[发明专利]一种可变焦深激光切割头光学系统

说明书

为解决现有长焦深激光切割头光学参数固定导致其无法适应不同切割需求的问题，本发明提出了一种可变焦深激光切割头光学系统，包括沿光路依次设置的锥透镜、第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜；锥透镜和第一光学透镜间为固定光学间距；第一光学透镜和第二光学透镜间、第二光学透镜和第三光学透镜间为可变光学间距；锥透镜用于产生无衍射光丝；第一、第二和第三光学透镜构成倒置变倍缩束系统，光焦度始终为零，随着光学间距的调整，所述倒置变倍缩束系统的光束缩小倍率为10x‑20x。本发明不仅可实现长焦深、小光斑激光光束输出，还可通过调整光学元器件的光学间距，实现激光光束焦深和光斑直径的变化，满足激光切割多种应用需求。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，涉及一种可变焦深激光切割头光学系统。

背景技术

激光切割是一种先进的加工技术，通过聚焦到材料表面产生的热效应或高密度激光高能光子引发的光化学反应实现材料去除，有以下优势：1.加工材料无选择性；2.可调控参数多样，制造精度高；3.非接触加工，无道具磨损。同时，激光切割还具有切割质量好、切割效率高、切割速度快、适应性好、维护成本低等优点。基于上述优势，目前激光切割已经大规模应用于工业生产中，通常情况下金属是激光切割的主要对象，其他加工对象还有塑料、陶瓷、硅片、玻璃等。

激光切割头是激光切割设备的核心器件之一，其性能直接决定切割质量和切割效率，激光焦深和聚焦光斑直径是激光切割头主要技术指标，为了实现较厚材料的切割，且切割边缘更为平整，通常会采用激光光学元器件实现长焦深和小聚焦光斑的汇聚光束输出，并进行加工，可以满足一般加工需求。

长焦深激光切割头可以通过多种光学原理实现，市面上也有多种对应产品，但是基本上都是光学参数固定的切割头，不能满足不同材料、不同切割厚度、不同切割质量的切割需求。

发明内容

为了解决现有的长焦深激光切割头光学参数固定导致其无法适应不同切割需求的技术问题，本发明提出了一种可变焦深激光切割头光学系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种可变焦深激光切割头光学系统，其特殊之处在于：

包括沿光路依次设置的锥透镜、第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜；锥透镜和第一光学透镜之间为固定光学间距；第一光学透镜和第二光学透镜之间、第二光学透镜和第三光学透镜之间为可变光学间距；

锥透镜用于产生无衍射光丝；

第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜构成倒置变倍缩束系统，光焦度始终为零，随着光学间距的调整，所述倒置变倍缩束系统的光束缩小倍率为10x-20x。

进一步地，锥透镜入射面为平面，出射面为锥面，锥角角度为2°-5°，光学间距为2.52mm；第一光学透镜入射面为凸面，出射面为平面，入射面曲率半径为85.3mm，光学间距为8.26mm；第二光学透镜入射面为凹面，出射面为平面，入射面曲率半径为16.66mm，光学间距为2.14mm；第三光学透镜入射面和出射面均为凸面，并且入射面与出射面曲率半径均为38.43mm，光学间距为3.06mm；锥透镜和第一光学透镜之间的光学间距为60mm；第一光学透镜和第二光学透镜之间光学间距在134.8mm-146.6mm之间可调；第二光学透镜和第三光学透镜之间光学间距在5.2mm-15.7mm之间可调。

进一步地，锥透镜、第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜的面型精度小于0.005mm。

进一步地，锥透镜、第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜中，相邻两个光学元件之间的光学间距误差小于0.05mm。

进一步地，锥透镜、第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜的轴偏移均小于0.02mm，角度偏移小于0.5′。

进一步地，锥透镜、第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜均由熔融石英制成。