[實用新型]一種全反射式消光暈光束勻化光學系統

有效

• 申請號: 201720138311.3
• 申請日: 2017-02-16
• 公開（公告）號: CN206431372U
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 邵華江;李思佳;李思泉
• 申請（專利權）人: 上海嘉強自動化技術有限公司
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 北京權智天下知識產權代理事務所(普通合伙)11638
• 代理人: 王新愛

技術領域

本實用新型涉及激光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

激光加工技術涵蓋了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多種激光加工工藝，利用了激光與物質相互作用的基本特性。由于激光束與加工材料的非接觸性、加工速度與質量等優勢，奠定了激光加工技術是一種無可替代的高新技術。

當前激光切割占了整個激光加工行業的主要地位，其中又以光纖輸出類激光切割為首要。而隨著激光功率的提高，高功率光纖激光輸出類的激光焊接、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。

光纖輸出類激光器涵蓋了光纖激光器以及半導體光纖耦合激光器，因為光纖柔韌性以及對近紅外光束有很好的耦合輸出，使得光纖輸出類激光器市場占有率日益突出。目前光纖輸出類激光器千瓦級已是相當普及，萬瓦級激光器也逐步上映市場，讓光纖激光各類加工工藝越加普遍化。然而，隨著激光功率的增加，光纖芯徑也隨之增大，這也給激光熔覆、淬火等一些激光加工要求特殊的應用產生了限制。

因為，在工業激光熔覆、淬火中，往往需要對激光束進行勻化，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，而部分特殊的激光焊接應用，也會用到勻化的聚焦光斑。

在激光加工應用中，激光熔覆特別是激光淬火，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，將導致激光淬火搭接處回火從而降低材料表面硬度。而常規的激光束勻化，平頂光束光暈會受到激光器參數的影響，對于光纖芯徑較大的光纖輸出類激光器，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，但是激光功率的增大，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污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激光功率，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，往往因為激光器參數的差異而影響使用效果，甚至于因為激光器參數而無法滿足客戶需求。

另外，對于光纖類輸出激光器光束勻化整形，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后發生形變。比如，圓形發散點光源經過離軸拋物鏡準直后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激光能量分布均勻性。

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

實用新型內容

本實用新型的目的在于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。