一种基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统，包括从物侧到像侧顺序布置的消像差准直镜组、第一轴锥透镜、第二轴锥透镜以及消像差聚焦镜组；其中，所述消像差准直镜组、所述第一轴锥透镜、所述第二轴锥透镜以及所述消像差聚焦镜组均为圆形镜片，且光轴同轴；第一轴锥透镜的锥角与第二轴锥透镜的锥角相同，且顶角相背或相向放置。本实用新型专利技术提供的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统采用双片式轴锥透镜将实心光束转换为空心环形光束，通过调节第一轴锥透镜与第二轴锥透镜间距来改变聚焦光束发散角，通过调节消像差聚焦镜组来改变聚焦焦点位置，适用于高功率光纤激光切割应用，可大幅提升中厚板材的切割速度与质量。

An optical system of continuously adjustable focusing beam divergence angle based on axicon lens

The utility model discloses an optical system for continuously adjustable beam divergence angle based on an axicon lens, which comprises an aberration-reducing collimating lens group arranged sequentially from the object side to the image side, a first-axis cone lens, a second-axis cone lens and an aberration-reducing focusing lens group, wherein the aberration-reducing collimating lens group, the first-axis cone lens and the position thereof are arranged. The second axis cone lens and the aberration-reducing focusing lens group are circular lenses, and the optical axis is coaxial; the cone angle of the first axis cone lens is the same as the cone angle of the second axis cone lens, and the top angle is opposite or placed in the opposite direction. The utility model provides a continuous adjustable focusing beam divergence angle optical system based on an axicon lens, which converts a solid beam into a hollow annular beam by using a double-slice axicon lens. The divergence angle of the focusing beam is changed by adjusting the distance between the first axicon lens and the second axicon lens, and the focusing angle is changed by adjusting the group of aberration-reducing focusing mirrors. Focus position, suitable for high power fiber laser cutting applications, can greatly improve the cutting speed and quality of medium and thick plates.

【技术实现步骤摘要】
一种基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统
本技术涉及高功率激光切割
，更具体地说，本技术涉及一种基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统。
技术介绍
激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多种激光加工工艺，利用了激光与物质相互作用的基本特性。由于激光束与加工材料的非接触性、加工速度与质量等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。当前激光切割占了整个激光加工行业的主要地位，其中又以光纤激光切割为首要。光纤激光器除了光束质量好以外，由于光纤柔韧性以及对近红外光束有很好的耦合输出，使得光纤激光器市场占有率日益突出。目前光纤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，甚至于十万瓦级也已经现世，让光纤激光各类加工工艺越加普遍化。光纤激光切割头一般为定焦切割头，也就是准直镜焦距与聚焦镜焦距固定，通过换不同焦距的聚焦镜方式来实现不同厚度板材的切割。不过随着激光功率的增加，ZOOM光学系统也逐渐应用于光纤激光切割头上，原因之一是对于不同厚度、材料的板材，理论上对应一组最佳的焦距配置与切割工艺，以替换聚焦镜的方式，通常效果并未达到最佳，ZOOM光学系统的出现，实现了一套光路替换多组镜片组合的情况。众所周知，对于中厚板材的切割，一般采用离焦切割工艺，比如中厚碳钢采用正离焦加工方式，中厚不锈钢则采用负离焦加工方式，且通常情况下，离焦量均不小，往往超出了聚焦光束焦深范畴。原因之一是板材较厚时，焦点附近光斑较小，切缝太细，切割气体或辅助气体在切割过程中无法完全对板材达到预期作用，以至于切割断面差或无法切割等现象出现。对于ZOOM光学系统而言，中厚板材的切割也受上述工艺制约，换句话说，ZOOM光学系统虽然具备焦点光斑大小连续可调，但在使用上主要还是利用了聚焦光束发散角可调这一特性。另外，实心高斯或类高斯光束由于中心能量密度较高，边缘能量密度较低现象，作用到板材上同等大小的实心光斑边缘能量密度并没有环形光斑边缘能量密度高，切割速度也会相对受限，对此TRUMPF等基于定焦系统下提出环形光斑切割方案，切割速度与质量有更进一步提升，不过聚焦光束无法进行发散角调节，且在激光穿孔中存在镜片交互使用风险等缺陷。
技术实现思路
本技术的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。本技术还有一个目的是提供了一种聚焦光束的发散角可调且聚焦焦点位置可调的适用于高功率光纤激光切割应用的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统。为了实现上述目的，本技术公开了一种基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统，包括从物侧到像侧顺序布置的消像差准直镜组、第一轴锥透镜、第二轴锥透镜以及消像差聚焦镜组；其中，所述消像差准直镜组、所述第一轴锥透镜、所述第二轴锥透镜以及所述消像差聚焦镜组均为圆形镜片，且光轴同轴；所述第一轴锥透镜的锥角与所述第二轴锥透镜的锥角相同，且所述第一轴锥透镜的顶角与所述第二轴锥透镜的顶角相背或相向放置。优选地，所述消像差准直镜组为消像差球面准直镜组，所述消像差聚焦镜组为消像差球面聚焦镜组。优选地，所述第一轴锥透镜固定，所述第二轴锥透镜与所述第一轴锥透镜之间的间距可调，实现聚焦后光束发散角调节。优选地，所述消像差聚焦镜组的焦距大于所述消像差准直镜组的焦距，所述消像差聚焦镜组与所述消像差准直镜组之间的间距可调。所述消像差聚焦镜组焦距较长且沿光轴连续可调，实现聚焦焦点位置调节。优选地，所述消像差准直镜组、所述第一轴锥透镜、所述第二轴锥透镜以及所述消像差聚焦镜组均为熔融石英材料。本技术至少包括以下有益效果：1、本技术提供的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的结构设计新颖，采用双片式轴锥透镜将实心光束转换为空心环形光束，通过调节第一轴锥透镜与第二轴锥透镜间距来改变聚焦光束发散角，通过调节消像差聚焦镜组来改变聚焦焦点位置，适用于高功率光纤激光切割应用，尤其相对于传统定焦光学系统及ZOOM光学系统可大幅提升中厚板材的切割速度与质量。2、本技术提供的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的第二轴锥透镜相对于第一轴锥透镜在光轴上连续可调，调节距离与发散角变化成线性关系，不需要复杂的软件程序来进行控制，同时聚焦光束发散角的变化与聚焦焦点变化是独立关系，两组调节镜片互不影响，大大简化镜片驱动难度。3、本技术提供的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的聚焦光束，在焦点及附近为实心光斑，离焦一定距离后为环形光斑，在中厚板激光切割过程中，可采用焦点光斑对板材进行快速穿孔，再使用离焦光斑对板材进行高速切割，因此穿孔与切割二者兼得。本技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为本技术所述的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的光学元件布置的剖面图。图2为本技术所述的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的光束传输过程的剖面图。图3为本技术所述的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的聚焦光束发散角调节的示意图。图4为本技术所述的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的聚焦焦点位置调节的示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。如图1所示，本技术提供的一种基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统，包括消像差准直镜组1、第一轴锥透镜2、第二轴锥透镜3以及消像差聚焦镜组4。其中，消像差准直镜组1、第一轴锥透镜2、第二轴锥透镜3以及消像差聚焦镜组4均为圆形镜片且光轴同轴，消像差准直镜组1可替换为消像差球面准直镜组，消像差聚焦镜组4可替换为消像差球面聚焦镜组，第一轴锥透镜2与第二轴锥透镜3锥角相同且顶角相背或相向放置。本技术中，所述第一轴锥透镜2固定，第二轴锥透镜3相对第一轴锥透镜2间距连续可调，实现聚焦后光束发散角调节。本技术中，所述消像差准直镜组1焦距较短，所述消像差聚焦镜组4焦距较长且沿光轴连续可调，实现聚焦焦点位置调节。本技术中，所述消像差准直镜组1、第一轴锥透镜2、第二轴锥透镜3以及消像差聚焦镜组4材料均为熔融石英材料。本技术所述的光学系统的光束传输过程如图2所示：在高功率光纤激光器出光点5正入射下，发散光束经过消像差准直镜组1，实现入射光束的准直，从而将入射光束准直为准直光束，准直光束入射经过第一轴锥透镜2后，形成先汇聚后发散的环形光束，环形光束内外直径差不变，发散环形光束再经过第二轴锥透镜3获得平行环形光束，最后由消像差聚焦镜组4聚焦形成聚焦焦点6，聚焦焦点6处光斑为实心高斯光斑，离焦一定距离前后则为环形光斑。如图3所示，本技术所述的光学系统能够实现聚焦光束发散角的调节，具体为：在图2光学传输特性基础上，沿光轴移动第二轴锥透镜3，实现经过第二轴锥透镜3后平行环形光束外径调节，但内外径差值不变，如此经过消像差聚焦镜组4聚焦，实现聚焦光束发散角的变化；对比图2，图3中沿着光轴的方向朝靠近消像差聚焦镜组4的方向移动第二轴锥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统，其特征在于，包括从物侧到像侧顺序布置的消像差准直镜组、第一轴锥透镜、第二轴锥透镜以及消像差聚焦镜组；其中，所述消像差准直镜组、所述第一轴锥透镜、所述第二轴锥透镜以及所述消像差聚焦镜组均为圆形镜片，且光轴同轴；所述第一轴锥透镜的锥角与所述第二轴锥透镜的锥角相同，且所述第一轴锥透镜的顶角与所述第二轴锥透镜的顶角相背或相向放置。

【技术特征摘要】
1.一种基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统，其特征在于，包括从物侧到像侧顺序布置的消像差准直镜组、第一轴锥透镜、第二轴锥透镜以及消像差聚焦镜组；其中，所述消像差准直镜组、所述第一轴锥透镜、所述第二轴锥透镜以及所述消像差聚焦镜组均为圆形镜片，且光轴同轴；所述第一轴锥透镜的锥角与所述第二轴锥透镜的锥角相同，且所述第一轴锥透镜的顶角与所述第二轴锥透镜的顶角相背或相向放置。2.根据权利要求1所述的一种基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统，其特征在于，所述消像差准直镜组为消像差球面准直镜组，所述消像差聚焦镜组为消像差...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵华江，李思佳，李思泉，
申请(专利权)人：上海嘉强自动化技术有限公司，
类型：新型
国别省市：上海,31