[发明专利]形成点环光斑的光学系统

说明书

本发明公开了一种形成点环光斑的光学系统，包括光纤、锥台形光学偏转元件和光学成像系统；所述锥台形光学偏转元件及所述光学成像系统设置在光纤输出光路上，所述光学成像系统设置在锥台形光学偏转元件前侧和/或后侧；所述光纤发出的光经过锥台形光学偏转元件和所述光学成像系统组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑，本发明能实现各种光斑结构要求的光学系统，同时构成该系统的元件能够采用传统光学加工技术制造，降低了系统的制造难度，从而能够大大降低系统的制造成本。

技术领域

本发明属于激光加工领域，特别涉及形成点环光斑的光学系统。

背景技术

在高功率激光加工领域引入点环光斑，通过预热中心工作点周围的材料，可以实现抑制材料飞溅、预热缓冷、获得更好的加工效率、更好的加工质量等技术优势。目前市场上实现点环形光斑的技术途径主要有两种：coherent公司通过多层光纤同时在中心形成点光斑在边缘形成环状光斑；大族激光已公开的发明(CN 206952364 U)通过使用包含光纤、准直透镜、圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜和环形光斑聚焦透镜的光学系统来获得点环光斑。其中：前者系统复杂性高，价格极其昂贵；后者所使用的圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜和环形光斑聚焦透镜等光学元件加工非常复杂，价格昂贵，中心点光斑的单片透镜汇聚系统通常像差较大。市场上现有技术均无法以低成本可靠的实现点环形光斑。

这两种技术方案在使用中主要存在以下问题：

一、在激光加工中，需要按照工艺要求对点环光斑的结构参数进行调整，参数包括中心光斑大小、环光斑直径、环光斑宽度及点环光斑能量分配，还需要能实现整体光斑变大变小，即系统变焦。在这些要求中，coherent公司方案不能改变光斑结构关系，但可以通过光学系统进行变焦，改变光斑大小。大族公司方案可以改变光斑结构，但系统结构无法提供变焦能力，不能进行光斑整体变大或变小。

二、coherent公司方案系统复杂性高，价格极其昂贵；大族公司方案中使用的圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜和环形光斑聚焦透镜等光学元件加工非常复杂，价格昂贵。特别是，圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜需要自由曲面加工设备制造。

市场上现有技术均无法满足激光加工对点环光斑的要求，也无法提供低成本可靠的实现点环形光斑的系统。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种能实现各种光斑结构要求的光学系统，同时构成该系统的元件能够采用传统光学加工技术制造，降低了系统的制造难度，从而能够大大降低系统的制造成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，形成点环光斑的光学系统，包括光纤、锥台形光学偏转元件和光学成像系统；所述锥台形光学偏转元件及所述光学成像系统设置在光纤输出光路上，所述光学成像系统设置在锥台形光学偏转元件前侧和/或后侧；所述光纤发出的光经过锥台形光学偏转元件和所述光学成像系统组成的系统后，在某个面上形成一个点环状结构的光斑。

进一步的，当所述光学成像系统设置在锥台形光学偏转元件前侧和后侧时，所述光学成像系统包括第一光学成像子系统和第二光学成像子系统，所述第一光学成像子系统设置在锥台形光学偏转元件前侧，所述第二光学成像子系统设置在锥台形光学偏转元件后侧。

进一步的，所述锥台形光学偏转元件包括相互平行的顶面和底面，顶面的周边为锥形面，所述锥台形光学偏转元件的底面朝向光纤的光源输出。

进一步的，还包括一复合透镜，所述复合透镜靠近所述锥台形光学偏转元件设置，所述复合透镜中心部分和四周部分的焦距不同。

进一步的，所述复合透镜靠近所述锥台形光学偏转元件的顶面。

进一步的，所述复合透镜中心部分为平行平板，四周为正透镜；或者，所述复合透镜的中心部分为负透镜、四周为平行平板。

进一步的，所述复合透镜两个面的中心部分为平面、四周部分一个为凸面另一个为平面。