CN219786949U - 一种复合激光器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种复合激光器，依次包括激光器、准直器、分束镜和聚焦透镜，所述分束镜至少包括环形透镜。所述激光器的输出光路上设置准直器，准直器用于将激光器发出的激光调整为准直平行光，所述准直器的输出光路上设置分束镜，分束镜用于将准直器输出的准直平行激光束进行分束，一部分通过分束镜的环形光透镜被扩束放大为环形光束，另一部分通过聚焦镜聚焦为中央光束。该中央光束用于对工件进行激光加工，环形光束用于对工件进行辅助加热。上述结构设计使得本申请提供的复合激光器既成本低廉，又可以减轻激光加工过程中出现工件卷曲、飞溅、气泡和裂纹等问题。

Description

一种复合激光器

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，更具体地，涉及一种复合激光器。

背景技术

近年来，随着激光加工技术不断发展，在工业加工领域，激光加工被越来越多的广泛应用，同时，对激光加工技术也不断提出了更高的要求。

传统激光加工的激光束一般是高斯分布；在激光束是高斯分布的情况下，加工中心的温度过高，导致加工过程中易产生飞溅而损坏加工工件周围的电子元件，同时，由于加工过程中加工中心和周围出现较大温度差，形成温度梯度，使得工件受热不均匀，导致工件容易出现变形、气泡以及裂纹等各种问题。

为了解决上述问题，当前，激光器厂商通常需要在原有的激光器的基础上额外设置一种环形光辅助加工系统，对原有激光器进行辅助，即在原加工位置外围形成一环形加热场，降低温度梯度，以减轻出现飞溅、气泡和裂纹等问题。

当前较为常见的环形光辅助加工系统包括两种，一种是直接另外再设置一个环形光激光器，形成环形光斑进行辅助加工；还有一种是IPG创设的具有环形光纤的激光器加工系统，具体为所述激光器的光纤结构包括中心光纤和环形光纤两部分，通过激光器分别控制中心光纤和环形光纤形成中央光束和环形光束，中央光束进行激光加工，环形光束进行辅助加工。以上两种常见的激光加工系统均较为复杂，生产成本较高。

基于此，有必要发明一种结构简单、成本低廉、操控方便的复合激光器，同样也可以减轻激光加工过程中出现工件卷曲、飞溅、气泡和裂纹等问题。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种复合激光器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：一种复合激光器，依次包括激光器、准直器、分束镜和聚焦透镜，所述分束镜至少包括环形透镜。所述激光器的输出光路上设置准直器，准直器用于将激光器发出的激光调整为准直平行光，所述准直器的输出光路上设置分束镜，分束镜用于将准直器输出的准直平行激光束进行分束，一部分通过分束镜的环形透镜被扩束放大为环形光束，另一部分通过聚焦透镜聚焦为中央光束。该中央光束用于对工件进行激光加工，环形光束用于对工件进行辅助加热。

本申请的特别之处在于，所述分束镜的环形透镜中心具有通孔，为外侧厚，内侧薄的透镜结构，即整体为由外向内逐渐减薄的透镜结构，上述结构将有利于将环形光束进行扩束，与中央光束分离开，分离形成两部分的光束。上述结构设计，通过环形光束形成辅助加热场，使得激光加工位置与其周围位置的温度梯度降低，进而，使得本申请提供的复合激光器既成本低廉，又可以减轻激光加工过程中出现工件卷曲、飞溅、气泡和裂纹等问题。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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获得其他的附图。

图1为本申请提供的复合激光器的第一结构示意图；

图2为本申请提供的复合激光器的分束镜的第一结构示意图；

图3为本申请提供的复合激光器的第二结构示意图；

图4为本申请提供的复合激光器的分束镜的第二结构示意图；

图5为本申请提供的复合激光器的环形透镜的第一结构示意图；

图6为本申请提供的复合激光器的第三结构示意图；

图7为本申请提供的复合激光器的第四结构示意图。

附图标记：1、激光器，2、准直器，3、分束镜，4、聚焦透镜，5、工件，6、第一反射镜，7、第二反射镜，8、分光镜，81、分光孔，31、环形透镜，32、中央分透镜，L、准直平行光，L1、环形光束，L2、中央光束。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是对本申请权利范围的限制。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。

请参阅图1，图1为本申请提供的复合激光器的第一结构示意图，该复合激光器，依次包括激光器1、准直器2、分束镜3和聚焦透镜4，所述分束镜3至少包括环形透镜31。所述激光器1的输出光路上设置准直器2，准直器2用于将激光器1发出的激光调整为准直平行光L，所述准直器2的输出光路上设置分束镜3，分束镜3用于将准直器2输出的准直平行激光束进行分束，一部分通过分束镜3的环形透镜31被扩束放大为环形光束L1，另一部分通过聚焦透镜4聚焦为中央光束L2。上述的中央光束L2用于激光加工，环形光束L1用于辅助加热，即环形光束L1在中央光束L2加工点的外围形成一环形辅助加热场，此处的激光加工可以导致工件5达到熔融状态，而辅助加热不能导致工件5达到熔融状态，但也可以对工件5进行一定材料改性。(需要说明的是，此处的“环形”不限定为圆环，也可能为椭圆环，或者其他近似圆形、椭圆形、圆环、椭圆环的其他形状)，降低温度梯度，以减轻出现飞溅、气泡和裂纹等问题。

请参阅图2，图2为本申请提供的复合激光器的分束镜的第一结构示意图，本申请的分束镜3的环形透镜31中心具有通孔，整体为外侧厚，内侧薄的透镜结构，即整体为由外向内逐渐由h1逐渐减薄至h2的厚度。此外，变薄的透镜结构，上述结构将有利于将环形光束L1进行扩束，与中央光束L2分离开，根据实际生产加工对扩束的需求可以对h1和h2的厚度值进行具体设计。需要说明的是，“此处的由外向内逐渐变薄”，在细分结构上，并非靠近外边缘的一定比靠近内边缘的薄，而是一种整体的变化趋势。

在可选的实施例中，所述分束镜3的环形透镜31可在光路输出方向上前后移动，此时，经过环形透镜31的环形光束L1落在工件5上的光斑大小也将随之变化，进而控制环形光束L1作用于工件5上的能量，以及产生的合适的加热场的温度。

在可选的方案中，环形光束L1在工件5上的光斑的直径为D(若环形光束L1在工件5上的光斑为椭圆或者近似椭圆形状，此处的D可以理解为包括长轴方向直径D1和短轴方向直径D2)，中央光束L2在工件5上的光斑的直径为d，为了得到较好的辅助加热场，需要满足2d≤D≤10d。

请参阅图3，图3为本申请提供的复合激光器的第二结构示意图，为本申请的优选的实施例，该复合激光器的中央光束L2的焦点f2作用于工件5上，以满足最强的加工效果，而环形光束L1的焦点f1不是作用于工件5上，且可选的情形为，当工件5为薄层金属材料时，焦点f1位于聚焦透镜4和工件5之间，将产生更佳的加工效果；当工件5为厚层金属材料时，f1位于工件5远离聚焦透镜4的一侧，也将产生更佳的加工效果。

在可选的实施例中，所述分束镜3还可以包括中央分透镜32，所述中央分透镜32位于环形透镜31的通孔中，中央分透镜32不对中央光束L2进行扩散，即可以对中央光束L2进行聚焦或者保持平行光状态。根据已有实验发现双次聚焦有利于减轻衍射或者干涉问题，得到质量更好的光斑。

在可选的实施例中，所述分束镜3的环形透镜31和中央分透镜32为可分离设置。

请参阅图4，图4为本申请提供的复合激光器的分束镜的第二结构示意图，本实施例的分束镜3的环形透镜31在图2的环形透镜31的基础上还可以具有多条环形凹凸微结构。由于环形光束L1在后方还需要经过聚焦透镜4进行聚焦，图2所示的分束镜3对准直平行光L分束得到的环形光束L1或者中央光束L2在聚焦后会发生衍射或者干涉问题，形成不可控的多个中心点的光斑，甚至影响中央光束L2的光斑质量，也难以形成温度均匀的辅助加热场，不利于得到理想的辅助加热场，或者不利于工件加工。本实施例的分束镜3的环形透镜31相比图2结构的环形透镜31，本实施例的环形透镜31具有多条环形凹凸微结构，所形成的光斑将被匀化处理，使得辅助加热场的温度更均匀。

请参阅图5，图5为本申请提供的复合激光器的环形透镜的第一结构示意图，本实施例的环形透镜31的内侧和外侧在顺时针旋转时也表现出一个从薄(h4)至厚(h3)，再从厚(h3)至薄(h4)的结构变化过程。该结构设计是为了控制环形光束L1作用在工件5上的光斑位置，以及光斑形状。所述环形透镜31可以以准直平行光L输出方向为旋转轴进行旋转，在旋转过程中，环形光束L1作用在工件5上的光斑的中心可以与中央光束L2作用在工件5上的光斑的中心相偏离，在实际应用中，可以将环形光束L1作用在工件5上的光斑的中心相比中央光束L2作用在工件5上的光斑的中心更靠近预加工方向一侧的工件位置，且当前越来越多的激光加工是非直线加工形式，即越来越多的激光加工要求在工件5上走曲线或者无规律的复杂线路，例如“8”、“S”等线路，本实施例的环形透镜31旋转时，通过控制机构灵活控制旋转与加工线路匹配，靠近预加工方向一侧的厚度可以变薄或者变厚，这种灵活的结构变化能力可以使得环形光束L1提前对工件5进行预热，更好地减轻激光加工过程中出现工件卷曲、飞溅、气泡和裂纹等问题。根据实际生产加工对环形光束L1作用在工件5上的光斑的中心和中央光束L2作用在工件5上的光斑的中心的偏离量的需求可以对h3和h4的厚度值进行具体设计。

请参阅图6，图6为本申请提供的复合激光器的第三结构示意图，该复合激光器，在图1的复合激光器的基础上，还包括第一反射镜6和第二反射镜7，所述第一反射镜6和第二反射镜7位于分束镜3和聚焦透镜4之间，且通过上述第一反射镜6和第二反射镜7的摆动或者移动可以控制所述环形光束L1和中央光束L2在工件5上的至少两个不同的轴线上移动。

优选的方案中，所述第一反射镜6和第二反射镜7控制所述环形光束L1和中央光束L2进行移动的轴线相互垂直。

请参阅图7，图7为本申请提供的复合激光器的第四结构示意图，该复合激光器，在图1的复合激光器的基础上，还包括分光镜8，所述分光镜8位于准直器2和聚焦透镜4之间(本实施例中分光镜8位于分束镜3和聚焦透镜4之间，在其他实施例中，分光镜8也可以位于准直器2和分束镜3之间)，所述分光镜8为圆环型结构，中央具有分光孔81，在分光镜8内侧的分光孔81上设有反射膜，所述分光镜8可以在光路方向上前后偏转，当分光镜8与中央光束L2输出方向垂直时，中央光束L2可以全部经过分光孔81输出至下一个光学器件，当分光镜8偏转至与中央光束L2输出方向非垂直时，部分中央光束L2被分光孔81上的反射膜反射，然后，该部分被反射的光束绝大部分偏转至环形光束L1所包含的输出方向，偏转角度不同，影响的中央光束L2的比例也不同，即通过分光镜8的偏转可以对最终发生辅助加热的环形光束L1和激光加工的中央光束L2所占比例进行再次灵活分配。

在可选的方案中，本申请提供的复合激光器还包括一个温度反馈调节机构(图上未示出)，该温度反馈调节机构可以通过红外探测的方式探测工件5的加工位置和温度辅助场位置的温度，且可以根据实时温度反馈至控制机构对环形光束L1和中央光束L2进行调节，以满足对工件5的良好的加工要求。

在可选的方案中，本申请提供的复合激光器还包括一个移动台(图上未示出)，所述移动台用于将所述环形光束L1和中央光束L2和所述工件5相对于彼此至少在两个不同的轴线上移动。

在优选的方案中，所述第一反射镜6和第二反射镜7和移动台可以同时存在，并同时控制环形光束L1、中央光束L2和所述工件5相对于彼此至少在两个不同的轴线上移动。但所述第一反射镜6和第二反射镜7仅控制环形光束L1和中央光束L2在小角度范围摆动或者移动，如2～5度的角度范围内，所述移动台则可以控制环形光束L1和中央光束L2和所述工件5相对于彼此至少在两个不同的轴线上大范围移动。因为，所述第一反射镜6和第二反射镜7控制环形光束L1和中央光束L2大范围摆动或者移动将大大增加激光器的整体尺寸和重量，会增加生产和使用的成本。

在可选的方案中，本申请所述的复合激光器可以用于激光切割、激光焊接、激光雕刻、激光清洗以及激光增材制造等多种激光加工应用领域。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者器件所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“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、物品或者器件中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，以及对本申请中的各个实施例进行组合，这些改进、修饰和组合也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合激光器，其特征在于,依次包括激光器(1)、准直器(2)、分束镜(3)和聚焦透镜(4)；

所述激光器(1)的输出光路上设置准直器(2)，准直器(2)用于将激光器(1)发出的激光调整为准直平行光(L)，所述准直器(2)的输出光路上设置分束镜(3)，分束镜(3)用于将准直器(2)输出的准直平行激光束进行分束，一部分通过分束镜(3)的环形透镜(31)被扩束放大为环形光束(L1)，另一部分通过聚焦透镜(4)聚焦为中央光束(L2)，上述的中央光束(L2)用于激光加工，环形光束(L1)用于辅助加热；

所述分束镜(3)至少包括环形透镜(31)，所述环形透镜(31)中心具有通孔，整体为外侧厚，内侧薄的透镜结构。

2.根据权利要求1所述的复合激光器，其特征在于,所述分束镜(3)的环形透镜(31)可在光路输出方向上前后移动。

3.根据权利要求1所述的复合激光器，其特征在于,所述分束镜(3)还可以包括中央分透镜(32)，所述中央分透镜(32)位于环形透镜(31)的通孔中，中央分透镜(32)对中央光束(L2)进行聚焦或者保持平行光状态。

4.根据权利要求1所述的复合激光器，其特征在于,所述分束镜(3)的环形透镜(31)具有多条环形凹凸微结构。

5.根据权利要求1所述的复合激光器，其特征在于,所述环形透镜(31)可以以准直平行光(L)输出方向为旋转轴进行旋转，且所述环形透镜(31)的内侧和外侧在顺时针旋转时也表现出从薄至厚，再从厚至薄的结构变化过程。

6.根据权利要求1所述的复合激光器，其特征在于,还包括第一反射镜(6)和第二反射镜(7)，所述第一反射镜(6)和第二反射镜(7)位于分束镜(3)和聚焦透镜(4)之间，且通过第一反射镜(6)和第二反射镜(7)的摆动或者移动控制所述环形光束(L1)和中央光束(L2)在作用的工件(5)上的至少两个不同的轴线上移动。

7.根据权利要求6所述的复合激光器，其特征在于,所述第一反射镜(6)和第二反射镜(7)控制所述环形光束(L1)和中央光束(L2)进行移动的轴线相互垂直。

8.如权利要求1所述的复合激光器，其特征在于，还包括分光镜(8)，所述分光镜(8)位于准直器(2)和聚焦透镜(4)之间，所述分光镜(8)为圆环型结构，中央具有分光孔(81)，在分光镜(8)内侧的分光孔(81)上设有反射膜，所述分光镜(8)在光路方向上前后偏转。

9.如权利要求1所述的复合激光器，其特征在于，还包括一个温度反馈调节机构，通过红外探测的方式探测作用的工件(5)的加工位置和温度辅助场位置的温度，且根据实时温度反馈对环形光束(L1)和中央光束(L2)进行调节。

10.如权利要求1所述的复合激光器，其特征在于，还包括一个移动台，所述移动台用于将所述环形光束(L1)、中央光束(L2)和工件(5)相对于彼此至少在两个不同的轴线上移动。