[实用新型]一种全反射式消光晕光束匀化光学系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及激光加工的光束整形技术领域，具体为一种全反射式消光晕光束匀化光学系统。

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。由于激光束与加工材料的非接触性、加工速度与质量等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。

当前激光切割占了整个激光加工行业的主要地位，其中又以光纤输出类激光切割为首要。而随着激光功率的提高，高功率光纤激光输出类的激光焊接、熔覆、淬火等加工工艺也逐步得到更广泛的扩展与提升，覆盖了冶金、汽车、航空、船舶等诸多领域。

光纤输出类激光器涵盖了光纤激光器以及半导体光纤耦合激光器，因为光纤柔韧性以及对近红外光束有很好的耦合输出，使得光纤输出类激光器市场占有率日益突出。目前光纤输出类激光器千瓦级已是相当普及，万瓦级激光器也逐步上映市场，让光纤激光各类加工工艺越加普遍化。然而，随着激光功率的增加，光纤芯径也随之增大，这也给激光熔覆、淬火等一些激光加工要求特殊的应用产生了限制。

因为，在工业激光熔覆、淬火中，往往需要对激光束进行匀化，也就是需要将高斯或类高斯光束整形为平顶光束，再进行材料的表面改性与硬化处理，而部分特殊的激光焊接应用，也会用到匀化的聚焦光斑。

在激光加工应用中，激光熔覆特别是激光淬火，除了对匀化平顶光束的均匀性有要求外，还对平顶光束边缘光晕有较高的要求，较大光晕的平顶光束，将导致激光淬火搭接处回火从而降低材料表面硬度。而常规的激光束匀化，平顶光束光晕会受到激光器参数的影响，对于光纤芯径较大的光纤输出类激光器，匀化的平顶光束往往会带有较大光晕，也就是均匀分布方向上的两端会出现较大的非均匀区。

平顶光束的获得方法有多种，如透镜阵列整形、波导整形、二元光学元件整形、积分镜整形等，但是激光功率的增大，势必对透镜类的产品提出严峻考验。一方面是透镜类增透膜损伤阈值问题，另一方面则是实际应用中使用环境对透镜材料污染所引起的稳定性问题，再者是透镜无法直接冷却，且导热性较差，都将严重限制透镜类产品的高功率应用。

金属反射镜能够直接水冷且导热性良好，在保证较小的通光孔径下，依旧能够承受极高的激光功率，这是难以替代的优势，积分镜作为金属反射镜中的一种匀化整形镜代表，往往因为激光器参数的差异而影响使用效果，甚至于因为激光器参数而无法满足客户需求。

另外，对于光纤类输出激光器光束匀化整形，需要配合准直镜与聚焦镜。金属反射式曲面镜因为镜片光束偏转角的存在，镜面通常由离轴抛物面、离轴椭球面以及离轴双曲面构成，离轴抛物镜有一个焦点；离轴椭球面镜有两个焦点；离轴双曲面镜有两个焦点，镜面对应焦点为近焦点，另一焦点为远焦点。然而单一的三种镜面，都将导致原入射光束经过镜片后发生形变。比如，圆形发散点光源经过离轴抛物镜准直后准直光斑圆度将发生变化，即产生了形变。这会影响反射式光束匀化整形聚焦光斑形状与激光能量分布均匀性。

基于上述各点，本实用新型提出一种全反射式消光晕光束匀化光学系统，基于双曲面镜与离轴抛物镜组合特性，基于双片反射镜阵列光束匀化整形及消光晕特性，基于金属镜片的直接水冷与良好导热性，适用于光纤输出类激光束匀化整形，尤其在万瓦级高功率大光纤芯径的光纤输出类激光器光束匀化更具优势。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种全反射式消光晕光束匀化光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种全反射式消光晕光束匀化光学系统,其包括第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜，且第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜镜片均为90°光束偏转角，第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜镜片中心对称面共面。其中，所述第一片双曲面反射镜与第一片离轴抛物镜、第二片离轴抛物镜与第二片双曲面反射镜镜面中心法线对应相互垂直，所述第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列以及第二片离轴抛物镜镜面中心法线彼此相互平行。

优选的，所述第一片双曲面反射镜、第一片离轴抛物镜、第一片曲面反射镜阵列、第二片曲面反射镜阵列、第二片离轴抛物镜以及第二片双曲面反射镜均为圆柱状斜面反射镜。