CN111736355A - 一种基于微透镜组可调能量分布光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微透镜组可调能量分布光学系统，包括第一正焦透镜、第一负焦透镜、第二正焦透镜、平凹型微透镜、平凸型微透镜、第三正焦透镜、第二负焦透镜以及第四正焦透镜。本发明结构设计新颖，基于微透镜与聚焦镜配合实现点光斑、点环形组合光斑特性，基于ZOOM光学系统实现准直光斑大小、聚焦光斑大小与光束发散角以及焦点位置补偿调节特性，通过沿光束传输轴小角度旋转其中一片微透镜的方式，结合双ZOOM光学系统配合调节，实现了聚焦光束发散角、点光斑到点环形组合光斑、点光斑大小、环形光斑中径与粗细、点环形光斑能量比连续可调，适用于高功率光纤激光器激光焊接应用，尤其有助于改善焊接飞溅与焊接质量。

Description

一种基于微透镜组可调能量分布光学系统

技术领域

本发明涉及光纤激光焊接技术领域，具体为一种基于微透镜组可调能量分布光学系统。

背景技术

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。由于激光束具有与加工材料的非接触性、加工速度快与质量优异等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。

激光焊接，具有能量密度高、速度快、焊接变形小、熔宽与热影响区窄等优点，然而在高功率光纤激光焊接过程中，很容易产生飞溅。飞溅所产生的颗粒物会附着熔池及工件表面，极易造成表面粗糙度变化，划伤母材，严重时可导致部件的返工、元器件如激光焊接头内部保护镜等受损。

众所周知，光纤激光器的光束质量比较好，在激光焊接时由于工艺需要有一定的离焦量，离焦光斑通常为高斯能量分布，中心能量密度较边缘能量密度高很多。因此，改变激光光斑能量分布，避免焊接过程中基材的剧烈沸腾，尽可能不使用高斯分布光束，有助于改善激光焊接飞溅。

目前，通过改进激光束能量分布的方法大致有几种：其一、从激光器源头进行光束能量分布调整；其二、从激光加工头上进行光束能量分布调整。

从激光器上整形光束能量分布，主流有IPG、Coherent、Trumpf等，通过采用多芯同轴光纤输出激光束，可以实现点、点环形组合的能量分布，其中点环形组合情况下点与环形功率比值可调。问题在于，采用多芯同轴光纤对激光束光束质量的要求异常高，且最终整套激光器成本比同功率普通激光器成本昂贵许多。另外，采用激光器实现上述调节，仅能保证聚焦焦点附近能量分布上的变异，离焦量较大时，光束能量分布会逐步趋近于高斯分布，这不利于较大的飞溅颗粒清除。

从激光加工头上进行光束能量分布调整，典型如Precitec双片式微透镜实现点、点环形组合光斑调节，缺点在于同一种规格镜片参数，对不同光纤芯径、不同光学配置的适配性很差。另外也有如双波段焊接头方案，市面上常见的有光纤激光器与915nm半导体激光器复合应用，由于使用的半导体激光器功率低，且光束质量很差，材料对915nm波长激光的吸收率并不高，因此光纤激光器出光功率依旧很高，并不能非常有效的改善激光飞溅。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微透镜组可调能量分布光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于微透镜组可调能量分布光学系统，包括第一正焦透镜、第一负焦透镜、第二正焦透镜、平凹型微透镜、平凸型微透镜、第三正焦透镜、第二负焦透镜以及第四正焦透镜；所述第一正焦透镜、第一负焦透镜、第二正焦透镜、平凹型微透镜、平凸型微透镜、第三正焦透镜、第二负焦透镜以及第四正焦透镜均为熔融石英材料；

所述第一正焦透镜、第一负焦透镜、第二正焦透镜、平凹型微透镜、平凸型微透镜、第三正焦透镜、第二负焦透镜以及第四正焦透镜中心轴同轴；

所述第一正焦透镜、第一负焦透镜、第二正焦透镜构成ZOOM准直光学系统；

所述第三正焦透镜、第二负焦透镜、第四正焦透镜构成ZOOM聚焦光学系统；

所述第一正焦透镜、第二正焦透镜、第三正焦透镜、第四正焦透镜均为非球面镜，镜面面型为平凸型或双凸型或正弯月型；

所述第一负焦透镜、第三正焦透镜均为非球面镜，镜面面型为平凹型或双凹型或负弯月型。

优选的，所述平凹型微透镜、平凸型微透镜构成点环形可调镜组；所述平凹型微透镜、平凸型微透镜介于第二正焦透镜、第三正焦透镜之间。

优选的，所述平凹型微透镜、平凸型微透镜基于轴锥分光与角向分光组合，为中心轴对称的角向阵列微透镜，且微透镜面中心均有相同尺寸的平面；所述平凹型微透镜、平凸型微透镜具有相同的角向分光单元，数量满足10～100，所有角向分光单元分光角度相同，分光顶点能够交合为一点；所述平凹型微透镜单个角向分光单元分光面面型包括平面、凸面，平凸型微透镜单个角向分光单元分光面面型包括平面、凹面。

优选的，所述平凹型微透镜、平凸型微透镜有且仅有一片镜片沿光束传输轴小角度旋转，实现点光斑到点环形组合光斑、环形光斑中径大小的连续调节。

优选的，所述第一正焦透镜、第一负焦透镜、第二正焦透镜构成的ZOOM准直光学系统中，有且仅有两片镜片可沿光轴移动，实现准直光斑大小调节；所述第三正焦透镜、第二负焦透镜、第四正焦透镜构成的ZOOM聚焦光学系统中，有且仅有两片镜片可沿光轴移动，配合ZOOM准直光学系统，实现聚焦光斑、聚焦光束发散角大小调节。

优选的，其使用方法包括以下步骤：

A、光纤激光器出射发散光，入射到第一正焦透镜实现一定的光束汇聚；

B、汇聚光束由第一负焦透镜发散形成发散光束，发散光束经过第二正焦透镜后，实现光束准直；

C、准直光束逐次由平凹型微透镜、平凸型微透镜整形，整形光束再依次由第三正焦透镜汇聚、第二负焦透镜发散，最后经过第四正焦透镜聚焦形成聚焦光束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明结构设计新颖，基于微透镜与聚焦镜配合实现点光斑、点环形组合光斑特性，基于ZOOM光学系统实现准直光斑大小、聚焦光斑大小与光束发散角以及焦点位置补偿调节特性，通过沿光束传输轴小角度旋转其中一片微透镜的方式，结合双ZOOM光学系统配合调节，实现了聚焦光束发散角、点光斑到点环形组合光斑、点光斑大小、环形光斑中径与粗细、点环形光斑能量比连续可调，适用于高功率光纤激光器激光焊接应用，尤其有助于改善焊接飞溅与焊接质量。

(2)本发明的平凹型微透镜、平凸型微透镜组合，通过沿光轴方向小角度旋转其中一片镜片，可以实现聚焦焦点从点光斑到点环形组合光斑的调节，其中点环形组合光斑情况下，环形光斑中径可调，光斑能量分布模式多样化，大幅提高了各类焊接的能量分布适应性，对不同光纤芯径激光器兼容性强。

(3)本发明的ZOOM准直光学系统与ZOOM聚焦光学系统，相互配合调节，可以实现聚焦光斑与发散角大小的调节，再结合平凹型微透镜、平凸型微透镜组合，进一步实现点、点环形组合光斑的光斑变倍以及发散角调节，同时也实现了点环形组合光斑情况下点光斑与环形光斑的功率比调节，有助于改善不同板材焊接飞溅与焊接质量，并适配不同焊缝宽度下的激光焊接应用。

(4)本发明的光学系统，点环形组合光斑下，大范围离焦量下的光斑能量分布情况与焦点附近能量分布情况相似，有助于在高功率激光焊接时对具有更大动力的飞溅大颗粒在空间及时间上的熔化约束，可进一步改善激光飞溅问题，从而提高焊接质量。

附图说明

图1为本发明光学方案实施例。

图2为本发明实施例点环形可调镜组示意图。

图3为本发明实施例点到点环形组合能量分布示意图。

图4为本发明实施例点环形组合下相同功率比不同光斑放大示意图。

图5为本发明实施例点环形组合下相同光斑放大不同功率比能量分布示意图。

图6为本发明实施例点环形组合情况下不同离焦量光斑能量分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1、2，本发明提供一种技术方案：包括第一正焦透镜1、第一负焦透镜2、第二正焦透镜3、平凹型微透镜4、平凸型微透镜5、第三正焦透镜6、第二负焦透镜7以及第四正焦透镜8。

本发明中，所述第一正焦透镜1、第一负焦透镜2、第二正焦透镜3、平凹型微透镜4、平凸型微透镜5、第三正焦透镜6、第二负焦透镜7以及第四正焦透镜8均为熔融石英材料；

所述第一正焦透镜1、第一负焦透镜2、第二正焦透镜3、平凹型微透镜4、平凸型微透镜5、第三正焦透镜6、第二负焦透镜7以及第四正焦透镜8中心轴同轴；

所述第一正焦透镜1、第一负焦透镜2、第二正焦透镜3构成ZOOM准直光学系统；

所述第三正焦透镜6、第二负焦透镜7、第四正焦透镜8构成ZOOM聚焦光学系统；

所述平凹型微透镜4、平凸型微透镜5构成点环形可调镜组；

所述平凹型微透镜4、平凸型微透镜5介于第二正焦透镜3、第三正焦透镜6之间；

所述第一正焦透镜1、第二正焦透镜3、第三正焦透镜6、第四正焦透镜8均为非球面镜，镜面面型为平凸型或双凸型或正弯月型；

所述第一负焦透镜2、第三正焦透镜6均为非球面镜，镜面面型为平凹型或双凹型或负弯月型；

所述平凹型微透镜4、平凸型微透镜5基于轴锥分光与角向分光组合，为中心轴对称的角向阵列微透镜，且微透镜面中心均有相同尺寸的平面；

所述平凹型微透镜4、平凸型微透镜5具有相同的角向分光单元，数量满足10～100，所有角向分光单元分光角度相同，分光顶点能够交合为一点；

所述平凹型微透镜4单个角向分光单元分光面面型包括平面、凸面，平凸型微透镜5单个角向分光单元分光面面型包括平面、凹面。

本发明中，所述平凹型微透镜4、平凸型微透镜5有且仅有一片镜片沿光束传输轴小角度旋转，实现点光斑到点环形组合光斑、环形光斑中径大小的连续调节。

本发明中，所述第一正焦透镜1、第一负焦透镜2、第二正焦透镜3构成的ZOOM准直光学系统中，有且仅有两片镜片可沿光轴移动，实现准直光斑大小调节；

所述第三正焦透镜6、第二负焦透镜7、第四正焦透镜8构成的ZOOM聚焦光学系统中，有且仅有两片镜片可沿光轴移动，配合ZOOM准直光学系统，实现聚焦光斑、聚焦光束发散角大小调节。

工作原理：本发明的使用方法包括以下步骤：

A、光纤激光器出射发散光，入射到第一正焦透镜1实现一定的光束汇聚；

B、汇聚光束由第一负焦透镜2发散形成发散光束，发散光束经过第二正焦透镜3后，实现光束准直；

C、准直光束逐次由平凹型微透镜4、平凸型微透镜5整形，整形光束再依次由第三正焦透镜6汇聚、第二负焦透镜7发散，最后经过第四正焦透镜8聚焦形成聚焦光束。

当第一正焦透镜1、第一负焦透镜2、第二正焦透镜3构成的ZOOM准直光学系统与第三正焦透镜6、第二负焦透镜7、第四正焦透镜8构成的ZOOM聚焦光学系统相应可移动镜片固定在某个位置不动时，仅沿光轴方向不同角度旋转平凹型微透镜4、平凸型微透镜5其中一片镜片，实现如图3所示从左至右点光斑、点环形组合光斑能量分布，在点环形组合光斑情况下，环形光斑中径可调，实现组合光斑能量模式多样性。

当第一正焦透镜1、第一负焦透镜2、第二正焦透镜3构成的ZOOM准直光学系统与平凹型微透镜4、平凸型微透镜5构成的点环形可调镜组相应可移动可旋转镜片固定在某状态不动时，仅沿光轴方向移动第三正焦透镜6、第二负焦透镜7、第四正焦透镜8构成的ZOOM聚焦光学系统中其中两片镜片，实现如图4所示从左至右点环形组合光斑不同倍数的放大，具体体现在点尺寸与环形光斑粗细放大，点环形光斑功率比则保持不变。

当第一正焦透镜1、第一负焦透镜2、第二正焦透镜3构成的ZOOM准直光学系统与第三正焦透镜6、第二负焦透镜7、第四正焦透镜8构成的ZOOM聚焦光学系统相应可移动镜片配合移动实现相同光斑放大倍数时，再沿光轴方向不同角度旋转平凹型微透镜4、平凸型微透镜5其中一片镜片，实现如图5所示从左至右相同尺寸的点环形组合光斑，且点环形光斑功率比连续可调。

在上述实现点环形组合光斑调节的过程中，同时获得如图6所示从左至右焦点前、焦点、焦点后的不同离焦量下光斑能量分布，其特点在于即便是较大的离焦量下，依旧保持着点环形组合光斑能量分布模式。

以上环形光斑中径，是指0光纤芯径下聚焦焦点光斑直径；环形光斑粗细，是指光纤芯径不为0下聚焦光斑线径，即有能量区域的宽度。

综上所述，本发明结构设计新颖，基于微透镜与聚焦镜配合实现点光斑、点环形组合光斑特性，基于ZOOM光学系统实现准直光斑大小、聚焦光斑大小与光束发散角以及焦点位置补偿调节特性，通过沿光束传输轴小角度旋转其中一片微透镜的方式，结合双ZOOM光学系统配合调节，实现了聚焦光束发散角、点光斑到点环形组合光斑、点光斑大小、环形光斑中径与粗细、点环形光斑能量比连续可调，适用于高功率光纤激光器激光焊接应用，尤其有助于改善焊接飞溅与焊接质量。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种基于微透镜组可调能量分布光学系统，其特征在于：包括第一正焦透镜(1)、第一负焦透镜(2)、第二正焦透镜(3)、平凹型微透镜(4)、平凸型微透镜(5)、第三正焦透镜(6)、第二负焦透镜(7)以及第四正焦透镜(8)；所述第一正焦透镜(1)、第一负焦透镜(2)、第二正焦透镜(3)、平凹型微透镜(4)、平凸型微透镜(5)、第三正焦透镜(6)、第二负焦透镜(7)以及第四正焦透镜(8)均为熔融石英材料；

所述第一正焦透镜(1)、第一负焦透镜(2)、第二正焦透镜(3)、平凹型微透镜(4)、平凸型微透镜(5)、第三正焦透镜(6)、第二负焦透镜(7)以及第四正焦透镜(8)中心轴同轴；

所述第一正焦透镜(1)、第一负焦透镜(2)、第二正焦透镜(3)构成ZOOM准直光学系统；

所述第三正焦透镜(6)、第二负焦透镜(7)、第四正焦透镜(8)构成ZOOM聚焦光学系统；

所述第一正焦透镜(1)、第二正焦透镜(3)、第三正焦透镜(6)、第四正焦透镜(8)均为非球面镜，镜面面型为平凸型或双凸型或正弯月型；

所述第一负焦透镜(2)、第三正焦透镜(6)均为非球面镜，镜面面型为平凹型或双凹型或负弯月型。

2.根据权利要求1所述的一种基于微透镜组可调能量分布光学系统，其特征在于：所述平凹型微透镜(4)、平凸型微透镜(5)构成点环形可调镜组；所述平凹型微透镜(4)、平凸型微透镜(5)介于第二正焦透镜(3)、第三正焦透镜(6)之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于微透镜组可调能量分布光学系统，其特征在于：所述平凹型微透镜(4)、平凸型微透镜(5)基于轴锥分光与角向分光组合，为中心轴对称的角向阵列微透镜，且微透镜面中心均有相同尺寸的平面；所述平凹型微透镜(4)、平凸型微透镜(5)具有相同的角向分光单元，数量满足10～100，所有角向分光单元分光角度相同，分光顶点能够交合为一点；所述平凹型微透镜(4)单个角向分光单元分光面面型包括平面、凸面，平凸型微透镜(5)单个角向分光单元分光面面型包括平面、凹面。

4.根据权利要求3所述的一种基于微透镜组可调能量分布光学系统，其特征在于：所述平凹型微透镜(4)、平凸型微透镜(5)有且仅有一片镜片沿光束传输轴小角度旋转，实现点光斑到点环形组合光斑、环形光斑中径大小的连续调节。

5.根据权利要求1所述的一种基于微透镜组可调能量分布光学系统，其特征在于：所述第一正焦透镜(1)、第一负焦透镜(2)、第二正焦透镜(3)构成的ZOOM准直光学系统中，有且仅有两片镜片可沿光轴移动，实现准直光斑大小调节；所述第三正焦透镜(6)、第二负焦透镜(7)、第四正焦透镜(8)构成的ZOOM聚焦光学系统中，有且仅有两片镜片可沿光轴移动，配合ZOOM准直光学系统，实现聚焦光斑、聚焦光束发散角大小调节。

6.实现权利要求1所述的一种基于微透镜组可调能量分布光学系统的使用方法，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：

A、光纤激光器出射发散光，入射到第一正焦透镜(1)实现一定的光束汇聚；

B、汇聚光束由第一负焦透镜(2)发散形成发散光束，发散光束经过第二正焦透镜(3)后，实现光束准直；

C、准直光束逐次由平凹型微透镜(4)、平凸型微透镜(5)整形，整形光束再依次由第三正焦透镜(6)汇聚、第二负焦透镜(7)发散，最后经过第四正焦透镜(8)聚焦形成聚焦光束。

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