[实用新型]一种高功率连续变倍扩束球面镜光学系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及高功率激光切割技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种高功率连续变倍扩束球面镜光学系统。

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。

当前激光切割占据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。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，由于光纤的柔韧性以及对近红外光束有很好的耦合输出的性能，使得光纤输出类激光器的市场占有率日益突出。目前千瓦级光纤输出类激光器已相当普及，万瓦级激光器也逐步上映市场。随着光纤激光器激光功率的提高，高功率激光加工镜片从基材到镀膜的工艺水平也不断提升。

光纤激光高功率激光头一般为定焦加工头，也就是准直镜焦距与聚焦镜焦距往往固定，通过换不同焦距的聚焦镜方式来实现不同厚度板材的切割。目前，用于高功率激光加工镜片有两类，一类是消像差球面镜组合镜组，一类是消像差非球面镜。相较于消像差非球面镜，消像差球面镜更容易加工，易于批量化，能够很好的保证加工的一致性，同时价格相对较低，售后维护更加方便，但消像差效果较消像差非球面镜差一些。

随着激光功率的增加，光纤激光器光束质量会有所变差，对于同等光纤芯径下，通常用于切割的中低功率光纤激光器NA≤0.08，而光纤激光功率达到4kW左右，部分供应商的光纤激光器NA≤0.1，这对于折射率较低的熔融石英镜片材料而言，球面组合镜要达到衍射极限图像品质更加困难，加之热透镜效应的存在，常规的准直镜与聚焦镜组合，并不利于高功率下光纤激光切割，包括切割板材厚度、速度以及切割质量。

再者，对于不同厚度的板材，理论上对应一组最佳的焦距配置，以替换聚焦镜的方式，效果并未达到最佳。连续变倍扩束聚焦系统的出现，实现了一套光路替换多组镜片组合的情况。在国外，连续变倍扩束系统的镜片往往用非球面镜，较常见的为4片式非球面镜系统或非球面镜与球面镜混合系统，总体来讲价格很贵，且镀膜要求也较高，变倍镜片上光斑最小，增加了使用风险，这对于国产镜片，从加工难度与镀膜难度无疑有所增加。

从激光镀膜来讲，按相同功率镀膜的镜片，损伤阈值与入射光斑大小息息相关，入射光斑越大，镜片能够稳定承受的激光功率往往越高，因此一定程度上增大镜面上的光斑尺寸，有助于降低热透镜效应对系统光路结构的影响。

因此，如何提供一种价格低廉、易于批量加工以及降低热透镜效应且兼容对薄中厚板材的切割速度与质量的光纤激光高功率激光头光路系统成为了研究热点。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本实用新型还有一个目的是提供了一种高功率连续变倍扩束球面镜光学系统，其结构新颖，能够独立移动调焦镜组和变倍镜组，省去了现有技术中的补偿镜组与变倍镜组共同移动改变聚焦焦点位置的问题，降低了机械结构设计加工难度，降低了镜片数量，单独改变变倍镜组位置，聚焦焦点会有最多几个mm的移动，主要改变聚焦点光斑直径，单独小范围调节调焦镜组位置，聚焦焦点光斑直径有细微变化，聚焦焦点位置则可实现较大范围的变化，实现聚焦焦点光斑倍数调节与焦点位置调节。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种高功率连续变倍扩束球面镜光学系统，包括沿光线传输方向依次共轴设置的用于聚焦焦点调焦的调焦镜组、用于调节聚焦焦点光斑倍数的变倍镜组、固定聚焦镜以及保护镜片；

其中，所述调焦镜组和所述变倍镜组相互分离并可单独移动。调焦镜组和变倍镜组的单独运动实现了连续变倍扩束系统的焦点光斑倍数调节与焦点位置调节，避免了现有技术中需要同时移动，不便于调节聚焦焦点，并且一体化的结构增加了机械结构设计加工的难度，本实用新型通过分离式的结构，降低了加工难度，降低了镜片数量，单独改变变倍镜组位置，聚焦焦点移动量可控制在几个mm的移动，主要改变聚焦点光斑直径；单独小范围移动调焦镜组，聚焦焦点位置可大幅变化。

优选的是，其中，所述调焦镜组包括第一平凸镜和第一弯月镜，所述第一平凸镜的平面朝向光线入射方向，所述第一平凸镜的凸面朝向所述第一弯月镜的凸面；

所述变倍镜组包括双凸镜、第二弯月镜以及第二平凸镜，所述第二弯月镜的凸面朝向所述双凸镜，所述第二弯月镜的凹面朝向所述第二平凸镜的凸面；

所述固定聚焦镜为第三弯月镜，所述第三弯月镜的凸面朝向所述第二平凸镜的平面。