[发明专利]一种双片式非球面镜ZOOM光学系统

说明书

本发明公开了一种双片式非球面镜ZOOM光学系统，包括非球面正弯月镜、非球面双凸镜及保护镜。本发明结构设计新颖，采用全非球面镜光学系统，基于非球面镜数量少、消像差效果好优势，基于变倍镜对聚焦光斑的变倍特性与调焦补偿镜对聚焦焦点的调焦特性，基于较大数值孔径下消像差衍射极限图像品质，基于镀膜损伤阈值与镜面光斑大小关系及降低热透镜效应，通过调焦补偿镜与变倍镜位置配合调节，实现对聚焦光斑大小、发散角大小、焦点位置的连续调节，适用于高功率光纤激光切割应用，尤其是兼容了对薄中厚板材的切割速度与质量。

技术领域

本发明涉及高功率光纤激光切割技术领域，具体为一种双片式非球面镜ZOOM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。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。而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工艺与水平也不断提升。

光纤激光高功率激光头一般为定焦加工头，即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，消像差球面镜虽然更容易加工，易于批量化，且加工的一致性可以得到很好的保证，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，且镜片数量上较非球面镜方案数量多出很多，这对于高功率激光切割应用时的热透镜效应并不有利。

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在发散半角80mrad(1/e^2)左右，而光纤激光功率达到4kW以上甚至更高如万瓦级，部分供应商的光纤激光器发散半角几乎在100mrad(1/e^2)左右，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，加之即便是同样功率下各家激光器发散半角与能量分布上都会有所区别，采用常规定焦切割头并不能很好兼容各种板材的切割。

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即ZOOM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，高功率连续变倍扩束系统的镜片通常采用非球面镜方案，较常见的如Precitec、HighYAG等为4片式非球面镜系统，国内也有3片式非球面镜方案，其中除了总体价格很贵、热透镜效应更大以外，由于光路系统中间至少有一片透镜表面光斑尺寸非常小，相应的镀膜要求也非常高，增加了使用风险，从加工难度与镀膜难度无疑也会大幅增加。

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，因此通过设计一定程度上增大镜面上的光斑尺寸，有助于提高镜片实际承受功率，降低热透镜效应对系统光路结构的影响，提高稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双片式非球面镜ZOOM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，本发明提供如下技术方案：一种双片式非球面镜ZOOM光学系统，包括非球面正弯月镜、非球面双凸镜及保护镜；所述非球面正弯月镜、非球面双凸镜及保护镜镜片中心轴同轴，均为熔融石英材料；所述非球面正弯月镜凹面朝向光纤耦合输出激光器出光点，对应两个镜面有且仅有一个镜面为非球面，另一个镜面则为球面，有效焦距在50mm～250mm之间；