CN104175003B - 一种激光加工系统及多路激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光加工技术领域，提供了一种激光加工系统及多路激光加工装置，包括激光器和用于传导激光的光纤，还包括沿着激光的传输方向依次设置的准直模块和聚焦模块，准直模块包括第一透镜，聚焦模块包括第二透镜和第三透镜，第一透镜为平凸型或双凸型正透镜，第二透镜为平凸型或双凸型正透镜，第三透镜L3为弯月型或双凹型负透镜；聚焦模块形成的聚焦光斑远小于衍射极限。本发明具有较传统切割头更精细的光斑以及更高的加工效率，精细光斑增加了聚焦点的能量，有利于提高切割速度和切割质量。多路激光加工装置中，每路激光加工光路均能实现相同的聚焦效果，一路入射多路出射，提高了激光器的使用率以及加工效率。

Description

一种激光加工系统及多路激光加工装置

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种激光加工系统及多路激光加工装置。

背景技术

激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑在极短的时间内将材料加热到几千甚至上万摄氏度，使材料瞬间熔化或汽化，蒸发形成小孔洞后，再使光束与材料相对移动，从而获得窄的连续切缝。连续激光可用于各种材料高效率的切割，红外脉冲激光主要用于金属材料的精密切割，紫外脉冲激光主要用于薄板金属或非金属材料的精密切割。激光切割有以下特点：1)无接触，无工具磨损，切缝窄，热影响区小，切边洁净，切口平行度好，加工精度高，光洁度高；2)切割速度高，易于数控和计算机控制，自动化程度高，并能切割盲槽或多工位操作；3)噪声低，无公害。激光切割可分为汽化切割(>107W·cm-2)、熔化切割(>104W·cm-2)和氧化助燃熔化切割，其中氧化助燃熔化切割应用最为广泛。根据切割材料激光切割分为金属激光切割和非金属激光切割。

目前国内对激光加工的需求，尤其是光纤传导激光切割的需求迅速增加。随着激光器功率不断提升，以及切割要求精细程度提高，对切割头整个光学系统要求像差校正严格，且其光学系统设计所采用的光学器件要求全部使用耐高温、不易变形的光学材料。并且，为了提高工作效率，节约加工成本，一台激光器供多个工位加工的需求量与日俱增。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光加工系统，旨在实现高精细度、高稳定性和高性能加工。

本发明是这样实现的，一种激光加工系统，包括激光器和用于传导激光的光纤，还包括沿着激光的传输方向依次设置的准直模块和聚焦模块，所述准直模块包括第一透镜L1，所述聚焦模块包括第二透镜L2和第三透镜L3，所述第一透镜L1为平凸型或双凸型正透镜，所述第二透镜L2为平凸型或双凸型正透镜，所述第三透镜L3为弯月型或双凹型负透镜；所述聚焦模块形成的聚焦光斑小于衍射极限。

本发明的另一目的在于提供一种多路激光加工装置，旨在实现多路激光同时进行高效率、高精度及高稳定性加工。

本发明是这样实现的，一种多路激光加工装置，包括激光器及用于传导激光的光纤，还包括设置于激光的传输光路上的准直模块、分光模块及多个聚焦模块；

所述准直模块包括第一透镜L1，设置于所述光纤的输出方向；

所述分光模块包括设置于所述第一透镜L1的输出方向的反光镜311，以及设置于所述反光镜311的反射光路上的若干个分光镜；

所述聚焦模块包括第二透镜L2和第三透镜L3，每个所述分光镜的反射光路上设有一个聚焦模块；

所述第一透镜L1为平凸型或双凸型正透镜，所述第二透镜L2为平凸型或双凸型正透镜，所述第三透镜L3为弯月型或双凹型负透镜；

所述反光镜311和位于尾端的分光镜为平面全部反射镜，位于中间的分光镜为平面部分反射部分透射镜；

所述多个聚焦模块的聚焦光斑在同一平面，且所述聚焦光斑小于衍射极限。

本发明提供的激光加工系统具有较传统切割头更精细的光斑以及更高的加工效率，精细光斑增加了聚焦点的能量，有利于提高切割速度和切割质量。光学系统中的光学器件均采用耐高温，不易热变形的光学材料，适用于光束质量好，且激光功率比较高的光路系统。多路激光加工装置中，每路激光加工光路均能实现相同的聚焦效果，一路入射多路出射，多路出射光的光束质量相同，提高了激光器的使用率以及加工效率。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的激光加工系统的结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的激光加工系统的光路图；

图3是本发明第一实施例提供的激光加工系统的弥散斑图；

图4是本发明第一实施例提供的激光加工系统的传递函数曲线图；

图5是本发明第二实施例提供的激光加工系统的结构示意图；

图6是本发明第二实施例提供的激光加工系统的弥散斑图；

图7是本发明第二实施例提供的激光加工系统的传递函数曲线图；

图8是本发明第三实施例提供的多路激光加工装置示意图；

图9是本发明第三实施例提供的三路激光加工装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

本发明实施例提供一种激光加工系统，用于实现超精细快速切割。该激光加工系统包括激光器和用于传导激光的光纤，还包括沿着激光的传输光路依次设置的准直模块和聚焦模块，其中，准直模块包括第一透镜L1，聚焦模块包括第二透镜L2和第三透镜L3。三透镜均采用耐高温，不易热变形的光学材料，适用于光束质量比较好，且激光功率比较高的光路系统。第一透镜L1为平凸型或双凸型正透镜，第二透镜L2为平凸型或双凸型正透镜，第三透镜L3为弯月型或双凹型负透镜。该加工系统对光纤端面输出的激光进行准直扩束及聚焦，聚焦光斑远远小于衍射极限，可获得小于0.01mm的聚焦光斑，用于快速精细加工。以下进一步提供两种具体的实施例以对该发明进行详细说明。

实施例一:

参考图1和图2，本发明第一实施例提供的激光加工系统包括第一透镜L1、第二透镜L2及第三透镜L3，透镜的表面镀高损伤阈值激光增透硬膜。第一透镜L1包括第一曲面S1和第二曲面S2，第二透镜L2包括第三曲面S3和第四曲面S4，第三透镜L3包括第五曲面S5和第六曲面S6。第一曲面S1至第六曲面S6沿着激光的传输方向依次设置。其中，第一透镜L1为双凸正透镜，第一曲面S1的曲率半径为410mm，第二曲面S2的曲率半径为-50mm。第二透镜L2为双凸正透镜，第三曲面S3的曲率半径为47mm，第四曲面S4的曲率半径为-47mm。第三透镜L3为弯月形负透镜，第五曲面S5的曲率半径为-36mm，第六曲面S6的曲率半径为-1548mm，各曲率半径的公差为5％。进一步地，第一透镜L1的中心厚度d1为5.6mm，第二透镜L2的中心厚度d3为7mm，第三透镜L3的中心厚度d5为3mm，各中心厚度的公差为5％；光纤的输出端面与第一曲面S1的间距d0为96mm，第二曲面S2和第三曲面S3的间距d2为100mm，第四曲面S4和第五曲面S5之间的距离d4为3mm，各距离的公差为5％。另外，对各透镜的大小进行限定，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的外径D均为30mm，外径的公差也为5％。上述第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的均采用耐高温，不易热变形材料Nd/Vd＝1.4/67。

进一步地，本发明实施例还可以在第三透镜L3的输出光路上述设置平面保护镜L4，该平面保护镜L4仍采用耐高温、不易热变形材料Nd/Vd＝1.4/67。并且，平面保护镜L4包括第七平面S7和第八平面S8。其中，第七平面S7与第六曲面S6的间距d6为10mm，平面保护镜L4的中心厚度d7为2mm，表面镀高损伤阈值激光增透硬膜，外径为20mm，上述参数的公差为5％。

以下进一步通过表格清晰示出上述各透镜的规格参数，如表1。

表1.激光加工系统参数表

按照上述参数设计的激光加工系统，采用1070nm激光，由直径为30μm的光纤进行导光，光纤端面输出激光发散角为100mrad，该激光经过准直模块和聚焦模块后，其光斑特性如图3和图4所示。根据图3所示的聚焦弥散斑图可知，聚焦光斑远远小于艾里斑，即远远小于衍射极限，系统为衍射极限系统，像差校正近理想系统。根据图4所示的光学传递函数曲线图可知，空间频率在50lp/mm时，对应光学传递函数达到0.2以上，分辨率较高，适用于精细加工。

实施例二：

参考图5，本发明第二实施例提供的激光加工系统包括第一透镜L1、第二透镜L2及第三透镜L3，透镜的表面镀高损伤阈值激光增透硬膜。第一透镜L1包括第一曲面S1和第二曲面S2，第二透镜L2包括第三曲面S3和第四曲面S4，第三透镜L3包括第五曲面S5和第六曲面S6。第一曲面S1至第六曲面S6沿着激光的传输方向依次设置。其中，第一透镜L1为双凸正透镜，第一曲面S1的曲率半径为326mm，第二曲面S2的曲率半径为-107mm。第二透镜L2为双凸正透镜，第三曲面S3的曲率半径为100mm，第四曲面S4的曲率半径为-100mm。第三透镜L3为弯月形负透镜，第五曲面S5的曲率半径为-64mm，第六曲面S6的曲率半径为-94mm，各曲率半径的公差为5％。进一步地，第一透镜L1的中心厚度的d1为6mm，第二透镜L2的中心厚度d3为6mm，第三透镜L3的中心厚度d5为1.6mm，各中心厚度的公差为5％；光纤的输出端面与第一曲面S1的间距d0为176mm，第二曲面S2和第三曲面S3的间距d2为100mm，第四曲面S4和第五曲面S5之间的距离d4为3mm，各距离的公差为5％。另外，对各透镜的大小进行限定，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的外径D均为30mm，外径的公差也为5％。上述第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的均采用耐高温，不易热变形材料Nd/Vd＝1.4/67。

进一步地，本发明实施例还可以在第三透镜L3的输出光路上述设置平面保护镜L4，该平面保护镜L4仍采用耐高温、不易热变形材料Nd/Vd＝1.4/67。并且，平面保护镜L4包括第七平面S7和第八平面S8。其中，第七平面S7与第六曲面S6的间距d6为10mm，平面保护镜L4的中心厚度d7为2mm，表面镀高损伤阈值激光增透硬膜，外径为20mm，上述参数的公差为5％。

以下进一步通过表格清晰示出上述各透镜的规格参数，如表2。

表2.激光加工系统参数表

按照上述参数设计的激光加工系统，采用1070nm激光，由直径为30μm的光纤进行导光，光纤端面输出激光发散角为100mrad，该激光经过准直模块和聚焦模块后，其光斑特性如图6和图7所示。根据图6所示的聚焦光斑弥散斑图可知，聚焦光斑远远小于艾里斑，系统为衍射极限系统，像差校正近理想系统。根据图7所示的光学传递函数曲线图可知，空间频率在50lp/mm时，对应光学传递函数达到0.43以上，较实施例一的系统的分辨率更高，加工精度更高。

上述实施例一和实施例二所述的激光加工系统，具有较传统切割头更精细的光斑以及更高的加工效率，精细光斑增加了聚焦点的能量，有利于提高切割速度和切割质量。光学系统中的光学器件均采用耐高温，不易热变形的光学材料，适用于光束质量好，且激光功率比较高的光路系统。

本发明进一步提供一种多路激光加工装置，其是依托于上述激光加工系统，并对其进行扩展得到的，将多个激光加工系统整合到一起，形成多路激光加工装置。以下通过具体实施例对该多路激光加工装置进行详细说明。

实施例三：

参考图8，该多路激光加工装置包括激光器及用于传导激光的光纤31，还包括设置于激光的传输光路上的准直模块32、分光模块33及多个聚焦模块34。其中，准直模块32包括第一透镜L1，设置于光纤的输出方向；分光模块33包括设置于第一透镜L1的输出方向的反光镜311，以及设置于反光镜311的反射光路上的若干个分光镜；聚焦模块34包括第二透镜L2和第三透镜L3，多个聚焦模块34结构相同，分别设置于每个分光镜的反射光路上。其中，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3具有上述实施例一或实施例二所述的结构，第一透镜L1和每组第二透镜L2及第三透镜L3各构成一路同上述实施例一或二所述的加工光路。第一透镜L1为平凸型或双凸型正透镜，第二透镜L2为平凸型或双凸型正透镜，第三透镜L3为弯月型或双凹型负透镜。另外，本发明实施例通过分光模块33将该装置分为多路激光光路，反光镜331和尾端的分光镜为平面全部反射镜，中间的分光镜为平面部分反射部分透射镜。上述多个聚焦模块34的聚焦光斑在同一平面，同时对加工件的不同位置进行加工，提高加工效率。

进一步参考图9，分光镜可以设有三个，分别为第一分光镜332、第二分光镜333和第三分光镜334，该装置由第一分光镜332、第二分光镜333和第三分光镜334分离出三路激光光路。第一路激光光路包括第一透镜L1、反光镜331、第一分光镜332及第一个聚焦模块34。第二路激光光路包括第一透镜L1、反光镜331、第一分光镜332、第二分光镜333及第二个聚焦模块34。第三路激光光路包括第一透镜L1、反光镜331、第一分光镜332、第二分光镜333、第三分光镜334及第三个聚焦模块34。自第一透镜L1输出的激光经过反光镜331反射，部分激光经过第一分光镜332反射至第一个聚焦模块34，另一部分激光经第一分光镜332透射至第二分光镜333，再由第二分光镜333进行部分反射给第二个聚焦模块，另一部分激光透射至第三分光镜334，由第三分光镜334反射至第三个聚焦模块34。三个聚焦模块34并列设置，聚焦点共面，同时对工件的不同位置进行加工。

进一步地，第一透镜L1包括第一曲面S1和第二曲面S2，第二透镜L2包括第三曲面S3和第四曲面S4，第三透镜L3包括第五曲面S5和第六曲面S6；各曲面镀高损伤阈值激光增透硬膜。第一曲面S1的曲率半径为410mm，第二曲面S2的曲率半径为-50mm，第三曲面S3的曲率半径为47mm，第四曲面S4的曲率半径为-47mm，第五曲面S5的曲率半径为-36mm，第六曲面S6的曲率半径为-1548mm，各曲率半径的公差为5％；第一透镜L1的中心厚度为5.6mm，第二透镜L2的中心厚度为7mm，第三透镜L3的中心厚度为3mm，各中心厚度的公差为5％；第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的外径均为30mm，外径的公差为5％。三个透镜的材料均为Nd/Vd＝1.4/67。

另外，每个聚焦模块还可以包括平面保护镜L4，平面保护镜L4采用耐高温、不易热变形材料Nd/Vd＝1.4/67。并且，平面保护镜L4的第七平面S7与第六曲面S6的间距为10mm，平面保护镜L4的中心厚度为2mm，表面镀高损伤阈值激光增透硬膜，外径为20mm，上述参数的公差为5％。光纤的输出端面与第一透镜L1的第一曲面S1的间距为96mm，第四曲面S4和第五曲面S5之间的距离为3mm，各距离的公差为5％。

进一步地，反光镜331、第一分光镜332、第二分光镜333及第三分光镜334的中心厚度为5mm，外径为50mm，材料为Nd2：Vd2＝1.4：67，且相对输入激光成45度角放置，第一分光镜312的反射率为67％；第二分光镜333的反射率为33％。反光镜331与第一透镜L1的距离为72mm，反光镜331与第一分光镜332的距离为100mm，第一分光镜332与第二分光镜333的距离为145mm，第二分光镜333与第三分光镜334的距离为145mm。当然，上述间距还可以进行适当调整，本实施例不再举例说明。

本发明实施例提供的一分多路激光加工装置中，每路激光加工光路均能实现实施例一或二所述的聚焦效果，具有较传统激光切割头更精细的光斑以及更高的加工效率，精细光斑增加了聚焦点的能量，提高了切割速度和切割质量；并且一路入射多路出射，多路出射光的光束质量相同，提高了激光器的使用率以及加工效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光加工系统，包括激光器和用于传导激光的光纤，其特征在于，还包括沿着激光的传输方向依次设置的准直模块和聚焦模块，所述准直模块包括第一透镜(L1)，所述聚焦模块包括第二透镜(L2)和第三透镜(L3)，所述第一透镜(L1)为双凸型正透镜，所述第二透镜(L2)为平凸型或双凸型正透镜，所述第三透镜(L3)为弯月型或双凹型负透镜；所述聚焦模块形成的聚焦光斑小于衍射极限。

2.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述第一透镜(L1)、第二透镜(L2)及第三透镜(L3)的表面镀高损伤阈值激光增透硬膜。

3.如权利要求1或2所述的激光加工系统，其特征在于，所述第一透镜(L1)包括第一曲面(S1)和第二曲面(S2)，所述第二透镜(L2)包括第三曲面(S3)和第四曲面(S4)，所述第三透镜(L3)包括第五曲面(S5)和第六曲面(S6)。

4.如权利要求3所述的激光加工系统，其特征在于，所述第一曲面(S1)的曲率半径为410mm，所述第二曲面(S2)的曲率半径为-50mm，所述第三曲面(S3)的曲率半径为47mm，所述第四曲面(S4)的曲率半径为-47mm，所述第五曲面(S5)的曲率半径为-36mm，所述第六曲面(S6)的曲率半径为-1548mm，各曲率半径的公差为5％；

所述第一透镜(L1)的中心厚度为5.6mm，所述第二透镜(L2)的中心厚度为7mm，所述第三透镜(L3)的中心厚度为3mm，各中心厚度的公差为5％；

所述光纤的输出端面与所述第一曲面(S1)的间距为96mm，所述第四曲面(S4)和第五曲面(S5)之间的距离为3mm，各距离的公差为5％；

所述第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)的外径均为30mm，所述外径的公差为5％；

所述第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)的材料为Nd/Vd＝1.4/67。

5.如权利要求3所述的激光加工系统，其特征在于，所述第一曲面(S1)的曲率半径为326mm，所述第二曲面(S2)的曲率半径为-107mm，所述第三曲面(S3)的曲率半径为100mm，所述第四曲面(S4)的曲率半径为-100mm，所述第五曲面(S5)的曲率半径为-64mm，所述第六曲面(S6)的曲率半径为-94mm，各曲率半径的公差为5％；

所述第一透镜(L1)的中心厚度为6mm，所述第二透镜(L2)的中心厚度为6mm，所述第三透镜(L3)的中心厚度为1.6mm，各中心厚度的公差为5％；

所述光纤的输出端面与所述第一曲面(S1)的间距为176mm，所述第四曲面(S4)和第五曲面(S5)之间的距离为3mm，各距离的公差为5％；

所述第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)的外径均为30mm，所述外径的公差为5％；

所述第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)的材料为Nd/Vd＝1.4/67。

6.如权利要求4或5所述的激光加工系统，其特征在于，还包括设置于所述第三透镜(L3)的输出光路上的平面保护镜(L4)，包括第七平面(S7)和第八平面(S8)，所述平面保护镜(L4)的中心厚度为2mm，所述第六曲面(S6)和第七平面(S7)之间的距离为10mm。

7.一种多路激光加工装置，包括激光器及用于传导激光的光纤，其特征在于，还包括设置于激光的传输光路上的准直模块、分光模块及多个聚焦模块；

所述准直模块包括第一透镜(L1)，设置于所述光纤的输出方向；

所述分光模块包括设置于所述第一透镜(L1)的输出方向的反光镜(311)，以及设置于所述反光镜(311)的反射光路上的若干个分光镜；

所述聚焦模块包括第二透镜(L2)和第三透镜(L3)，每个所述分光镜的反射光路上设有一个聚焦模块；

所述第一透镜(L1)为双凸型正透镜，所述第二透镜(L2)为平凸型或双凸型正透镜，所述第三透镜(L3)为弯月型或双凹型负透镜；

所述反光镜(311)和位于尾端的分光镜为平面全部反射镜，位于中间的分光镜为平面部分反射部分透射镜；

所述多个聚焦模块的聚焦光斑在同一平面，且所述聚焦光斑小于衍射极限。

8.如权利要求7所述的多路激光加工装置，其特征在于，所述第一透镜()L1包括第一曲面(S1)和第二曲面(S2)，所述第二透镜(L2)包括第三曲面(S3)和第四曲面(S4)，所述第三透镜(L3)包括第五曲面(S5)和第六曲面(S6)；所述第一曲面(S1)的曲率半径为410mm，所述第二曲面(S2)的曲率半径为-50mm，所述第三曲面(S3)的曲率半径为47mm，所述第四曲面(S4)的曲率半径为-47mm，所述第五曲面(S5)的曲率半径为-36mm，所述第六曲面(S6)的曲率半径为-1548mm，各曲率半径的公差为5％；

所述第一透镜(L1)的中心厚度为5.6mm，所述第二透镜(L2)的中心厚度为7mm，所述第三透镜(L3)的中心厚度为3mm，各中心厚度的公差为5％；

所述光纤的输出端面与所述第一曲面(S1)的间距为96mm，所述第四曲面(S4)和第五曲面(S5)之间的距离为3mm，各距离的公差为5％；

所述第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)的外径均为30mm，所述外径的公差为5％；

所述第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)的材料为Nd/Vd＝1.4/67。

9.如权利要求8所述的多路激光加工装置，其特征在于，所述分光镜包括第一分光镜(312)、第二分光镜(313)和第三分光镜(314)；所述第一分光镜(312)、第二分光镜(313)和第三分光镜(314)的反射光路上各设有一聚焦模块；所述反光镜(311)与所述第一透镜(L1)的距离为72mm，所述反光镜(311)与所述第一分光镜(312)的距离为100mm，所述第一分光镜(312)与所述第二分光镜(313)的距离为145mm，所述第二分光镜(313)与所述第三分光镜(314)的距离为145mm。

10.如权利要求9所述的多路激光加工装置，其特征在于，所述反光镜(311)、第一分光镜(312)、第二分光镜(313)及第三分光镜(314)的中心厚度为5mm，外径为50mm，材料为Nd2：Vd2＝1.4：67，且相对输入激光成45度角放置，所述第一分光镜(312)的反射率为67％；所述第二分光镜(313)的反射率为33％。