形成点环光斑的光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种形成点环光斑的光学系统，包括光纤、锥台形光学偏转元件和光学成像系统；所述锥台形光学偏转元件及所述光学成像系统设置在光纤输出光路上，所述光学成像系统设置在锥台形光学偏转元件前侧和/或后侧；所述光纤发出的光经过锥台形光学偏转元件和所述光学成像系统组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑，本发明专利技术能实现各种光斑结构要求的光学系统，同时构成该系统的元件能够采用传统光学加工技术制造，降低了系统的制造难度，从而能够大大降低系统的制造成本。从而能够大大降低系统的制造成本。从而能够大大降低系统的制造成本。

【技术实现步骤摘要】
形成点环光斑的光学系统


[0001]本专利技术属于激光加工领域，特别涉及形成点环光斑的光学系统。

技术介绍

[0002]在高功率激光加工领域引入点环光斑，通过预热中心工作点周围的材料，可以实现抑制材料飞溅、预热缓冷、获得更好的加工效率、更好的加工质量等技术优势。目前市场上实现点环形光斑的技术途径主要有两种：coherent公司通过多层光纤同时在中心形成点光斑在边缘形成环状光斑；大族激光已公开的专利技术(CN 206952364 U)通过使用包含光纤、准直透镜、圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜和环形光斑聚焦透镜的光学系统来获得点环光斑。其中：前者系统复杂性高，价格极其昂贵；后者所使用的圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜和环形光斑聚焦透镜等光学元件加工非常复杂，价格昂贵，中心点光斑的单片透镜汇聚系统通常像差较大。市场上现有技术均无法以低成本可靠的实现点环形光斑。
[0003]这两种技术方案在使用中主要存在以下问题：
[0004]一、在激光加工中，需要按照工艺要求对点环光斑的结构参数进行调整，参数包括中心光斑大小、环光斑直径、环光斑宽度及点环光斑能量分配，还需要能实现整体光斑变大变小，即系统变焦。在这些要求中，coherent公司方案不能改变光斑结构关系，但可以通过光学系统进行变焦，改变光斑大小。大族公司方案可以改变光斑结构，但系统结构无法提供变焦能力，不能进行光斑整体变大或变小。
[0005]二、coherent公司方案系统复杂性高，价格极其昂贵；大族公司方案中使用的圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜和环形光斑聚焦透镜等光学元件加工非常复杂，价格昂贵。特别是，圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜需要自由曲面加工设备制造。
[0006]市场上现有技术均无法满足激光加工对点环光斑的要求，也无法提供低成本可靠的实现点环形光斑的系统。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种能实现各种光斑结构要求的光学系统，同时构成该系统的元件能够采用传统光学加工技术制造，降低了系统的制造难度，从而能够大大降低系统的制造成本。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是，形成点环光斑的光学系统，包括光纤、锥台形光学偏转元件和光学成像系统；所述锥台形光学偏转元件及所述光学成像系统设置在光纤输出光路上，所述光学成像系统设置在锥台形光学偏转元件前侧和/或后侧；所述光纤发出的光经过锥台形光学偏转元件和所述光学成像系统组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑。
[0009]进一步的，当所述光学成像系统设置在锥台形光学偏转元件前侧和后侧时，所述光学成像系统包括第一光学成像子系统和第二光学成像子系统，所述第一光学成像子系统设置在锥台形光学偏转元件前侧，所述第二光学成像子系统设置在锥台形光学偏转元件后
侧。
[0010]进一步的，所述锥台形光学偏转元件包括相互平行的顶面和底面，顶面的周边为锥形面，所述锥台形光学偏转元件的底面朝向光纤的光源输出。
[0011]进一步的，还包括一复合透镜，所述复合透镜靠近所述锥台形光学偏转元件设置，所述复合透镜中心部分和四周部分的焦距不同。
[0012]进一步的，所述复合透镜靠近所述锥台形光学偏转元件的顶面。
[0013]进一步的，所述复合透镜中心部分为平行平板，四周为正透镜；或者，所述复合透镜的中心部分为负透镜、四周为平行平板。
[0014]进一步的，所述复合透镜两个面的中心部分为平面、四周部分一个为凸面另一个为平面。
[0015]进一步的，所述复合透镜两个面的中心部分一个面为平面另一个面为凹面，四周部分为平面。
[0016]一种形成点环光斑的光学系统，包括光纤、锥台形光学偏转透镜复合元件和光学成像系统；所述锥台形光学偏转透镜复合元件及所述光学成像系统设置在光纤输出光路上，所述光学成像系统设置在锥台形光学偏转透镜复合元件前侧和/或后侧；所述光纤发出的光经过锥台形光学偏转透镜复合元件和所述光学成像系统组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑。
[0017]进一步的，所述锥台形光学偏转透镜复合元件由两部分组成，中心部分的一个面为平面，另一个面为凹球面，使透过它的光的发散，四周部分为锥面，使透过它的光向锥台形光学偏转透镜复合元件的中心方向偏转。
[0018]本专利技术通过合理的系统设计，创造性的使用锥台形光学偏转元件将光纤输出的光分成类似于来自一个点环光源同时发出的光，这两束光进而通过后续的光学成像系统在后面的某个面上形成实的点环光斑结构，用于激光加工。为了使该光斑结构的参数更容易变化以满足更广泛的工艺需求，在锥台形光学偏转元件后又加入了复合透镜。更进一步，我们又创造性的使用锥台形光学偏转透镜复合元件取代了锥台形光学偏转元件和复合透镜，使系统更简单，同时，由于工作面减少了两个，带来能量损耗的减低和系统中产生热危害的杂光的降低。与现有技术相比，本专利技术带来的最大效果是可以实现满足各种工艺要求的光斑结构，这是通过现有技术无法做到的。COHERNT公司的方案提供的点环光斑结构由光纤的结构决定，后续系统无法更改，大族公司的方案可以按工艺要求设计光斑结构，但无法实现光斑的放大或所需，因所提供的中心单透镜光学结构无实现光学变焦的能力。
[0019]另外本专利技术带来的另外一个效果是：所使用的零部件易于加工。比如锥台形光学偏转元件的加工，可以先用传统工艺做出一个锥面，然后用传统工艺锥面的中心部分磨成平面即可，而大族公司的中心平四周锥面的方案无法用传统设备加工。同样，本专利技术采用的中心凹球面的复合透镜元件，也可以先用传统工艺制造一个平凹透镜，然后将四周的瓦面磨掉就制成了，而
技术介绍
中大族公司的中心凸球面透镜，传统制造工艺无法实现。由于光学元件加工简单，成本低，进而大大降低了系统的生产成本。
[0020]本专利技术产生的点环光斑，在激光焊接加工过程中，中心圆点形光斑对金属等工作物质加热熔化烧结，环形光斑的前半部分对金属进行预热和清洁，后半部分可以对焊接区域光滑和缓冷。在激光切割加工中，环状光斑提供预热，抑制高反材料的表面反射，保护激
光器，提高加工效率。在激光熔覆过程中，中心光斑对熔覆物质和基体进行烧结，环状光斑提供预热和缓冷，提高熔覆质量。
附图说明
[0021]图1A为本专利技术提出的形成点环光斑的光学系统的一种结构示意图，其中，锥台形光学偏转元件位于光纤和光学系统之间。
[0022]图1B为本专利技术提出的形成点环光斑的光学系统的第二种结构示意图，其中，锥台形光学偏转元件位于光学系统之后。
[0023]图1C为本专利技术提出的形成点环光斑的光学系统的第三种结构示意图，其中，锥台形光学偏转元件位于光学系统的两光学子系统之间。
[0024]图2A为本专利技术提出的形成点环光斑的光学系统中锥台形光学偏转元件结构示意图。
[0025]图2B为本专利技术提出的形成点环光斑的光学系统中锥台形光学偏转元件与复合透镜的位置示意图。
[0026]图3A为本专利技术提出的形成点环光斑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.形成点环光斑的光学系统，其特征是：包括光纤(1)、锥台形光学偏转元件(2)和光学成像系统(3)；所述锥台形光学偏转元件(2)及所述光学成像系统设置在光纤(1)输出光路上，所述光学成像系统(3)设置在锥台形光学偏转元件(2)前侧和/或后侧；所述光纤(1)发出的光经过锥台形光学偏转元件(2)和所述光学成像系统(3)组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑。2.根据权利要求1所述的形成点环光斑的光学系统，其特征是：当所述光学成像系统(3)设置在锥台形光学偏转元件(2)前侧和后侧时，所述光学成像系统(3)包括第一光学成像子系统(31)和第二光学成像子系统(32)，所述第一光学成像子系统(31)设置在锥台形光学偏转元件(2)前侧，所述第二光学成像子系统(32)设置在锥台形光学偏转元件(2)后侧。3.根据权利要求1所述的形成点环光斑的光学系统，其特征是：所述锥台形光学偏转元件(2)包括相互平行的顶面(21)和底面(22)，顶面(21)的周边为锥形面，所述锥台形光学偏转元件(2)的底面朝向光纤(1)的光源输出。4.根据权利要求1所述的形成点环光斑的光学系统，其特征是：还包括一复合透镜(4)，所述复合透镜(4)靠近所述锥台形光学偏转元件(2)设置，所述复合透镜(4)中心部分和四周部分的焦距不同。5.根据权利要求4所述的形成点环光斑的光学系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：方笑尘，方强，
申请(专利权)人：方笑尘，
类型：发明
国别省市：