成本较低。还可以将锥透镜替换为衍射光学元件或空间光调制器，经衍射光学元件或空间光调制器所形成的贝塞尔激光光束800的质量更好。

定义锥透镜的圆锥母线与圆锥底面所形成的夹角为α，1°≤α≤10°，该夹度的锥透镜能够使激光光束800经过锥透镜后形成的贝塞尔激光光束800的光环更大，从而使得聚焦过程中，贝塞尔激光光束800的聚焦程度更高。该夹角α可以进一步满足1°≤α≤5°。

第一光学元件11位于第二光学元件12的焦点位置，使得经过第二光学元件12处理后的贝塞尔激光光束800达到相平行的状态，当选用不同的第一光学元件11和不同的第二光学元件12时，需要根据第二光学元件12焦点的不同，来相应的调节第一光学元件11与第二光学元件12的间距。例如，当第一光学元件11包括锥透镜、第二光学元件12为准直透镜时，锥透镜要位于准直透镜的焦点位置。

经第二光学元件12准直后的贝塞尔激光光束800的束腰位于第三光学元件13的入瞳上，使得经聚焦透镜聚焦形成的激光光斑尺寸最小，焦深最长，对工件700造成的切痕更小，裂片后崩边更小。当选用不同的第二光学元件12和不同的第三光学元件13时，需要根据不同的光学元件的特性来调节第二光学元件12和第三光学元件13的间距。例如，当第二光学元件12包括准直透镜，第三光学元件13包括聚焦透镜时，经准直透镜准直后的贝塞尔激光光束800的束腰位于聚焦透镜的入瞳上。

本实用新型实施例中的光路系统10还包括光阑14，光阑14具有光阑孔，激光光束800依次经过光阑孔、第一光学元件11、第二光学元件12和第三光学元件13。该光阑14能够对激光光束800进行过滤，激光光束800在经过该光阑14上的光阑孔时，部分激光光束800穿过光阑孔，还有部分激光光束800由光阑14遮挡而过滤掉，能够合理控制激光光束800的强度和尺寸。

该激光发射器200可以为超快激光发射器200，该超快激光发射器200可以为波长为1020nm～1070nm的皮秒或飞秒激光器。该超快激光发射器200发射的激光经过切割头内部的光路系统10后形成光束极细、焦深大的贝塞尔激光光束800，该贝塞尔激光光束800聚焦后作用于工件700上，在工件700上形成非线性多光子吸收，对工件700进行破坏而实现高质量的切割。

本实用新型实施例采用了聚焦好的准直透镜和物镜，减小了激光光斑的尺寸，激光光斑尺寸可以达到小于3μm。本实用新型实施例的切割设备能够对超薄玻璃进行切割。小的激光光斑贯穿超薄玻璃后留下的切痕较小，在对切痕件裂片后的崩边也会减小。经改善后的切割头切割工件，能够将断面的粗糙度控制在0.3um以下，崩边小于3μm。当工件为超薄玻璃(Ultra Thin Glass，UTG)时，应用该光路系统的激光切割头能够满足现有的加工需求，比现有激光切割头造成的崩边减小了三分之一，本实用新型实施例的光路系统也可以用于超薄蓝宝石进行切割，还可以应用于其他超薄工件的切割。

结合图1和图2，本实用新型还提出一种激光切割头100，激光切割头100包括外壳15和光路系统10。该光路系统10的具体结构参照上述实施例，由于本激光切割头100采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。光路系统10容置于外壳15内。该外壳15形成有容纳空间，光路系统10容置于容纳空间内，外壳15能够对内部的光路系统10进行保护，防止外界杂尘对光路系统10造成影响。外壳15上还可以安装有传感器，用于检测激光切割头100与工件700之间的距离，该传感器可连接外部调高系统，该调高系统能够根据传感器的检测数据对激光切割头100与工件700之间的间距进行调整，以保证激光切割头100的光路系统10所出射的激光光束800聚焦形成的激光光斑与工件700所在高度一致，保证该激光切割头100对工件700切割过程中形成的切痕尺寸稳定。

本实用新型还提出一种激光切割设备，激光切割设备包括激光发射器200和扩束镜300以及激光切割头100。该光路系统10的具体结构参照上述实施例，由于本激光切割设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。所述激光器发射的激光光束800经所述扩束镜300扩束后进入激光切割头100内部的光路系统10。当光路系统10包括第一光学元件11、第二光学元件12和第三光学元件13时，激光光束800经扩束镜300扩束后依次经过第一光学元件11、第二光学元件12和第三光学元件13聚焦形成用于对工件700进行切割的激光光斑。当光路系统10还包括光阑14时，激光光束800经扩束镜300扩束后依次经过光阑孔、第一光学元件11、第二光学元件12和第三光学元件13聚焦形成用于对工件700进行切割的激光光斑。

激光切割设备还包括反射镜400，反射镜400能够改变激光光束800的方向，使得经激光发射器200发射出的激光光束800能够经过扩束镜300进入激光切割头100的光路系统10中，使得激光发射器200、扩束镜300以及激光切割头100的位置可以进行不同的位置组合，以使激光切割设备的零部件排布合理、整体结构更加紧凑。该反射镜400可以为多个，能够根据不同的情况对激光光束800的位置进行调节。

该激光切割设备还包括裂片装置，该裂片装置包括气体激光发射器500和聚焦元件600，该气体激光发射器500可以为二氧化碳激光器，该二氧化碳激光器发射气体激光光束，经聚焦元件600聚焦后作用于工件700上，对激光切割头100切割形成的切痕进行裂片，利用热涨冷缩的原理使工件700沿着切痕进行分离。该工件700为超薄玻璃时，由于超薄玻璃的柔韧性，采用二氧化碳激光进行照射的方式进行裂片，能够保证该超薄玻璃仅沿切痕处断裂，而不会造成其他部分的损伤，保证裂片后的超薄玻璃成型质量好。在裂片装置中也可以设置上述反射镜400，用以调节气体激光光束的角度，以保证该裂片装置整体结构更加紧凑。

该激光切割设备先利用激光切割头100所形成的激光光斑对工件700进行切割，在工件700上形成切痕，再利用裂片装置沿着工件700上的切痕发射二氧化碳激光，使工件700沿着切痕处进行照射加热，由于激光切割头100所形成的用于切割的激光光斑尺寸小，焦深长，在工件700上形成的切痕宽度窄，且切割深度较深，利用该裂片装置裂片后的工件700在切痕处形成的断面粗糙度低，且崩边尺寸小。

以上所述仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光路系统，其特征在于，所述光路系统包括依次设置的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；

激光光束经过所述第一光学元件，形成贝塞尔激光光束；所述贝塞尔激光光束经过所述第二光学元件，形成相平行的所述贝塞尔激光光束；相平行的所述贝塞尔激光光束经过所述第三光学元件，聚焦形成激光光斑；

所述第三光学元件的焦距为f1，f1的取值范围满足：f1＜10mm。

2.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，所述第三光学元件包括物镜或聚焦透镜，激光光束经过所述物镜或所述聚焦透镜聚焦形成所述激光光斑。

3.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，所述第二光学元件包括准直透镜或准直透镜组，所述贝塞尔激光光束经过所述准直透镜或所述准直透镜组，形成相平行的所述贝塞尔激光光束。

4.如权利要求3所述的光路系统，其特征在于，所述第二光学元件的焦距为f2，f2的取值范围满足：f2≤150mm。

5.如权利要求3所述的光路系统，其特征在于，所述准直透镜组包括凹透镜和凸透镜组成的双胶合透镜，所述贝塞尔激光光束经过所述双胶合透镜，形成相平行的所述贝塞尔激光光束。

6.如权利要求1至5中任一项所述的光路系统，其特征在于，所述第一光学元件包括锥透镜、衍射光学元件或空间光调制器，所述激光光束经过所述锥透镜、衍射光学元件或空间光调制器，形成所述贝塞尔激光光束。

7.如权利要求6所述的光路系统，其特征在于，定义所述锥透镜的圆锥母线和圆锥底面所形成的夹角为α，α的取值范围满足：1°≤α≤10°。

8.如权利要求1至5中任一项所述的光路系统，其特征在于，所述光路系统还包括光阑，所述光阑具有光阑孔，所述激光光束依次经过所述光阑孔、所述第一光学元件、所述第二光学元件和所述第三光学元件。

9.一种激光切割头，其特征在于，所述激光切割头包括外壳和如权利要求1至8中任一项所述的光路系统，所述光路系统容置于所述外壳内。

10.一种激光切割设备，其特征在于，所述激光切割设备包括激光发射器和扩束镜以及如权利要求9所述的激光切割头，所述激光器发射的激光经所述扩束镜扩束后进入所述激光切割头。

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