一種全反射式消光暈光束勻化光學系統的製作方法

2023-04-22 22:57:11

本實用新型涉及雷射加工的光束整形技術領域，具體為一種全反射式消光暈光束勻化光學系統。

背景技術：

雷射加工技術涵蓋了雷射切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多種雷射加工工藝，利用了雷射與物質相互作用的基本特性。由於雷射束與加工材料的非接觸性、加工速度與質量等優勢，奠定了雷射加工技術是一種無可替代的高新技術。

當前雷射切割佔了整個雷射加工行業的主要地位，其中又以光纖輸出類雷射切割為首要。而隨著雷射功率的提高，高功率光纖雷射輸出類的雷射焊接、熔覆、淬火等加工工藝也逐步得到更廣泛的擴展與提升，覆蓋了冶金、汽車、航空、船舶等諸多領域。

光纖輸出類雷射器涵蓋了光纖雷射器以及半導體光纖耦合雷射器，因為光纖柔韌性以及對近紅外光束有很好的耦合輸出，使得光纖輸出類雷射器市場佔有率日益突出。目前光纖輸出類雷射器千瓦級已是相當普及，萬瓦級雷射器也逐步上映市場，讓光纖雷射各類加工工藝越加普遍化。然而，隨著雷射功率的增加，光纖芯徑也隨之增大，這也給雷射熔覆、淬火等一些雷射加工要求特殊的應用產生了限制。

因為，在工業雷射熔覆、淬火中，往往需要對雷射束進行勻化，也就是需要將高斯或類高斯光束整形為平頂光束，再進行材料的表面改性與硬化處理，而部分特殊的雷射焊接應用，也會用到勻化的聚焦光斑。

在雷射加工應用中，雷射熔覆特別是雷射淬火，除了對勻化平頂光束的均勻性有要求外，還對平頂光束邊緣光暈有較高的要求，較大光暈的平頂光束，將導致雷射淬火搭接處回火從而降低材料表面硬度。而常規的雷射束勻化，平頂光束光暈會受到雷射器參數的影響，對於光纖芯徑較大的光纖輸出類雷射器，勻化的平頂光束往往會帶有較大光暈，也就是均勻分布方向上的兩端會出現較大的非均勻區。

平頂光束的獲得方法有多種，如透鏡陣列整形、波導整形、二元光學元件整形、積分鏡整形等，但是雷射功率的增大，勢必對透鏡類的產品提出嚴峻考驗。一方面是透鏡類增透膜損傷閾值問題，另一方面則是實際應用中使用環境對透鏡材料汙染所引起的穩定性問題，再者是透鏡無法直接冷卻，且導熱性較差，都將嚴重限制透鏡類產品的高功率應用。

金屬反射鏡能夠直接水冷且導熱性良好，在保證較小的通光孔徑下，依舊能夠承受極高的雷射功率，這是難以替代的優勢，積分鏡作為金屬反射鏡中的一種勻化整形鏡代表，往往因為雷射器參數的差異而影響使用效果，甚至於因為雷射器參數而無法滿足客戶需求。

另外，對於光纖類輸出雷射器光束勻化整形，需要配合準直鏡與聚焦鏡。金屬反射式曲面鏡因為鏡片光束偏轉角的存在，鏡面通常由離軸拋物面、離軸橢球面以及離軸雙曲面構成，離軸拋物鏡有一個焦點；離軸橢球面鏡有兩個焦點；離軸雙曲面鏡有兩個焦點，鏡面對應焦點為近焦點，另一焦點為遠焦點。然而單一的三種鏡面，都將導致原入射光束經過鏡片後發生形變。比如，圓形發散點光源經過離軸拋物鏡準直後準直光斑圓度將發生變化，即產生了形變。這會影響反射式光束勻化整形聚焦光斑形狀與雷射能量分布均勻性。

基於上述各點，本實用新型提出一種全反射式消光暈光束勻化光學系統，基於雙曲面鏡與離軸拋物鏡組合特性，基於雙片反射鏡陣列光束勻化整形及消光暈特性，基於金屬鏡片的直接水冷與良好導熱性，適用於光纖輸出類雷射束勻化整形，尤其在萬瓦級高功率大光纖芯徑的光纖輸出類雷射器光束勻化更具優勢。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種全反射式消光暈光束勻化光學系統，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：一種全反射式消光暈光束勻化光學系統,其包括第一片雙曲面反射鏡、第一片離軸拋物鏡、第一片曲面反射鏡陣列、第二片曲面反射鏡陣列、第二片離軸拋物鏡以及第二片雙曲面反射鏡，且第一片雙曲面反射鏡、第一片離軸拋物鏡、第一片曲面反射鏡陣列、第二片曲面反射鏡陣列、第二片離軸拋物鏡以及第二片雙曲面反射鏡鏡片均為90°光束偏轉角，第一片雙曲面反射鏡、第一片離軸拋物鏡、第一片曲面反射鏡陣列、第二片曲面反射鏡陣列、第二片離軸拋物鏡以及第二片雙曲面反射鏡鏡片中心對稱面共面。其中，所述第一片雙曲面反射鏡與第一片離軸拋物鏡、第二片離軸拋物鏡與第二片雙曲面反射鏡鏡面中心法線對應相互垂直，所述第一片離軸拋物鏡、第一片曲面反射鏡陣列、第二片曲面反射鏡陣列以及第二片離軸拋物鏡鏡面中心法線彼此相互平行。

優選的，所述第一片雙曲面反射鏡、第一片離軸拋物鏡、第一片曲面反射鏡陣列、第二片曲面反射鏡陣列、第二片離軸拋物鏡以及第二片雙曲面反射鏡均為圓柱狀斜面反射鏡。

優選的，所述第一片雙曲面反射鏡、第一片離軸拋物鏡、第二片離軸拋物鏡以及第二片雙曲面反射鏡均為凹面反射鏡。

優選的，所述第一片曲面反射鏡陣列、第二片曲面反射鏡陣列均為凹面型陣列。

優選的，所述第一片雙曲面反射鏡、第一片離軸拋物鏡、第一片曲面反射鏡陣列、第二片曲面反射鏡陣列、第二片離軸拋物鏡以及第二片雙曲面反射鏡均帶水冷通道。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：

(1)本實用新型結構設計新穎，採用全反射式消光暈光束勻化光學系統，基於雙曲面鏡與離軸拋物鏡組合特性，基於雙片反射鏡陣列光束勻化整形及消光暈特性，基於金屬鏡片的直接水冷與良好導熱性，適用於光纖輸出類雷射束勻化整形，尤其在萬瓦級高功率大光纖芯徑的光纖輸出類雷射器光束勻化更具優勢，可大幅提升雷射熔覆、淬火等雷射加工應用性能。

(2)本實用新型的第一片雙曲面反射鏡近焦點與光纖輸出類光源出光點重合，遠焦點與第一片離軸拋物鏡焦點重合，在光纖輸出類光源入射下，第一片雙曲面反射鏡與第一片離軸拋物鏡對雷射束準直，並保證光斑形狀。

(3)本實用新型的第一片曲面反射鏡陣列與第二片曲面反射鏡陣列有相同的陣列單元尺寸，並一一對應，兩鏡片中心間距取決於第二片曲面反射陣列的陣列單元焦距，各陣列單元將準直雷射束整形分割成多個模塊，目的在於對後聚焦的雷射束勻化整形的同時，消除雷射器參數所引起的光暈。

(4)本實用新型的第二片離軸拋物鏡焦點與第二片雙曲面反射鏡遠焦點重合，對整形分割的模塊光束進行後聚焦並匯聚到近焦點，形成所需尺寸勻化光斑的同時，保證聚焦點光斑能量分布均勻性與形狀。

附圖說明

圖1為本實用新型的整體鏡片結構示意圖；

圖2為本實用新型的光路傳輸實施例；

圖3為本實用新型第二片離軸拋物鏡加工轉軸示意圖。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

請參閱圖1-3，本實用新型提供一種技術方案：一種全反射式消光暈光束勻化光學系統，包括第一片雙曲面反射鏡1、第一片離軸拋物鏡2、第一片曲面反射鏡陣列3、第二片曲面反射鏡陣列4、第二片離軸拋物鏡5以及第二片雙曲面反射鏡6，且第一片雙曲面反射鏡1、第一片離軸拋物鏡2、第一片曲面反射鏡陣列3、第二片曲面反射鏡陣列4、第二片離軸拋物鏡5以及第二片雙曲面反射鏡6鏡片均為90°光束偏轉角，第一片雙曲面反射鏡1、第一片離軸拋物鏡2、第一片曲面反射鏡陣列3、第二片曲面反射鏡陣列4、第二片離軸拋物鏡5以及第二片雙曲面反射鏡6鏡片中心對稱面共面。其中，第一片雙曲面反射鏡1與第一片離軸拋物鏡2、第二片離軸拋物鏡5與第二片雙曲面反射鏡6鏡面中心法線對應相互垂直，第一片離軸拋物鏡2、第一片曲面反射鏡陣列3、第二片曲面反射鏡陣列4以及第二片離軸拋物鏡5鏡面中心法線彼此相互平行。

本實用新型中，第一片雙曲面反射鏡1、第一片離軸拋物鏡2、第一片曲面反射鏡陣列3、第二片曲面反射鏡陣列4、第二片離軸拋物鏡5以及第二片雙曲面反射鏡6均為圓柱狀斜面反射鏡。

本實用新型中，所述第一片雙曲面反射鏡1、第一片離軸拋物鏡2、第二片離軸拋物鏡5以及第二片雙曲面反射鏡6均為凹面反射鏡。所述第一片曲面反射鏡陣列3、第二片曲面反射鏡陣列4均為凹面型陣列。

本實用新型中，所述第一片雙曲面反射鏡1、第一片離軸拋物鏡2、第一片曲面反射鏡陣列3、第二片曲面反射鏡陣列4、第二片離軸拋物鏡5以及第二片雙曲面反射鏡6均帶水冷通道。

實施例：

第一片雙曲面反射鏡1遠焦點與第一片離軸拋物鏡2焦點重合，光纖輸出類雷射出光點7與第一片雙曲面反射鏡1近焦點重合，在光纖輸出類雷射正入射下，經過第一片雙曲面反射鏡1反射並發散，發散光束再經過第一片離軸拋物鏡2，反射形成準直光束，且準直光束圓度不變，取決於入射光源。第一片曲面反射鏡陣列3與第二片曲面反射鏡陣列4有相同的陣列單元尺寸，第一片曲面反射鏡陣列3的陣列單元焦距與第二片曲面反射鏡陣列4的陣列單元焦距比值大於1，各陣列單元一一對應，兩鏡片中心間距取決於第二片曲面反射陣列4的陣列單元焦距，在準直光束入射下，第一片曲面反射鏡陣列3的陣列單元將光束分割反射並聚焦，各分割聚焦光束由第二片曲面反射鏡陣列4對應的陣列單元再次反射匯聚後，依次經過第二片離軸拋物鏡5以及第二片雙曲面反射鏡6，並反射聚焦到第二片雙曲面反射鏡6近焦距8處形成消光暈勻化光斑。其中，第二片離軸拋物鏡5焦點與第二片雙曲面反射鏡6遠焦點重合。

在上述實施例中，第一片曲面反射鏡陣列3與第二片曲面反射鏡陣列4可以是一維帶狀曲面反射鏡陣列，也可以是二維矩形曲面反射鏡陣列，甚至可以是其他類型的反射陣列。

對於一維帶狀曲面反射鏡陣列，近焦距8處的光斑寬度可以通過第二片離軸拋物鏡5的特殊加工實現。具體的，轉軸9為第二片離軸拋物鏡5拋物面中心轉軸，轉軸10、轉軸11則分別為離軸轉軸，通過採用轉軸10或轉軸11的離軸轉軸加工方式，即可改變近焦距8處的光斑寬度，寬度的多少取決於第一片雙曲面反射鏡1、第一片離軸拋物鏡2、第二片雙曲面反射鏡6焦距參數以及雷射器參數、第二片離軸拋物鏡5離軸轉軸間距。近焦距8處的光斑勻化長度則可以通過改變第一片曲面反射鏡陣列3與第二片曲面反射鏡陣列4陣列單元寬度、焦距等來實現。

本實用新型結構設計新穎，採用全反射式消光暈光束勻化光學系統，基於雙曲面鏡與離軸拋物鏡組合特性，基於雙片反射鏡陣列光束勻化整形及消光暈特性，基於金屬鏡片的直接水冷與良好導熱性，適用於光纖輸出類雷射束勻化整形，尤其在萬瓦級高功率大光纖芯徑的光纖輸出類雷射器光束勻化更具優勢，可大幅提升雷射熔覆、淬火等雷射加工應用性能。

儘管已經示出和描述了本實用新型的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的範圍由所附權利要求及其等同物限定。