一種基于自適應鏡可調雙焦點雙光路光學系統的制作方法

本發明涉及激光切割技術領域，具體為一種基于自適應鏡可調雙焦點雙光路光學系統。

背景技術：

激光加工技術涵蓋了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多種激光加工工藝，利用了激光與物質相互作用的基本特性。由于激光束與加工材料的非接觸性、加工速度與質量等優勢，奠定了激光加工技術是一種無可替代的高新技術。

當前激光切割占了整個激光加工行業的主要地位，其中又以光纖輸出類激光切割為首要。在高功率光纖激光切割中，一般采用單焦點外光路。通常地，光路的主要組成部分是準直、聚焦簡單的搭配方式。隨著激光功率的增大，切割板材的厚度也隨之增加，十個、數十個mm厚的板材切割也多有應用。但是，單焦點切割除了速度慢，切割板材的面型也并不理想，因此出現了同軸雙焦點激光切割應用。

雙焦點切割有助于提高中厚板材的切割速度與切割質量，常規的光纖激光切割雙焦點光路有兩種方案，一種通常在聚焦鏡鏡面上加工兩個曲面參數。比如，對于球面透鏡系統，在某一聚焦鏡鏡面上加工出兩個曲率半徑，即中心部分區域與邊緣部分區域有兩個不同的曲率半徑。另一種則是在準直鏡與聚焦鏡中間引入反射鏡，反射鏡中心部分為曲面，邊緣部分為平面，如此來實現雙焦點。無論是哪一種方案，均是在同一鏡面上實現兩套參數的設定，不僅給鏡片加工提高了難度，且鏡片加工質量以及分光區域范圍也很難保證。再者，同一鏡片表面上加工兩種參數，分光區域定下來后將限制入射光斑的尺寸，否則兩束分光能量差異較大將降低甚至失去雙焦點切割的價值，相較下，半透半反分光鏡受光斑尺寸的影響就小很多。

另外，常規的雙焦點光路結構，往往是一套鏡片參數決定一個定距離的雙焦點，對于不同厚度的板材切割，定距離的雙焦點并不一定是最佳配置，所以雙焦點間距可調在意義上十分重大，自適應鏡則可以滿足要求。

自適應鏡，作為一種曲面可變的特殊光學反射鏡片，與一定焦距的鏡片搭配，有其意想不到的調焦效果。常規的自適應鏡，其曲面類型涵蓋球面與非球面，球面自適應鏡用于光束偏轉角較小光路中，而非球面自適應鏡則常用于光束偏轉角較大的光路中。當下的自適應鏡，依靠鏡片背面的單氣流通道中充入氣壓，與鏡面外氣壓形成壓差，通過壓差的改變，來改變自適應鏡的曲面焦距，自適應鏡壓差與焦距往往存在線性關系，加上金屬直接水冷結構，奠定了自適應鏡無可替代的優勢。

基于上述各點，設計出一種焦點可調、便于高功率光纖激光器應用的光路顯得尤為重要。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于自適應鏡可調雙焦點雙光路光學系統，具體是通過以下技術方案實現的：

一種基于自適應鏡可調雙焦點雙光路光學系統，包括消像差準直鏡、第一分光鏡、第二分光鏡、第一反射鏡、第二反光鏡、自適應鏡以及第一消像差聚焦鏡、第二消像差聚焦鏡；所述消像差準直鏡與激光光軸同軸設置，第一分光鏡設置在消像差準直鏡出射光側，第一分光鏡與消像差準直鏡的呈45度傾斜設置；第一反射鏡平行設置在第一分光鏡反射光面的一側，并與第一分光鏡的反射光軸呈45度角；

所述第一分光鏡的透射光軸與激光光軸同軸，且在第一分光鏡的透射光側設有第二分光鏡，第二分光鏡中心軸與第一分光鏡中心軸呈垂直設置；

所述第二分光鏡的反射光軸與激光光軸垂直，第二分光鏡的反射光側設有第二反光鏡，第二反光鏡與第二分光鏡的反射光軸呈45度角，第二反光鏡的反射光側設有第一消像差聚焦鏡，第一消像差聚焦鏡與激光光軸同軸設置；第二分光鏡的透射光側設有第二消像差聚焦鏡，第二消像差聚焦鏡與激光光軸同軸設置；

所述第一反射鏡的反射光側設有自適應鏡，自適應鏡的中心軸與第一反射鏡的中心軸垂直，且自適應鏡平行對應于第二分光鏡設置。

進一步的，所述消像差準直鏡、第一分光鏡、第二分光鏡、第一反射鏡、第二反光鏡以及第一消像差聚焦鏡、第二消像差聚焦鏡均為圓柱狀。

進一步的，所述消像差準直鏡、第一分光鏡、第二分光鏡、第一反射鏡、第二反光鏡、自適應鏡以及第一消像差聚焦鏡、第二消像差聚焦鏡均通過光路管進行相應連接。

進一步的，所述自適應鏡為縱截面呈橢圓的柱狀，其縱截面橢圓的長軸與短軸比為

進一步的，所述自適應鏡為金屬非球面反射鏡。

進一步的，所述第一分光鏡、第二分光鏡的反射率與透射率比均為r:t＝50:50。

本發明的有益效果是：

(1)、本發明結構設計新穎，采用分光合束方案，基于自適應鏡一定范圍內連續可調焦距特性，基于半透半反分光鏡r:t＝50:50分光特性，聚焦段輔以保護窗口，適用于高功率光纖激光器激光切割應用，特別有助于改善中厚板材的光纖激光切割質量與效率。

(2)、本發明中，光纖激光器自消像差準直鏡組前焦點輸出光束，經由消像差準直鏡準直、分光鏡的二次分光，以及自適應鏡反射，使得消像差聚焦鏡組聚焦構成固定焦點和可調焦點，可調焦點對應的光束為可調聚焦光束，單光路的固定聚焦光束與可調聚焦光束中心軸共軸，雙焦點同軸。

(3)本發明分光鏡反射率與透射率比為r:t＝50:50，雙光路分光功率相當。通過調節自適應鏡焦距，兩組可調焦點與對應的固定焦點間距可實現連續變化，構成可調雙焦點雙光路光學系統，且雙光路的雙焦點間距總能保持基本相同。

(4)、本發明提出采用分光合束方案，基于自適應鏡一定范圍內連續可調焦距特性，基于半透半反分光鏡r:t＝50:50分光特性，聚焦段輔以保護窗口，適用于高功率光纖激光器激光切割應用，改善了中厚板材的光纖激光切割質量，提高了效率。

附圖說明

圖1為本發明的整體光路結構示意圖；

圖2為本發明的實際使用示意圖；

圖中序號：激光出光點1、消像差準直鏡2、第一分光鏡3、第一反射鏡4、自適應鏡5、第一消像差聚焦鏡6、第二分光鏡7、第二反光鏡8、第二消像差聚焦鏡9、固定焦點10。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

參見圖1，一種基于自適應鏡可調雙焦點雙光路光學系統，包括消像差準直鏡2、第一分光鏡3、第二分光鏡7、第一反射鏡4、第二反光鏡8、自適應鏡5以及第一消像差聚焦鏡6、第二消像差聚焦鏡9；所述消像差準直鏡2與激光光軸同軸設置，第一分光鏡3設置在消像差準直鏡2出射光側，第一分光鏡3與消像差準直鏡2的呈45度傾斜設置；第一反射鏡4平行設置在第一分光鏡3反射光面的一側，并與第一分光鏡3的反射光軸呈45度角；

所述第一分光鏡3的透射光軸與激光光軸同軸，且在第一分光鏡3的透射光側設有第二分光鏡7，第二分光鏡7中心軸與第一分光鏡3中心軸呈垂直設置；

所述第二分光鏡7的反射光軸與激光光軸垂直，第二分光鏡7的反射光側設有第二反光鏡8，第二反光鏡8與第二分光鏡7的反射光軸呈45度角，第二反光鏡8的反射光側設有第一消像差聚焦鏡6，第一消像差聚焦鏡6與激光光軸同軸設置；第二分光鏡7的透射光側設有第二消像差聚焦鏡9，第二消像差聚焦鏡9與激光光軸同軸設置；

所述第一反射鏡4的反射光側設有自適應鏡5，自適應鏡5的中心軸與第一反射鏡4的中心軸垂直，且自適應鏡5平行對應于第二分光鏡7設置。

進一步的，所述消像差準直鏡2、第一分光鏡3、第二分光鏡7、第一反射鏡4、第二反光鏡8以及第一消像差聚焦鏡6、第二消像差聚焦鏡9均為圓柱狀。

進一步的，所述消像差準直鏡2、第一分光鏡3、第二分光鏡7、第一反射鏡4、第二反光鏡8、自適應鏡5以及第一消像差聚焦鏡6、第二消像差聚焦鏡9均通過光路管進行相應連接。

進一步的，所述自適應鏡5為縱截面呈橢圓的柱狀，其縱截面橢圓的長軸與短軸比為

進一步的，所述自適應鏡5為金屬非球面反射鏡，自適應鏡5的背部帶有水冷通道與氣流通道，可直接水冷，并通過氣流通道內輸入氣壓的改變來改變自適應鏡焦距。

進一步的，所述第一分光鏡3、第二分光鏡7的反射率與透射率比均為r:t＝50:50。

實際使用時，參見圖2，光纖激光出光點1自消像差準直鏡2前焦點輸出光束，經由消像差準直鏡2準直，準直光束由第一分光鏡3分光，分光后的透射光束經過第二分光鏡7進行二次分光，二次分光后的反射光束經過第二反射鏡8反射并由第一消像差聚焦鏡6聚焦構成固定焦點10，二次分光后的透射光束則經過第二組消像差聚焦鏡9聚焦構成固定焦點10，固定焦點10對應的光束為固定聚焦光束；同時，經過第一分光鏡3分光后的反射光束，由第一反射鏡4反射，反射光束后經自適應鏡5反射，自適應鏡5反射光束再由第二分光鏡7進行二次分光，二次分光后的反射光束由第二組消像差聚焦鏡9聚焦構成可調焦點，二次分光后的透射光束則經過第二反射鏡8反射后由第一消像差聚焦鏡6聚焦構成可調焦點，可調焦點對應的光束為可調聚焦光束。其中，聚焦光束每道光路的固定聚焦光束與可調聚焦光束中心軸共軸，雙焦點同軸；此時通過調節自適應鏡5輸入的氣壓大小來調控焦距變化，兩組可調焦點與對應的固定焦點10間距便可實現連續變化，從而構成可調雙焦點雙光路光學系統，且雙光路的雙焦點間距總能保持基本相同；確保了聚焦光路對應的固定聚焦光束與可調聚焦光束中心軸共軸，雙焦點同軸，有利于激光切割應用。

本發明結構設計新穎，采用分光合束方案，基于自適應鏡一定范圍內連續可調焦距特性，基于分光鏡r:t＝50:50分光特性，聚焦段輔以保護窗口，適用于高功率光纖激光器激光切割應用，特別有助于改善中厚板材的光纖激光切割質量與效率。

盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。