CN217019011U - 激光加工系统及互补锥形镜组 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光加工系统及互补锥形镜组。其中，所述激光加工系统，包括：激光发生装置；焦点与激光发生装置的光源共直线的准直镜；设置于激光传播方向、与准直镜相邻并同轴分布的互补锥形镜组；设置于激光传播方向与准直镜同轴分布，并相邻于互补锥形镜组与准直镜相邻一侧相对的另一侧的聚焦镜；其中，互补锥形镜组包括：负锥形镜；与负锥形镜配对并相对负锥形镜可同轴旋转的正锥形镜；所述负锥形镜与正锥形镜在准直光束传播方向上的投影呈扇形。这样，通过调节负锥形镜与正锥形镜之间的夹角，能够改变激光光束的传播方向，从而实现工作面光斑形态的调整，有效改善了输出激光中心区域的能量分布。

Description

激光加工系统及互补锥形镜组

技术领域

本申请涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光加工系统及互补锥形镜组。

背景技术

激光焊接是激光加工技术的重要应用方向之一。进行激光焊接时，当激光被聚焦于一点，聚焦区域能量密度大，热影响区小，且加工过程中具有污染小、材料消耗少、深穿透、适应性强等特点。激光焊接的应用也越来越广泛。

在实现现有技术的过程中，发明人发现：

由于直接输出的激光中心区域能量过于集中，在应用于薄板焊接时，易出现飞溅、穿孔等不良现象，焊接效果差。并且，在工件板间间隙较大时，易导致焊缝不饱满、焊接过程不稳定等问题。

因此，需要提供一种输出激光的能量可以调节的激光加工系统，以根据工件的实际情形调节激光输出能量，从而有效解决焊接飞溅和穿孔等问题。

实用新型内容

本申请实施例提供一种能够调节输出激光的能量分布的激光加工系统，用以解决输出激光中心区域能量集中的技术问题。

具体的，一种激光加工系统，其特征在于，包括：

激光发生装置，在激发状态产生光源；

准直镜，所述准直镜的焦点与所述激光发生装置的光源共直线；

设置于激光传播方向、与所述准直镜相邻并同轴分布的互补锥形镜组；

设置于激光传播方向与所述准直镜同轴分布，并相邻于所述互补锥形镜组与所述准直镜相邻一侧相对的另一侧的聚焦镜；

其中，所述互补锥形镜组包括：

负锥形镜；

与所述负锥形镜配对并相对所述负锥形镜可同轴旋转的正锥形镜；

所述负锥形镜包括：

第一核心区；

与所述第一核心区相邻接的负锥形台区；

所述正锥形镜包括：

对应所述第一核心区、用于实现中心光斑的第二核心区；

邻接于所述第二核心区，并与所述负锥形台区对应的正锥形台区。

进一步的，所述负锥形镜还包括：

与所述负锥形台区相邻的边缘区。

进一步的，所述负锥形台区和所述正锥形台区的锥度大小数值相等。

进一步的，所述负锥形镜包括：

中心对称的两个扇区；

每个扇区弧度为预设角度。

进一步的，所述负锥形镜包括：

两个分立的子镜；

每个子镜具有弧度为预设角度的一个扇区；

两个子镜中心对称分布。

进一步的，所述负锥形镜由预设数量的分立的子镜构成；

每个子镜具有弧度为预设角度的一个扇区。

本申请实施例还提供一种互补锥形镜组。

具体的，一种互补锥形镜组，用于激光加工系统，其特征在于，包括：

负锥形镜；

与所述负锥形镜配对并相对所述负锥形镜可同轴旋转的正锥形镜；

其中，所述负锥形镜包括：

第一核心区；

与所述第一核心区相邻接的负锥形台区；

所述正锥形镜包括：

对应所述第一核心区、用于实现中心光斑的第二核心区；

邻接于所述第二核心区，并与所述负锥形台区对应的正锥形台区。

进一步的，所述负锥形镜还包括：

与所述负锥形台区相邻的边缘区。

进一步的，所述负锥形台区和所述正锥形台区的锥度大小数值相等。

进一步的，所述负锥形镜包括：

中心对称的两个扇区；

每个扇区弧度为预设角度。

本申请实施例提供的技术方案，至少具有如下有益效果：

通过旋转正锥形镜或负锥形镜调节负锥形镜与正锥形镜之间的夹角，能够改变激光光束的传播方向，从而实现工作面光斑形态的调整，有效改善了输出激光中心区域的能量分布。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种激光加工系统的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的一种激光光束传播的示意图。

图3为本申请实施例提供的一种负锥形镜的结构示意图。

图4为本申请实施例提供的一种负锥形镜的侧视图。

图5为本申请实施例提供的一种正锥形镜的结构示意图。

图6为本申请实施例提供的一种正锥形镜的侧视图。

图7为本申请实施例提供的一种正/负锥形镜在平行激光光束的传播方向上的投影图。

图8为本申请实施例提供的一种互补锥形镜组在平行激光光束的传播方向上的投影图。

图9为本申请实施例提供的一种输出激光光束的光斑分布图。

图10为本申请实施例提供的另一种互补锥形镜组在平行激光光束的传播方向上的投影图。

图11为本申请实施例提供的另一种输出激光光束的光斑分布图。

图12为本申请实施例提供的另一种激光光束传播的示意图。

图13为本申请实施例提供的一种正/负锥形镜子镜在平行激光光束的传播方向上的投影图。

图14为本申请实施例提供的一种互补锥形镜组在平行激光光束的传播方向上的投影图。

图15为本申请实施例提供的一种激光加工系统镜头的结构示意图。

图16为本申请实施例提供的一种旋转机构的结构示意图。

100 激光加工系统

11 激光发生装置

12 准直镜

13 互补锥形镜组

131 负锥形镜

1311 第一核心区

1312 负锥形台区

1313 边缘区

132 正锥形镜

1321 第二核心区

1322 正锥形台区

14 聚焦镜

15 镜筒

151 准直镜筒

152 聚焦镜筒

1521 旋转机构

15211 内转环

15212 外转环

15213 连接件

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

可以理解的是，激光加工系统的用途十分广泛，已在光电子领域、材料加工领域、军事领域等方向。本申请提供的激光加工系统主要应用于材料加工领域，例如，材料切割、电路板加工、材料焊接等领域。由于激光器的高稳定性和高效能，从而使得其可以轻易的对工业材料进行精确加工。当激光被聚焦于一点时，聚焦区域能量密度大，热影响区小，且在加工过程中具有污染小、材料消耗少、深穿透、适应性强等特点。但是，由于直接输出的激光能量集中，应用于薄板焊接时，易出现飞溅、穿孔等不良现象，并且工件板间间隙大时，易导致焊接过程不稳定、焊缝不饱满等问题。虽然环形光斑边缘能量分布均匀，可有效解决焊接飞溅和穿孔等问题。但半导体激光器发散角大，若使用光程较长的结构，易导致装置口径较大，不便于应用。现有透镜组合实现环形光斑的结构，如双圆锥透镜的结构或折反光路的结构，其光路较长，不适用于激光加工系统。

需要注意的是，在激光焊接时，能量分配与透过光束面积比相关。由此可知，环形光斑区域与点光斑区域所分布的激光能量是不同的。通过调节点光斑区域与环形光斑区域的面积，即可实现环形光斑区域与点光斑区域的能量分布调整。调节环形光斑区域的面积，可以通过将环形光斑转换为若干段弧形光斑。通过调整弧形光斑的所对应圆心角角度之和，弧形光斑的面积随之改变。弧形光斑的面积增大，弧形光斑区域的能量增大。对应的，中心光斑区域的能量变低。调节点光斑区域与环形光斑区域的面积，可以通过相应的透镜组合。即，在准直聚焦光路中，增加能够调节点光斑区域与环形光斑区域的面积比的透镜组合，以改变全部或部分激光光束的传播方向，从而实现光斑形态变化的目的。在激光加工系统原光路基础上增加能够调节点光斑区域与环形光斑区域的面积比的透镜组合，可以满足不同应用场景下的加工需求。并且，结构紧凑，对光路长度影响较小。

请参照图1-7，本申请公开一种激光加工系统100，设有能够调节点光斑区域与环形光斑区域的面积比的互补锥形镜组13。通过旋转互补锥形镜组13中的负锥形镜131或正锥形镜132，调节两者之间的夹角，即可得到不同大小的弧形光斑。当两个镜片重叠部分较多时，中心光斑能量高，弧形光斑能量低；重叠部分较少时，中心光斑能量低，弧形光斑能量高。具体的，一种激光加工系统100，包括：

激光发生装置11，在激发状态产生光源；

准直镜12，所述准直镜12的焦点与所述激光发生装置11的光源共直线；

设置于激光传播方向、与所述准直镜12相邻并同轴分布的互补锥形镜组13；

设置于激光传播方向与所述准直镜12同轴分布，并相邻于所述互补锥形镜组13与所述准直镜12相邻一侧相对的另一侧的聚焦镜14；

其中，所述互补锥形镜组13包括：负锥形镜131；与所述负锥形镜131配对并相对所述负锥形镜131可同轴旋转的正锥形镜132；

所述负锥形镜131包括：第一核心区1311；与所述第一核心区1311相邻接的负锥形台区1312；

所述正锥形镜132包括：对应所述第一核心区1311、用于实现中心光斑的第二核心区1321；邻接于所述第二核心区1321，并与所述负锥形台区1312对应的正锥形台区1322。

可以理解的是，激光的产生离不开受激辐射。在热平衡状态下，高能态粒子数少于较低能态粒子数，受激辐射需要高能态粒子数多于低能态粒子数，因此，产生激光的必要条件是工作物质处于粒子数反转分布状态。这里的激光发生装置11用于在激发状态产生光源，即用于实现粒子数的反转，并产生激光光束。这里激光发生装置11产生的激光光源可按其激活物质不同而产生不同类型的激光光束。可以理解的是，这里的激光发生装置11所选用的具体激活物质种类，显然不构成对本申请保护范围的限制。

准直镜12主要用于将激光发生装置11所产生的激光光束转换为平行的激光光束。可以理解的是，激光发生装置11处的光源所产生的激光光束存在一定的发散角。准直镜12的入射光线即为存在一定发散角的激光光束。经准直镜12的折射，出射的激光光束为平行光束。在实际应用中，准直镜12一般为凸透镜。光线经凸透镜传播，经过光心的光线传播方向不变；与主光轴平行的光线折射后过其焦点；经过焦点的光线折射后平行于主光轴。由此可知，若经准直镜12传播的激光光束为平行光束，除准直镜12的焦点与激光发生装置11的光源共直线外，还需使得激光发生装置11的光源与准直镜12的焦点重合。这里准直镜12的具体制备材料以及形状可根据实际情况灵活选取。

设置于激光传播方向、与准直镜12相邻并同轴分布的互补锥形镜组13。这里的互补锥形镜组13主要用于实现点光斑区域与环形光斑区域的面积比的调节。互补锥形镜组13包括：负锥形镜131，以及与负锥形镜131配对并相对所述负锥形镜131可同轴旋转的正锥形镜132。

详细的，请参照图3-7，负锥形镜131包括：第一核心区1311；与第一核心区1311相邻接的负锥形台区1312。这里的第一核心区1311可以理解为不改变平行激光光束传播方向的区域。即，平行的激光光束经负锥形镜131的第一核心区1311传播，传播方向不改变。在实际应用中，第一核心区1311可以为负锥形镜131中光束入射面与出射面平行的区域，或在激光光束传播方向虚拟的、无任何实体的镂空区域。这里的负锥形台区1312可以理解为在光束传播方向、高于第一核心区1311光束出射面的锥形面所在区域。锥形面与第一核心区1311之间的夹角可根据实际情况进行设计。这里的邻接，可以理解为第一核心区1311与负锥形台区1312在空间上呈连接关系。

需要指出的是负锥形台区1312的锥形面并非连续的圆锥面。即，负锥形台区1312边缘弧线对应的圆心角并非360°。也即，可参照图7，负锥形台区1312在平行激光光束传播方向上的投影并非为圆形，而是呈扇形。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，负锥形镜131还包括：与负锥形台区1312相邻的边缘区1313。这里设置边缘区1313，能够方便负锥形镜131的加工与保护。可以理解为负锥形镜131中与负锥形台区1312不共面的区域。由于边缘区1313出射面相较于负锥形台区1312不共面，即边缘区1313延伸面相较于第一核心区1311出射面的夹角与负锥形台区1312相较于第一核心区1311出射面的夹角不同，则平行的激光光束在边缘区1313出射面的传播方向与负锥形台区1312出摄的激光光束传播方向不同。若边缘区1313延伸面相较于第一核心区1311出射面的夹角小于负锥形台区1312相较于第一核心区1311出射面的夹角，即边缘区1313延伸面相较于第一核心区1311出射面的倾斜度增大，则经边缘区1313出射的激光光束的传播更为扩散。若边缘区1313延伸面相较于第一核心区1311出射面的夹角大于负锥形台区1312相较于第一核心区1311出射面的夹角，即边缘区1313延伸面相较于第一核心区1311出射面倾斜度减小，则经边缘区1313出射的激光光束的传播较为收敛若。若边缘区1313平行于第一核心区1311，则光束的传播方向相较于入射光线不变。

在本申请提供的一种优选的实施方式中，边缘区1313所位于的平面垂直于所述负锥形镜131的轴线，即边缘区1313平行于第一核心区1311。经边缘区1313出射的光束，其传播方向不变。这样，便于负锥形镜131在镜头中的安装，且防止了其加工过程总的崩边现象，提高了负锥形镜131加工良率。

正锥形镜132包括：对应第一核心区1311、用于实现中心光斑的第二核心区1321；邻接于第二核心区1321，并与所述负锥形台区1312对应的正锥形台区1322。这里的第二核心区1321可以理解为与第一核心区1311相邻且尺寸相当、不改变平行激光光束传播方向的区域。即，经第一核心区1311传播的平行激光光束经正锥形镜132的第二核心区1321传播，传播方向仍不改变。在本申请提供的一种具体实施方式中，第二核心区1321与第一核心区1311在平行激光光束传播方向上的投影重叠。在实际应用中，第二核心区1321可以为与第一核心区1311相邻且尺寸相当的、光束入射面与出射面平行的区域，或在平行激光光束传播方向上虚拟的、无任何实体的镂空区域。第二核心区1321与第一核心区1311之间的缝隙大小相对于整个光路长度影响较小，可以忽略不计。一般来讲，预留小于1mm的缝隙，以防止负锥形镜131及正锥形镜132划伤。这里的正锥形台区1322可以理解为在光束传播方向、与负锥形台区1312互补的锥形面所在区域。需要指出的是，互补指正锥形台区1322与负锥形台区1312重叠时，两者之间所呈现的空间关系。这里的邻接，可以理解为第二核心区1321与正锥形台区1322在空间上呈连接关系。正锥形台区1322锥形面与第二核心区1321之间的夹角可根据负锥形台区1312与第一核心区1311的夹角进行设计。这里的正锥形台区1322的锥形面并非连续的圆锥面。即，正锥形台区1322边缘弧线对应的圆心角并非360°。也即，可参照图7，正锥形台区1322在平行激光光束传播方向上的投影并非为圆形，而是呈扇形。正锥形台区1322锥形面可根据负锥形台区1312锥形面进行设计，保证正锥形镜132能够相对于负锥形镜131同轴旋转即可。

在本申请提供的一种具体实施方式中，负锥形镜131靠近准直镜12的一侧(入射面)可以为垂直于光束传播方向的平面；正锥形镜132远离准直镜12的一侧(出射面)可以为垂直于光束传播方向的平面。并且，负锥形镜131与正锥形镜132之间设有便于镜片旋转的空间。

具体的，负锥形镜131靠近准直镜12的一侧(入射面)可以为垂直于光束传播方向的平面，即，经准直镜12传播的平行激光光束垂直入射在负锥形镜131的入射平面。换句话说，第一核心区1311、负锥形台区1312、边缘区1313在平行激光光束传播方向上的投影共同构成了负锥形镜131的入射面。这时，经第一核心区1311传播的激光光束，由于其出射面与入射面平行，激光光束传播方向不变。经负锥形台区1312传播的激光光束，由于其出射面与入射面之间存在一定的夹角，激光光束发散。

正锥形镜132远离准直镜12的一侧(出射面)可以为垂直于光束传播方向的平面，即，在平行激光光束的传播方向上，正锥形镜132的出射面与负锥形镜131的入射面平行。换句话说，第二核心区1321、正锥形台区1322在平行激光光束传播方向上的投影共同构成了正锥形镜132的入射面。正锥形镜132的入射面为与第一核心区1311对应的第二核心区1321，以及与负锥形台区1312对应的正锥形台区1322。由于第二核心区1321与第一核心区1311对应，则由第一核心区1311出射的平行激光光束经第二核心区1321的传播，激光光束的传播方向不变。并且，经由正锥形台区1322入射的激光光束，能够会聚。

需要指出的是，负锥形台区1312以及锥形台区正在平行激光光束传播方向上的投影并非为圆形，而是呈扇形。并且，由于负锥形镜131与正锥形镜132之间能够旋转，则通过旋转负锥形镜131或正锥形镜132能够调节两者之间的夹角。为了减小正锥形镜132与负锥形镜131之间旋转空隙对激光光束传播的影响，并保证正锥形镜132与负锥形镜131能够稳定旋转，在本申请提供的一种优选的实施方式中，负锥形台区1312和所述正锥形台区1322的锥度大小数值相等。并且，为了保证正锥形镜132与负锥形镜131对激光光束的传播效果相同，在本申请提供的一种优选的实施方式中，负锥形镜131和所述正锥形镜132使用对光折射系数相同的材料制成。负锥形镜131和所述正锥形镜132的具体折射系数可根据实际情况进行选取。

可以理解的是，负锥形镜131与正锥形镜132的相对位置，决定了经由互补锥形镜组13出射的激光光束传播方向。旋转负锥形镜131或正锥形镜132调节两者之间的夹角时，第一核心区1311以及第二核心区1321的相对位置不会发生改变。

当负锥形镜131与正锥形镜132重合时，两者之间的旋转角为0°。此时，负锥形台区1312以及正锥形台区1322在平行激光光束传播方向上的投影重叠。由于负锥形镜131入射面为垂直于光束传播方向的平面，正锥形镜132出射面为垂直于光束传播方向的平面，则互补锥形镜组13的入射面与出射面平行。且两者之间的间距较小，则相当于在光路中插入平行平板。入射光为平行光束时，并不会改变传播方向。此时，经准直镜12出射的部分平行激光光束由互补锥形镜组13传播。由于负锥形台区1312以及锥形台区正在平行激光光束传播方向上的投影呈扇形，则经准直镜12出射的平行激光光束还存在一部分未经互补锥形镜组13传播的激光光束。这一部分激光光束不会改变传播方向，直接入射到聚焦镜14。综上可知，当负锥形镜131与正锥形镜132重合时，经准直镜12出射的平行激光光束的传播方向并不会改变。

以负锥形镜131与正锥形镜132重合的位置为起点，绕轴线向任意方向旋转互补锥形镜组13中的任一镜片，负锥形镜131与正锥形镜132之间的夹角发生变化。在旋转过程中，若负锥形镜131与正锥形镜132之间仍存在部分重叠区域，则经该重叠区域传播的平行激光光束的传播方向不变。此时，负锥形镜131与正锥形镜132分别存在部分未重叠的区域，负锥形台区1312以及锥形台区正在平行激光光束传播方向上的投影部分重叠。即，互补锥形镜组13的入射面除负锥形镜131的入射面之外还包括正锥形镜132的部分正锥形台区1322；互补锥形镜组13的出射面除正锥形镜132的出射面之外还包括负锥形镜131的部分负锥形台区1312。这时，经准直镜12出射的平行激光光束存在部分直接入射到为重叠部分的正锥形台区1322，光束会聚。经准直镜12出射的平行激光光束还存在一部分直接由为重叠部分的负锥形台区1312出射，光束发散。需要注意的是，经准直镜12出射的平行激光光束仍可能存在部分未经互补锥形镜组13传播的部分。这一部分激光光束不会改变传播方向，直接入射到聚焦镜14。综上可知，当负锥形镜131与正锥形镜132经旋转，存在部分重叠区域时，经准直镜12出射的平行激光光束由互补锥形镜组13传播后，会分别得到相较于原平行光束呈会聚、发散以及平行状态的激光光束。

在旋转过程中，若负锥形镜131与正锥形镜132之间未存在重叠区域，即，负锥形台区1312以及正锥形台区1322在平行激光光束传播方向上的投影无重叠区域。此时，互补锥形镜组13的入射面除负锥形镜131的入射面之外还包括正锥形镜132的正锥形台区1322；互补锥形镜组13的出射面除正锥形镜132的出射面之外还包括负锥形镜131的负锥形台区1312。这时，经准直镜12出射的平行激光光束存在部分直接入射到正锥形台区1322，光束会聚。经准直镜12出射的平行激光光束还存在一部分直接由负锥形台区1312出射，光束发散。需要注意的是，经准直镜12出射的平行激光光束仍可能存在部分未经互补锥形镜组13传播的部分。这一部分激光光束不会改变传播方向，直接入射到聚焦镜14。由于旋转负锥形镜131或正锥形镜132调节两者之间的夹角时，第一核心区1311以及第二核心区1321的相对位置不会发生改变，则通过第一核心区1311以及第二核心区1321传播的激光光束的传播方向不变，仍为平行光束。综上可知，当负锥形镜131与正锥形镜132经旋转，不存在重叠区域时，经准直镜12出射的平行激光光束由互补锥形镜组13传播后，会分别得到相较于原平行光束呈会聚、发散、平行的激光光束。

经准直镜12出射的平行激光光束由任一状态的互补锥形镜组13传播，将入射到聚焦镜14。需要指出的是，入射到聚焦镜14的激光光束除由互补锥形镜组13出射的激光光束之外，还可能包括未经互补锥形镜组13传播的平行激光光束。聚焦镜14设置于激光传播方向与所述准直镜12同轴分布，并相邻于所述互补锥形镜组13与所述准直镜12相邻一侧相对的另一侧。即，聚焦镜14与准直镜12、互补锥形镜组13同轴分布，且聚焦镜14的入射面与互补锥形镜组13中的正锥形镜132相邻。聚焦镜14主要用于实现经互补锥形镜组13出射的激光光束聚焦。在实际应用中，准直镜12一般为凸透镜。光线经凸透镜传播时，经过光心的光线传播方向不变；与主光轴平行的光线折射后过其焦点；经过焦点的光线折射后平行于主光轴。若聚焦镜14的入射光束为平行光束，经聚焦镜14的传播，最终得到能量集中的光斑。

在本申请提供的一种具体实施方式中，当负锥形镜131与正锥形镜132重合，经互补锥形镜组13出射的光束入射到聚焦镜14时，得到能量集中的光斑。光斑的大小通过调整待加工工件表面与聚焦镜14之间的距离实现。这里聚焦镜14的具体制备材料以及形状可根据实际情况灵活选取。

可以理解的是，当负锥形镜131与正锥形镜132经旋转，分别得到相较于准直镜12出射的平行光束呈会聚、发散以及平行状态的激光光束。其中，相较于准直镜12出射的平行光束呈平行状态的激光光束，经聚焦镜14传播，可在工作面得到得到点光斑。即，当负锥形镜131与正锥形镜132部分重叠时，通过互补锥形镜组13重叠部分传播的光束经聚焦镜14传播形成中心光斑。或者，未经互补锥形镜组13传播的部分平行激光光束经聚焦镜14传播也会形成中心光斑。相较于准直镜12出射的平行光束呈发散状态的激光光束，经聚焦镜14传播，可在工作面得到两个对称的弧形光斑。相较于准直镜12出射的平行光束呈会聚状态的激光光束，经聚焦镜14传播，光束先会聚在焦点处，继续传播时，光束发散。当工作面位于焦点后方时，可在工作面得到与上述尺寸相同的两个对称的弧形光斑。值得注意的是，负锥形镜131与正锥形镜132的旋转角度不同时，可以得到不同大小的弧形光斑。这里得到的弧形光斑的长度由负锥形台区1312及正锥形台区1322的圆心角设计值决定。

具体的，当负锥形镜131与正锥形镜132的重叠部分较多时，得到的弧形光斑面积较小。此时，弧形光斑区域与点光斑区域的面积比较小，中心光斑能量高，弧形光斑能量低。当负锥形镜131与正锥形镜132的重叠部分较少时，得到的弧形光斑面积较大。这里弧形光斑面积的变化主要体现在弧形光斑的弧形长度参数的变化，其在半径方向上的宽度值并无变化。此时，弧形光斑区域与点光斑区域的面积比较大，中心光斑能量低，弧形光斑能量高。另外，弧形光斑的外径尺寸由负锥形台区1312与第一核心区1311的夹角、正锥形台区1322与第二核心区1321的夹角决定。负锥形台区1312与第一核心区1311之间的夹角越大，正锥形台区1322与第二核心区1321的夹角也越大，弧形光斑偏移的角度则越大。此时，在焦距、工作距离一定的条件下，环形光斑的外径越大。可以根据实际使用方法和需求设计负锥形台区1312与第一核心区1311的夹角以及正锥形台区1322与第二核心区1321的夹角。

经试验表明，弧形光斑与点光斑之间的能量分配与透过光束面积比相关，能量与角度变化呈线性关系。例如，当负锥形镜131与正锥形镜132部分重叠时，通过互补锥形镜组13重叠部分传播的光束经聚焦镜14传播形成中心光斑。若聚焦镜14出射的所有激光光束的全部能量百分比100％，通过该部分的光束占比50％，则理论上边缘与中心能量比为1:1。负锥形镜131与正锥形镜132在平行激光光束的传播方向上的投影的重叠面积包括：第一核心区1311与第二核心区1321的重叠面积；负锥形台区1312与正锥形台区1322在平行激光光束的传播方向上的投影的重叠面积。其中，负锥形台区1312与正锥形台区1322在平行激光光束的传播方向上的投影的重叠面积与重叠扇形对应的角度有关。第一核心区1311与第二核心区1321面积大小可根据中心光斑的能量需求设计，可设计为圆形。并且，第一核心区1311与第二核心区1321的重叠面积不随着负锥形镜131与正锥形镜132的旋转角度改变。

在本申请提供的一种优选实施方式中，负锥形台区1312及正锥形台区1322在平行激光光束的传播方向上投影得到的扇形对应的圆心角之和为360°，即负锥形台区1312以及正锥形台区1322边缘弧线对应的圆心角之和为360°。这样，当负锥形镜131与正锥形镜132旋转至一定角度时，负锥形台区1312及正锥形台区1322在平行激光光束的传播方向上投影为圆形。此时，能够在工件表面得到完整的环形光斑。随着负锥形镜131与正锥形镜132的旋转，负锥形台区1312及正锥形台区1322在平行激光光束的传播方向上投影随之变化，呈若干扇形分布。此时，能够在工件表面得到若干段弧形光斑。这样，能够在工件表面得到多种不同形态的光斑，可根据实际加工场景进行灵活切换。

进一步的，在本申请提供的一种优选的实施方式中，请参照图8，负锥形镜131包括：中心对称的两个扇区；每个扇区弧度为预设角度。这里的中心对称的两个扇区即负锥形镜131在平行激光光束的传播方向上投影包括两个中心对称的扇形。在本申请提供的一种具体实施方式中，每个扇区弧度为90度，即负锥形镜131在平行激光光束的传播方向上的扇形投影对应的圆心角为90°。此时，对应的，正锥形镜132包括中心对称的两个扇区，且每个扇区弧度为90度。

当正锥形镜132负锥形镜131全部重叠时，经互补锥形镜传播的光束传播方向不变。此时，互补锥形镜组13在在平行激光光束的传播方向的投影包括中心对称的两个扇区，每个扇区弧度为90度。在聚焦镜14的作用下，经互补锥形镜组13出射的激光光束最终在工件表面形成点光斑。

请参照9，将正锥形镜132或负锥形镜131中的任一锥形镜旋转90度时，正锥形镜132与负锥形镜131无重叠区域时，互补锥形镜组13在在平行激光光束的传播方向的投影为圆形，包括四个扇区，每个扇区弧度为90度。此时，除第一核心区1311与第二核心区1321重合，正锥形镜132与负锥形镜131其余部分完全分开。互补锥形镜组13的入射面为负锥形镜131的入射面以及正锥形镜132的正锥形台区1322。经负锥形镜131的入射面入射的激光光束，由负锥形台区1312射出，并入射到聚焦镜14。经聚焦镜14的传播，最终在工件表面形成两个对称的四分之一圆弧形光斑。经正锥形镜132的正锥形台区1322入射的激光光束，由正锥形镜132的出射面射出，并入射到聚焦镜14。经聚焦镜14的传播，光束先会聚在焦点处，继续传播时，光束发散。当工作面位于焦点后方时，可在工件表面形成与上述尺寸相同的两个对称的四分之一圆弧形光斑。值得注意的是，经由第一核心区1311入射的光束，经第二核心区1321射出，光束传播方向不变。经聚焦镜14的传播，最终在工件表面形成点光斑。四个四分之一弧形光斑形成一个完整的环形光斑，与中心点光斑一起构成点环形光斑。

请参照图10-图11，将正锥形镜132或负锥形镜131中的任一锥形镜旋转为0°-90°度之间的任一角度时，例如60°，正锥形镜132与负锥形镜131部分重叠。互补锥形镜组13在平行激光光束的传播方向的投影为扇形。此时，除第一核心区1311与第二核心区1321重合，负锥形台区1312与正锥形台区1322存在30°角的重叠区域。平行激光光束经重叠区域(包括第一核心区1311、第二核心区1321)的传播，出射光线仍为平行光束，并入射到聚焦镜14。经聚焦镜14的传播，这一部分光束最终在工件表面形成点光斑。平行激光光束经互补锥形镜组13中不重叠区域的传播，最终在工件表面形成四段不连续的弧形光斑。每一弧形光斑对应的圆心角为60°，与正/负锥形镜的旋转角度相同。通过不断调整正锥形镜132或负锥形镜131中的任一锥形镜旋转角度，可以得到呈不同分布状态的弧形光斑，从而满足不同应用场景下的不同需求。

需要指出的是，将正锥形镜132以及负锥形镜131设计为中心对称的两个扇区，且每个扇区弧度为90度，可以利用最少的镜片实现圆形光斑与弧形光斑的切换，对光路长度影响较小，结构紧凑。

进一步的，在本申请提供的一种优选的实施方式中，负锥形镜131包括：两个分立的子镜；每个子镜具有弧度为预设角度的一个扇区；两个子镜中心对称分布。这里的分立可以理解为负锥形镜131中的两个子镜之间不同在共同的连接部。在本申请提供的一种具体实施方式中，所述预设角度为90°。此时，这两个子镜在平行激光光束的传播方向上的投影为呈中心对称、无连接关系的两个扇区，每个扇区的弧度为90°。这里负锥形镜131中两个分立的子镜可以通过固定于同一镜筒实现其中心对称分布的空间关系。两个子镜的入射面共面，位于同一个垂直于光轴的平面内。对应的，正锥形镜132包括中心对称的两个扇区，且每个扇区弧度为90度；两个子镜中心对称分布。同样的，正锥形镜132中两个分立的子镜也可以通过固定于同一镜筒，实现其中心对称分布的空间关系。并且，正锥形镜132中两个分立的子镜的入射面共面，位于同一个垂直于光轴的平面内。此时，第一核心区1311、第二核心区1321可以理解为在平行激光光束的传播方向上虚拟的、无任何实体的区域，为一圆孔，圆孔中心线与光束轴线重合圆孔中心线与光束轴线重合。

当正锥形镜132负锥形镜131全部重叠时，经互补锥形镜传播的光束传播方向不变。此时，互补锥形镜组13在平行激光光束的传播方向的投影为呈中心对称、无连接关系的两个扇区，每个扇区的弧度为90°。在聚焦镜14的作用下，经互补锥形镜组13出射的激光光束最终在工件表面形成点光斑。

将正锥形镜132或负锥形镜131中的任一锥形镜旋转90度时，正锥形镜132与负锥形镜131无重叠区域时，互补锥形镜组13在平行激光光束的传播方向的投影为圆形，包括四个扇区，每个扇区弧度为90度。此时，正锥形镜132与负锥形镜131完全分开。互补锥形镜组13的入射面为负锥形镜131的入射面以及正锥形镜132的正锥形台区1322。经负锥形镜131的入射面入射的激光光束，由负锥形台区1312射出，并入射到聚焦镜14。经聚焦镜14的传播，最终在工件表面形成两个对称的四分之一圆弧形光斑。经正锥形镜132的正锥形台区1322入射的激光光束，由正锥形镜132的出射面射出，并入射到聚焦镜14。经聚焦镜14的传播，光束先会聚在焦点处，继续传播时，光束发散。当工作面位于焦点后方时，可在工件表面形成与上述尺寸相同的两个对称的四分之一圆弧形光斑。值得注意的是，经由第一核心区1311入射的光束，经第二核心区1321射出，光束传播方向不变。经聚焦镜14的传播，最终在工件表面形成点光斑。四个四分之一弧形光斑形成一个完整的环形光斑，与中心点光斑一起构成点环形光斑。

将正锥形镜132或负锥形镜131中的任一锥形镜旋转为0°-90°度之间的任一角度时，例如60°，正锥形镜132与负锥形镜131部分重叠。互补锥形镜组13在平行激光光束的传播方向的投影为扇形。此时，负锥形台区1312与正锥形台区1322存在30°角的重叠区域。平行激光光束经重叠区域(包括第一核心区1311、第二核心区1321)的传播，出射光线仍为平行光束，并入射到聚焦镜14。经聚焦镜14的传播，这一部分光束最终在工件表面形成点光斑。平行激光光束经互补锥形镜组13中不重叠区域的传播，最终在工件表面形成四段不连续的弧形光斑。每一弧形光斑对应的圆心角为60°，与正/负锥形镜的旋转角度相同。通过不断调整正锥形镜132或负锥形镜131中的任一锥形镜旋转角度，可以得到呈不同分布状态的弧形光斑，从而满足不同应用场景下的不同需求。

需要指出的是，将正锥形镜132以及负锥形镜131设计为中心对称的、分立子镜，且每个子镜具有弧度为90度的一个扇区，同样可以利用最少的镜片实现圆形光斑与弧形光斑的切换，对光路长度影响较小，结构紧凑。根据实际使用需要，还也可将各子镜依次安装于不同的旋转镜头中，以实现更多的光斑形态变化。但此时，若需得均匀分布的光斑，需同时旋转至少两个子镜。

在实际应用中，正/负锥形镜中子镜的个数，还可以根据对输出激光光斑的实际需要设计。但是，为了保证能够实现圆环形与弧形光斑的灵活切换，应保证正锥形镜132与负锥形镜131中所有子镜在平行光束的传播方向上的投影所对应扇区的弧度角之和为360度。为了得到若干均匀分布弧形段光斑，以保证激光能量均匀分布，可以将正/负锥形镜中的相邻子镜之间的夹角设为同一角度。在本申请提供的一种优选的实施方式中，负锥形镜131还可以由预设数量的分立的子镜构成；并且每个子镜具有弧度为预设角度的一个扇区。例如，负锥形镜131由三个分立的子镜构成；每个子镜具有弧度为60度的一个扇区；三个子镜中心对称分布。这样，能够得到更多种不同类型的输出光斑，给使用者提供更多样的选择。

请参照图15-16，在本申请提供的一种具体实施方式中，准直镜12、互补锥形镜组13、聚焦镜14依次设置于镜筒15中。镜筒15包括：准直镜筒151；配接于准直镜筒151的聚焦镜筒152。准直镜12和互补锥形镜组13中的负锥形镜131依次安装于准直镜筒151；互补锥形镜组13中的正锥形镜132和聚焦镜14安装于聚焦镜筒152。其中，聚焦镜筒152设有旋转机构1521，包括：内转环15211、外转环15212和连接件15213。正锥形镜132配接于内转环15211。聚焦镜筒152靠近负锥形镜131的一端设有导向孔，用于安装旋转机构1521。导向孔的长度根据旋转角度的需求，可设计任意长度。本实施例中导向孔长度设计为聚焦镜筒152的四分之一周长，对应可旋转角度0°～90°，其宽度与连接件15213相匹配。

具体的，旋转机构1521的内转环15211安装在聚焦镜筒152内，外转环15212安装在聚焦镜筒152外。即，聚焦镜筒152靠近准直镜12筒的一端嵌入旋转机构1521中内转环15211、外转环15212形成凹槽内。内转环15211和外转环15212表面均设有安装孔。安装孔沿旋转机构1521的半径方向分布，且与设于聚焦镜筒152的导向孔共线、且孔径尺寸相同。连接件15213穿过聚焦镜筒152的导向孔以及旋转机构1521的内转环15211、外转环15212，从而将内转环15211和外转环15212固定于聚焦镜筒152。此外，外转环15212表面设有正锥形镜132和负锥形镜131旋转角度的标记，便于准确调节正锥形镜132的转动角度。

根据设于外转环的旋转角度标记，转动旋转机构，即可带动正锥形镜132转动，从而调节输出光斑的形态。当旋转角度为0°时，正锥形镜132和负锥形镜131重合，输出点光斑；当旋转角度为90°时，输出光斑中心为点光斑，周围为完整的圆环光斑；当镜片轴线夹角在0°和90°之间时，输出光斑中心为点光斑，周围为4个对称的弧形光斑。

本申请实施例还提供一种互补锥形镜组13，用于激光加工系统。激光加工系统的用途十分广泛，已在光电子领域、材料加工领域、军事领域等方向。本申请提供的激光加工系统主要应用于材料加工领域，例如，材料切割、电路板加工、材料焊接等领域。由于激光器的高稳定性和高效能，从而使得其可以轻易的对工业材料进行精确加工。当激光被聚焦于一点时，聚焦区域能量密度大，热影响区小，且在加工过程中具有污染小、材料消耗少、深穿透、适应性强等特点。但是，由于直接输出的激光能量集中，应用于薄板焊接时，易出现飞溅、穿孔等不良现象，并且工件板间间隙大时，易导致焊接过程不稳定，焊缝不饱满等问题。虽然环形光斑边缘能量分布均匀，可有效解决焊接飞溅和穿孔等问题。但激光加工系统发散角大，若使用光程较长的结构，易导致装置口径较大，不便于应用。现有透镜组合实现环形光斑的结构，如双圆锥透镜的结构或折反光路的结构，其光路较长，不适用于激光加工系统。

需要注意的是，在激光焊接时，能量分配与透过光束面积比相关。由此可知，环形光斑区域与点光斑区域所分布的激光能量是不同的。通过调节点光斑区域与环形光斑区域的面积，即可实现环形光斑区域与点光斑区域的能量分布调整。调节环形光斑区域的面积，可以通过将环形光斑转换为若干段弧形光斑。通过调整弧形光斑的所对应圆心角角度之和，弧形光斑的面积随之改变。弧形光斑的面积增大，弧形光斑区域的能量增大。对应的，中心光斑区域的能量变低。调节点光斑区域与环形光斑区域的面积，可以通过相应的透镜组合。即，在准直聚焦光路中，增加能够调节点光斑区域与环形光斑区域的面积比的透镜组合，以改变全部或部分激光光束的传播方向，从而实现光斑形态变化的目的。在激光加工系统原光路基础上增加能够调节点光斑区域与环形光斑区域的面积比的透镜组合，可以满足不同应用场景下的加工需求。并且，结构紧凑，对光路长度影响较小。

因此，本申请还提供一种能够改变激光光束传播方向，以调节点光斑区域与环形光斑区域的面积的互补锥形镜组13。在本申请提供的一种具体实施方式中，互补锥形镜组13可用于传播平行激光光束，即入射到互补锥形镜组13的光束为平行激光光束，包括：

负锥形镜131；

与所述负锥形镜131配对并相对所述负锥形镜131可同轴旋转的正锥形镜132；

其中，所述负锥形镜131包括：第一核心区1311；与所述第一核心区1311相邻接的负锥形台区1312；

所述正锥形镜132包括：对应所述第一核心区1311、用于实现中心光斑的第二核心区1321；邻接于所述第二核心区1321，并与所述负锥形台区1312对应的正锥形台区1322。

负锥形镜131包括：第一核心区1311；与第一核心区1311相邻接的负锥形台区1312。这里的第一核心区1311可以理解为不改变平行激光光束传播方向的区域。即，平行的激光光束经负锥形镜131的第一核心区1311传播，传播方向不改变。在实际应用中，第一核心区1311可以为负锥形镜131中光束入射面与出射面平行的区域，或在激光光束传播方向虚拟的、无任何实体的镂空区域。这里的负锥形台区1312可以理解为在光束传播方向、高于第一核心区1311光束出射面的锥形面所在区域。锥形面与第一核心区1311之间的夹角可根据实际情况进行设计。这里的邻接，可以理解为第一核心区1311与负锥形台区1312在空间上呈连接关系。

需要指出的是负锥形台区1312的锥形面并非连续的圆锥面。即，负锥形台区1312边缘弧线对应的圆心角并非360°。也即，负锥形台区1312在平行激光光束传播方向上的投影并非为圆形，而是呈扇形。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，负锥形镜131还包括：与负锥形台区1312相邻的边缘区1313。这里设置边缘区1313，能够方便负锥形镜131的加工与保护。可以理解为负锥形镜131中与负锥形台区1312不共面的区域。由于边缘区1313出射面相较于负锥形台区1312不共面，即边缘区1313延伸面相较于第一核心区1311出射面夹角与负锥形台区1312相较于第一核心区1311出射面夹角不同，则平行的激光光束在边缘区1313出射面的传播方向与负锥形台区1312出摄的激光光束传播方向不同。若边缘区1313延伸面相较于第一核心区1311出射面夹角小于负锥形台区1312相较于第一核心区1311出射面夹角，即边缘区1313延伸面相较于第一核心区1311出射面倾斜度增大，则经边缘区1313出射的激光光束的传播更为扩散。若边缘区1313延伸面相较于第一核心区1311出射面夹角大于负锥形台区1312相较于第一核心区1311出射面夹角，即边缘区1313延伸面相较于第一核心区1311出射面倾斜度减小，则经边缘区1313出射的激光光束的传播较为收敛若。若边缘区1313平行于第一核心区1311，则光束的传播方向相较于入射光线不变。

在本申请提供的一种优选的实施方式中，边缘区1313所位于的平面垂直于所述负锥形镜131的轴线，即边缘区1313平行于第一核心区1311。经边缘区1313出射的光束，其传播方向不变。这样，便于负锥形镜131在镜头中的安装，且防止了其加工过程总的崩边现象，提高了负锥形镜131加工良率。

正锥形镜132包括：对应第一核心区1311、用于实现中心光斑的第二核心区1321；邻接于第二核心区1321，并与所述负锥形台区1312对应的正锥形台区1322。这里的第二核心区1321可以理解为与第一核心区1311相邻且尺寸相当、不改变平行激光光束传播方向的区域。即，经第一核心区1311传播的平行激光光束经正锥形镜132的第二核心区1321传播，传播方向仍不改变。在本申请提供的一种具体实施方式中，第二核心区1321与第一核心区1311在平行激光光束传播方向上的投影重叠。在实际应用中，第二核心区1321可以为与第一核心区1311相邻且尺寸相当的、光束入射面与出射面平行的区域，或在平行激光光束传播方向上虚拟的、无任何实体的镂空区域。第二核心区1321与第一核心区1311之间的缝隙大小相对于整个光路长度影响较小，可以忽略不计。一般来讲，预留小于1mm的缝隙，以防止负锥形镜131及正锥形镜132划伤。这里的正锥形台区1322可以理解为在光束传播方向、与负锥形台区1312互补的锥形面所在区域。需要指出的是，互补指正锥形台区1322与负锥形台区1312重叠时，两者之间所呈现的空间关系。这里的邻接，可以理解为第二核心区1321与正锥形台区1322在空间上呈连接关系。正锥形台区1322锥形面与第二核心区1321之间的夹角可根据负锥形台区1312与第一核心区1311的夹角进行设计。这里的正锥形台区1322的锥形面并非连续的圆锥面。即，正锥形台区1322边缘弧线对应的圆心角并非360°。也即，正锥形台区1322在平行激光光束传播方向上的投影并非为圆形，而是呈扇形。正锥形台区1322锥形面可根据负锥形台区1312锥形面进行设计，保证正锥形镜132能够相对于负锥形镜131同轴旋转即可。

在本申请提供的一种具体实施方式中，负锥形镜131入射面垂直于光束传播方向；正锥形镜132出射面垂直于光束传播方向。并且，负锥形镜131与正锥形镜132之间设有便于镜片旋转的空间。

具体的，负锥形镜131入射面垂直于光束传播方向，即，第一核心区1311、负锥形台区1312、边缘区1313在平行激光光束传播方向上的投影共同构成了负锥形镜131的入射面。这时，经第一核心区1311传播的激光光束，由于其出射面与入射面平行，激光光束传播方向不变。经负锥形台区1312传播的激光光束，由于其出射面与入射面之间存在一定的夹角，激光光束发散。

正锥形镜132出射面垂直于光束传播方向，即，在平行激光光束的传播方向上，正锥形镜132的出射面与负锥形镜131的入射面平行。换句话说，第二核心区1321、正锥形台区1322在平行激光光束传播方向上的投影共同构成了正锥形镜132的入射面。正锥形镜132的入射面为与第一核心区1311对应的第二核心区1321，以及与负锥形台区1312对应的正锥形台区1322。由于第二核心区1321与第一核心区1311对应，则由第一核心区1311出射的平行激光光束经第二核心区1321的传播，激光光束的传播方向不变。并且，经由正锥形台区1322入射的激光光束，能够会聚。

需要指出的是，负锥形台区1312以及正锥形台区1322正在平行激光光束传播方向上的投影并非为圆形，而是呈扇形。并且，由于负锥形镜131与正锥形镜132之间能够旋转，则通过旋转负锥形镜131或正锥形镜132能够调节两者之间的夹角。为了减小正锥形镜132与负锥形镜131之间旋转空隙对激光光束传播的影响，并保证正锥形镜132与负锥形镜131能够稳定旋转，在本申请提供的一种优选的实施方式中，负锥形台区1312和所述正锥形台区1322的锥度大小数值相等。并且，为了保证正锥形镜132与负锥形镜131对激光光束的传播效果相同，在本申请提供的一种优选的实施方式中，负锥形镜131和所述正锥形镜132使用对光折射系数相同的材料制成。负锥形镜131和所述正锥形镜132的具体折射系数可根据实际情况进行选取。

可以理解的是，负锥形镜131与正锥形镜132的相对位置，决定了经由互补锥形镜组13出射的激光光束传播方向。旋转负锥形镜131或正锥形镜132调节两者之间的夹角时，第一核心区1311以及第二核心区1321的相对位置不会发生改变。

当负锥形镜131与正锥形镜132重合时，两者之间的旋转角为0°。此时，负锥形台区1312以及正锥形台区1322在平行激光光束传播方向上的投影重叠。由于负锥形镜131入射面为垂直于光束传播方向的平面，正锥形镜132出射面为垂直于光束传播方向的平面，则互补锥形镜组13的入射面与出射面平行。且两者之间的间距较小，则相当于在光路中插入平行平板。入射光为平行光束时，并不会改变传播方向。此时，经准直镜12出射的部分平行激光光束由互补锥形镜组13传播。由于负锥形台区1312以及锥形台区正在平行激光光束传播方向上的投影呈扇形，则平行激光光束还存在一部分未经互补锥形镜组13传播的激光光束。这一部分激光光束不会改变传播方向。综上可知，当负锥形镜131与正锥形镜132重合时，经准直镜12出射的平行激光光束的传播方向并不会改变。

以负锥形镜131与正锥形镜132重合的位置为起点，绕轴线向任意方向旋转互补锥形镜组13中的任一镜片，负锥形镜131与正锥形镜132之间的夹角发生变化。在旋转过程中，若负锥形镜131与正锥形镜132之间仍存在部分重叠区域，则经该重叠区域传播的平行激光光束的传播方向不变。此时，负锥形镜131与正锥形镜132分别存在部分未重叠的区域，负锥形台区1312以及锥形台区正在平行激光光束传播方向上的投影部分重叠。即，互补锥形镜组13的入射面除负锥形镜131的入射面之外还包括正锥形镜132的部分正锥形台区1322；互补锥形镜组13的出射面除正锥形镜132的出射面之外还包括负锥形镜131的部分负锥形台区1312。这时，平行激光光束存在部分直接入射到为重叠部分的正锥形台区1322，光束会聚。经准直镜12出射的平行激光光束还存在一部分直接由为重叠部分的负锥形台区1312出射，光束发散。需要注意的是，入射的平行激光光束仍可能存在部分未经互补锥形镜组13传播的部分。这一部分激光光束不会改变传播方向。综上可知，当负锥形镜131与正锥形镜132经旋转，存在部分重叠区域时，平行激光光束由互补锥形镜组13传播后，会分别得到相较于原平行光束呈会聚、发散以及平行状态的激光光束。

在旋转过程中，若负锥形镜131与正锥形镜132之间未存在重叠区域，即，负锥形台区1312以及正锥形台区1322在平行激光光束传播方向上的投影无重叠区域。此时，互补锥形镜组13的入射面除负锥形镜131的入射面之外还包括正锥形镜132的正锥形台区1322；互补锥形镜组13的出射面除正锥形镜132的出射面之外还包括负锥形镜131的负锥形台区1312。这时，平行激光光束存在部分直接入射到正锥形台区1322，光束会聚。平行激光光束还存在一部分直接由负锥形台区1312出射，光束发散。需要注意的是，平行激光光束仍可能存在部分未经互补锥形镜组13传播的部分。这一部分激光光束不会改变传播方向。由于旋转负锥形镜131或正锥形镜132调节两者之间的夹角时，第一核心区1311以及第二核心区1321的相对位置不会发生改变，则通过第一核心区1311以及第二核心区1321传播的激光光束的传播方向不变，仍为平行光束。综上可知，当负锥形镜131与正锥形镜132经旋转，不存在重叠区域时，平行激光光束由互补锥形镜组13传播后，会分别得到相较于原平行光束呈会聚、发散、平行的激光光束。

平行激光光束由任一状态的互补锥形镜组13传播，可入射到聚焦镜14。需要指出的是，入射到聚焦镜14的激光光束除由互补锥形镜组13出射的激光光束之外，还可能包括未经互补锥形镜组13传播的平行激光光束。聚焦镜14设置于激光传播方向与所述互补锥形镜组13同轴分布，并相邻于所述互补锥形镜组13出射面。即，聚焦镜14与互补锥形镜组13同轴分布，且聚焦镜14的入射面与互补锥形镜组13中的正锥形镜132相邻。聚焦镜14主要用于实现经互补锥形镜组13出射的激光光束聚焦。在实际应用中，聚焦镜14一般为凸透镜。光线经凸透镜传播时，经过光心的光线传播方向不变；与主光轴平行的光线折射后过其焦点；经过焦点的光线折射后平行于主光轴。若聚焦镜14的入射光束为平行光束，经聚焦镜14的传播，最终得到能量集中的光斑。

在本申请提供的一种具体实施方式中，当负锥形镜131与正锥形镜132重合，经互补锥形镜组13出射的光束入射到聚焦镜14时，得到能量集中的光斑。光斑的大小通过调整待加工工件表面与聚焦镜14之间的距离实现。这里聚焦镜14的具体制备材料以及形状可根据实际情况灵活选取。

可以理解的是，当负锥形镜131与正锥形镜132经旋转，分别得到相较于准直镜12出射的平行光束呈会聚、发散以及平行状态的激光光束。其中，相较于平行光束呈平行状态的激光光束，经聚焦镜14传播，可在工作面得到得到点光斑。即，当负锥形镜131与正锥形镜132部分重叠时，通过互补锥形镜组13重叠部分传播的光束经聚焦镜14传播形成中心光斑。或者，未经互补锥形镜组13传播的部分平行激光光束经聚焦镜14传播也会形成中心光斑。相较于平行光束呈发散状态的激光光束，经聚焦镜14传播，可在工作面得到两个对称的弧形光斑。相较于平行光束呈会聚状态的激光光束，经聚焦镜14传播，光束先会聚在焦点处，继续传播时，光束发散。当工作面位于焦点后方时，可在工作面得到与上述尺寸相同的两个对称的弧形光斑。值得注意的是，负锥形镜131与正锥形镜132的旋转角度不同时，可以得到不同大小的弧形光斑。这里得到的弧形光斑的长度由负锥形台区1312及正锥形台区1322的圆心角设计值决定。

具体的，当负锥形镜131与正锥形镜132的重叠部分较多时，得到的弧形光斑面积较小。此时，弧形光斑区域与点光斑区域的面积比较小，中心光斑能量高，弧形光斑能量低。当负锥形镜131与正锥形镜132的重叠部分较少时，得到的弧形光斑面积较大。这里弧形光斑面积的变化主要体现在弧形光斑的弧形长度参数的变化，其在半径方向上的宽度值并无变化。此时，弧形光斑区域与点光斑区域的面积比较大，中心光斑能量低，弧形光斑能量高。另外，弧形光斑的外径尺寸由负锥形台区1312与第一核心区1311的夹角、正锥形台区1322与第二核心区1321的夹角决定。负锥形台区1312与第一核心区1311之间的夹角越大，正锥形台区1322与第二核心区1321的夹角也越大，弧形光斑偏移的角度则越大。此时，在焦距、工作距离一定的条件下，环形光斑的外径越大。可以根据实际使用方法和需求设计负锥形台区1312与第一核心区1311的夹角以及正锥形台区1322与第二核心区1321的夹角。

经试验表明，弧形光斑与点光斑之间的能量分配与透过光束面积比相关，能量与角度变化呈线性关系。

例如，当负锥形镜131与正锥形镜132部分重叠时，通过互补锥形镜组13重叠部分传播的光束经聚焦镜14传播形成中心光斑。若聚焦镜14出射的所有激光光束的全部能量百分比100％，通过该部分的光束占比50％，则理论上边缘与中心能量比为1:1。负锥形镜131与正锥形镜132在平行激光光束的传播方向上的投影的重叠面积包括：第一核心区1311与第二核心区1321的重叠面积；负锥形台区1312与正锥形台区1322在平行激光光束的传播方向上的投影的重叠面积。其中，负锥形台区1312与正锥形台区1322在平行激光光束的传播方向上的投影的重叠面积与重叠扇形对应的角度有关。第一核心区1311与第二核心区1321面积大小可根据中心光斑的能量需求设计，可设计为圆形。并且，第一核心区1311与第二核心区1321的重叠面积不随着负锥形镜131与正锥形镜132的旋转角度改变。

在本申请提供的一种优选实施方式中，负锥形台区1312及正锥形台区1322在平行激光光束的传播方向上投影得到的扇形对应的圆心角之和为360°，即负锥形台区1312以及正锥形台区1322边缘弧线对应的圆心角之和为360°。这样，当负锥形镜131与正锥形镜132旋转至一定角度时，负锥形台区1312及正锥形台区1322在平行激光光束的传播方向上投影为圆形。此时，能够在工件表面得到完整的环形光斑。随着负锥形镜131与正锥形镜132的旋转，负锥形台区1312及正锥形台区1322在平行激光光束的传播方向上投影随之变化，呈若干扇形分布。此时，能够在工件表面得到若干段弧形光斑。这样，能够在工件表面得到多种不同形态的光斑，可根据实际加工场景进行灵活切换。

进一步的，在本申请提供的一种优选的实施方式中，负锥形镜131包括：中心对称的两个扇区；每个扇区弧度为预设角度。这里的中心对称的两个扇区即负锥形镜131在平行激光光束的传播方向上投影包括两个中心对称的扇形。在本申请提供的一种具体实施方式中，每个扇区弧度为90度，即负锥形镜131在平行激光光束的传播方向上的扇形投影对应的圆心角为90°。此时，对应的，正锥形镜132包括中心对称的两个扇区，且每个扇区弧度为90度。

当正锥形镜132负锥形镜131全部重叠时，经互补锥形镜传播的光束传播方向不变。此时，互补锥形镜组13在在平行激光光束的传播方向的投影包括中心对称的两个扇区，每个扇区弧度为90度。在聚焦镜14的作用下，经互补锥形镜组13出射的激光光束最终在工件表面形成点光斑。

将正锥形镜132或负锥形镜131中的任一锥形镜旋转90度时，正锥形镜132与负锥形镜131无重叠区域时，互补锥形镜组13在在平行激光光束的传播方向的投影为圆形，包括四个扇区，每个扇区弧度为90度。此时，除第一核心区1311与第二核心区1321重合，正锥形镜132与负锥形镜131其余部分完全分开。互补锥形镜组13的入射面为负锥形镜131的入射面以及正锥形镜132的正锥形台区1322。经负锥形镜131的入射面入射的激光光束，由负锥形台区1312射出，并入射到聚焦镜14。经聚焦镜14的传播，最终在工件表面形成两个对称的四分之一圆弧形光斑。经正锥形镜132的正锥形台区1322入射的激光光束，由正锥形镜132的出射面射出，并入射到聚焦镜14。经聚焦镜14的传播，光束先会聚在焦点处，继续传播时，光束发散。当工作面位于焦点后方时，可在工件表面形成与上述尺寸相同的两个对称的四分之一圆弧形光斑。值得注意的是，经由第一核心区1311入射的光束，经第二核心区1321射出，光束传播方向不变。经聚焦镜14的传播，最终在工件表面形成点光斑。四个四分之一弧形光斑形成一个完整的环形光斑，与中心点光斑一起构成点环形光斑。

将正锥形镜132或负锥形镜131中的任一锥形镜旋转为0°-90°度之间的任一角度时，例如60°，正锥形镜132与负锥形镜131部分重叠。互补锥形镜组13在平行激光光束的传播方向的投影为扇形。此时，除第一核心区1311与第二核心区1321重合，负锥形台区1312与正锥形台区1322存在30°角的重叠区域。平行激光光束经重叠区域(包括第一核心区1311、第二核心区1321)的传播，出射光线仍为平行光束，并入射到聚焦镜14。经聚焦镜14的传播，这一部分光束最终在工件表面形成点光斑。平行激光光束经互补锥形镜组13中不重叠区域的传播，最终在工件表面形成四段不连续的弧形光斑。每一弧形光斑对应的圆心角为60°，与正/负锥形镜的旋转角度相同。通过不断调整正锥形镜132或负锥形镜131中的任一锥形镜旋转角度，可以得到呈不同分布状态的弧形光斑，从而满足不同应用场景下的不同需求。

需要指出的是，将正锥形镜132以及负锥形镜131设计为中心对称的两个扇区，且每个扇区弧度为90度，可以利用最少的镜片实现圆形光斑与弧形光斑的切换，对光路长度影响较小，结构紧凑。

进一步的，在本申请提供的一种优选的实施方式中，负锥形镜131包括：两个分立的子镜；每个子镜具有弧度为预设角度的一个扇区；两个子镜中心对称分布。这里的分立可以理解为负锥形镜131中的两个子镜之间不同在共同的连接部。在本申请提供的一种具体实施方式中，所述预设角度为90°。此时，这两个子镜在平行激光光束的传播方向上的投影为呈中心对称、无连接关系的两个扇区，每个扇区的弧度为90°。这里负锥形镜131中两个分立的子镜可以通过固定于同一镜筒实现其中心对称分布的空间关系。两个子镜的入射面共面，位于同一个垂直于光轴的平面内。对应的，正锥形镜132包括中心对称的两个扇区，且每个扇区弧度为90度；两个子镜中心对称分布。同样的，正锥形镜132中两个分立的子镜也可以通过固定于同一镜筒，实现其中心对称分布的空间关系。并且，正锥形镜132中两个分立的子镜的入射面共面，位于同一个垂直于光轴的平面内。此时，第一核心区1311、第二核心区1321可以理解为在平行激光光束的传播方向上虚拟的、无任何实体的区域，为一圆孔，圆孔中心线与光束轴线重合圆孔中心线与光束轴线重合。

当正锥形镜132负锥形镜131全部重叠时，经互补锥形镜传播的光束传播方向不变。此时，互补锥形镜组13在平行激光光束的传播方向的投影为呈中心对称、无连接关系的两个扇区，每个扇区的弧度为90°。在聚焦镜14的作用下，经互补锥形镜组13出射的激光光束最终在工件表面形成点光斑。

将正锥形镜132或负锥形镜131中的任一锥形镜旋转90度时，正锥形镜132与负锥形镜131无重叠区域时，互补锥形镜组13在平行激光光束的传播方向的投影为圆形，包括四个扇区，每个扇区弧度为90度。此时，正锥形镜132与负锥形镜131完全分开。互补锥形镜组13的入射面为负锥形镜131的入射面以及正锥形镜132的正锥形台区1322。经负锥形镜131的入射面入射的激光光束，由负锥形台区1312射出，并入射到聚焦镜14。经聚焦镜14的传播，最终在工件表面形成两个对称的四分之一圆弧形光斑。经正锥形镜132的正锥形台区1322入射的激光光束，由正锥形镜132的出射面射出，并入射到聚焦镜14。经聚焦镜14的传播，光束先会聚在焦点处，继续传播时，光束发散。当工作面位于焦点后方时，可在工件表面形成与上述尺寸相同的两个对称的四分之一圆弧形光斑。值得注意的是，经由第一核心区1311入射的光束，经第二核心区1321射出，光束传播方向不变。经聚焦镜14的传播，最终在工件表面形成点光斑。四个四分之一弧形光斑形成一个完整的环形光斑，与中心点光斑一起构成点环形光斑。

将正锥形镜132或负锥形镜131中的任一锥形镜旋转为0°-90°度之间的任一角度时，例如60°，正锥形镜132与负锥形镜131部分重叠。互补锥形镜组13在平行激光光束的传播方向的投影为扇形。此时，负锥形台区1312与正锥形台区1322存在30°角的重叠区域。平行激光光束经重叠区域(包括第一核心区1311、第二核心区1321)的传播，出射光线仍为平行光束，并入射到聚焦镜14。经聚焦镜14的传播，这一部分光束最终在工件表面形成点光斑。平行激光光束经互补锥形镜组13中不重叠区域的传播，最终在工件表面形成四段不连续的弧形光斑。每一弧形光斑对应的圆心角为60°，与正/负锥形镜的旋转角度相同。通过不断调整正锥形镜132或负锥形镜131中的任一锥形镜旋转角度，可以得到呈不同分布状态的弧形光斑，从而满足不同应用场景下的不同需求。

需要指出的是，将正锥形镜132以及负锥形镜131设计为中心对称的、分立子镜，且每个子镜具有弧度为90度的一个扇区，同样可以利用最少的镜片实现圆形光斑与弧形光斑的切换，对光路长度影响较小，结构紧凑。根据实际使用需要，还也可将各子镜依次安装于不同的旋转镜头中，以实现更多的光斑形态变化。但此时，若需得均匀分布的光斑，需同时旋转至少两个子镜。

在实际应用中，正/负锥形镜中子镜的个数，还可以根据对输出激光光斑的实际需要设计。但是，为了保证能够实现圆环形与弧形光斑的灵活切换，应保证正锥形镜132与负锥形镜131中所有子镜在平行光束的传播方向上的投影所对应扇区的弧度角之和为360度。为了得到若干均匀分布弧形段光斑，以保证激光能量均匀分布，可以将正/负锥形镜中的相邻子镜之间的夹角设为同一角度。在本申请提供的一种优选的实施方式中，负锥形镜131还可以由预设数量的分立的子镜构成；并且每个子镜具有弧度为预设角度的一个扇区。例如，负锥形镜131由三个分立的子镜构成；每个子镜具有弧度为60度的一个扇区；三个子镜中心对称分布。这样，能够得到更多种不同类型的输出光斑，给使用者提供更多样的选择。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种激光加工系统，其特征在于，包括：

激光发生装置，在激发状态产生光源；

准直镜，所述准直镜的焦点与所述激光发生装置的光源共直线；

设置于激光传播方向、与所述准直镜相邻并同轴分布的互补锥形镜组；

设置于激光传播方向与所述准直镜同轴分布，并相邻于所述互补锥形镜组与所述准直镜相邻一侧相对的另一侧的聚焦镜；

其中，所述互补锥形镜组包括：

负锥形镜；

与所述负锥形镜配对并相对所述负锥形镜可同轴旋转的正锥形镜；

所述负锥形镜包括：

第一核心区；

与所述第一核心区相邻接的负锥形台区；

所述正锥形镜包括：

对应所述第一核心区、用于实现中心光斑的第二核心区；

邻接于所述第二核心区，并与所述负锥形台区对应的正锥形台区。

2.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述负锥形镜还包括：

与所述负锥形台区相邻的边缘区。

3.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述负锥形台区和所述正锥形台区的锥度大小数值相等。

4.如权利要求3所述的激光加工系统，其特征在于，所述负锥形镜包括：

中心对称的两个扇区；

每个扇区弧度为预设角度。

5.如权利要求3所述的激光加工系统，其特征在于，所述负锥形镜包括：

两个分立的子镜；

每个子镜具有弧度为预设角度的一个扇区；

两个子镜中心对称分布。

6.如权利要求3所述的激光加工系统，其特征在于，所述负锥形镜由预设数量的分立的子镜构成；

每个子镜具有弧度为预设角度的一个扇区。

7.一种互补锥形镜组，用于激光加工系统，其特征在于，包括：

负锥形镜；

与所述负锥形镜配对并相对所述负锥形镜可同轴旋转的正锥形镜；

其中，所述负锥形镜包括：

第一核心区；

与所述第一核心区相邻接的负锥形台区；

所述正锥形镜包括：

对应所述第一核心区、用于实现中心光斑的第二核心区；

邻接于所述第二核心区，并与所述负锥形台区对应的正锥形台区。

8.如权利要求7所述的互补锥形镜组，其特征在于，所述负锥形镜还包括：

与所述负锥形台区相邻的边缘区。

9.如权利要求7所述的互补锥形镜组，其特征在于，所述负锥形台区和所述正锥形台区的锥度大小数值相等。

10.如权利要求9所述的互补锥形镜组，其特征在于，所述负锥形镜包括：

中心对称的两个扇区；

每个扇区弧度为预设角度。

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