一种点环分布激光光学系统及使用方法与流程

1.本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种点环分布激光光学系统及使用方法。


背景技术：

2.激光加工技术是利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化气化而进行穿孔,切割和焊接等的特种加工技术，一般包括激光焊接、熔覆、切割、打孔等多种加工方式。基于加工能量集中、加工速度快、与加工工件零接触、加工精度高等特点，激光加工技术逐渐成为一种主流加工技术。
3.激光焊接具有焊接速度快、深度大、热影响区窄、热变形小、能在室温或特殊的条件下进行焊接、焊接设备装置简单等特点。激光焊接一般分为热传导焊接和深熔焊两种工作方式，在高功率激光器焊接中，一般以深熔焊为主。由于激光光斑为高斯分布，中间功率密度高，边缘功率密度低，导致在深熔焊时易产生飞溅；同时，当焊接扫描速度过高时，高斯光斑的功率密度分布易导致焊接熔深和熔度不稳定和焊接外观一致性较差，降低焊接质量。
4.为了避免焊接中心出现沸腾及烧蚀现象、减少飞溅和提高焊接质量，必须改善激光光斑能量分布。当前改善激光光斑能量分布的方式有两种途径，一种是基于激光光源内部调整光斑能量分布，一种是在光束传输过程中进行光强调制。基于激光光源的调制方式，会导致光学系统成本极大提高。并且，只能工作在焦平面附近，当离焦一定程度时，光斑分布趋向于高斯分布，无法有效减小飞溅和提高焊接质量。基于光束传输过程中的光强调制，一般采用双片式微透镜阵列组的方式实现点、点环式光斑能量可调；但基于双微透镜阵列的调制模式，不同光纤芯径对于双微透镜组兼容性较差，且同样存在成本过高的问题。


技术实现要素：

5.针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种点环分布激光光学系统及使用方法，旨在解决现有的技术中心采用激光光源内部调整光斑能量分布时，存在焊接质量较差和成本较高的问题，以及采用双微透镜组进行光束调制时兼容性较差和成本过高的问题。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种点环分布激光光学系统，包括：衍射光学元件、聚焦透镜和工作平面；
7.入射光束传输至所述衍射光学元件，经过所述衍射光学元件调制后传输至所述聚焦透镜，经过所述聚焦透镜的聚焦后在所述工作平面形成预设形状的点环式组合光斑；
8.所述衍射光学元件由第一区域和第二区域组成；所述第一区域为未刻蚀区域，所述入射光束经过所述第一区域后在所述工作平面形成高斯光斑；所述第二区域为刻蚀区域，所述刻蚀区域采用轴棱锥调制得到，用于对入射光束添加预设角度的轴棱锥相位，在所述工作平面形成环形光束；
9.所述第一区域和所述第二区域对所述入射光束具有相同的数值孔径；所述高斯光斑和所述环形光束组合形成所述预设形状的点环式组合光斑。
10.可选的，调节所述衍射光学元件与所述入射光束的入射点沿光轴之间的距离，用于改变所述入射光束照射到所述衍射光学元件的第一区域和第二区域的面积比，连续调节所述点环式组合光斑的能量大小。
11.可选的，还包括：准直透镜；
12.所述准直透镜对所述入射光束进行准直扩束处理。
13.可选的，所述准直透镜位于所述衍射光学元件和所述聚焦透镜之间；
14.所述入射光束经过所述衍射光学元件调制后传输至所述准直透镜，调制后的光束经过准直扩束处理后入射至所述聚焦透镜，处理后的光束经过所述聚焦透镜的聚焦后在所述工作平面形成预设形状的点环式组合光斑；
15.通过改变所述衍射光学元件距离所述入射光束的入射点的距离，改变所述第一区域和所述第二区域的调制区域接收的所述入射光束的面积。
16.可选的，所述准直透镜位于所述衍射光学元件和所述入射光束的入射点之间；
17.所述入射光束经过所述准直透镜位准直扩束处理后，生成平行光束入射至所述衍射光学元件，所述平行光束经过所述衍射光学元件调制后传输至所述聚焦透镜，调制后的光束经过所述聚焦透镜的聚焦后在所述工作平面形成预设形状的点环式组合光斑；
18.通过改变所述准直透镜距离所述入射点的距离，改变输出光斑扩束比，从而改变所述第一区域和所述第二区域的调制区域接收的所述入射光束的面积。
19.可选的，更换具有相同轴棱锥相位和不同刻蚀面积的衍射光学元件，连续调节所述点环式组合光斑的能量大小。
20.可选的，更换具有相同刻蚀面积和不同轴棱锥相位的衍射光学元件，连续调节环形光束与点光斑中心的间距大小，调节所述点环式组合光斑的预设形状。
21.可选的，所述第二区域为沿着所述衍射光学元件边缘均匀设置的多个扇形封闭区域，剩余的连通区域为所述第一区域。
22.可选的，所述刻蚀区域的相位还包括透镜补偿相位；
23.所述透镜补偿相位用于调整所述环形光束的聚焦焦距，所述环光束聚焦于沿光轴方向的任意区域第二方面，本发明提供了一种点环分布激光光学系统的使用方法，适用于第一方面中所述的一种点环分布激光光学系统中，包括：
24.s1、激光器发出的光束入射至衍射光学元件，入射光束在所述衍射光学元件的两个区域受到不同的相位调制；
25.s2、经所述衍射光学元件调制后的光束由聚焦透镜聚焦后在工作平面形成预设形状的点环式组合光斑；
26.s3、通过改变所述入射光束照射到所述衍射光学元件的两个区域面积比的变化，连续调节点环式组合光斑的能量大小；
27.s4、通过添加具有不同倾斜角度的轴棱锥相位刻蚀区域的衍射光学元件，连续调节环形光束与点光斑中心的间距大小。
28.可选的，所述通过改变所述入射光束照射到所述衍射光学元件的两个区域面积比的变化，连续调节点环式组合光斑的能量大小，包括：
29.通过改变所述衍射光学元件距离所述入射光束的入射点的距离，改变第一区域和第二区域的调制区域接收的所述入射光束的面积；
30.或者，通过改变准直透镜距离所述入射点的距离，改变输出光斑扩束比，从而改变所述第一区域和所述第二区域的调制区域接收的所述入射光束的面积；
31.或者，更换具有相同轴棱锥相位和不同刻蚀面积的衍射光学元件；
32.连续调节所述点环式组合光斑的能量大小。
33.通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
34.(1)本发明光学系统简洁高效，基于单片衍射光学元件光学调制与光学系统相互配合实现组合光斑的变化，在满足高功率焊接的同时，可以有效减小焊接飞溅、提升焊接质量、提高焊接速度，具有成本低、调节方式简洁高效等优势。
35.(2)本发明通过衍射光学元件与光学系统相互配合，实现在点环式组合光斑的功率比连续可调，在减小飞溅与提升焊接质量的同时，满足不同材料不同焊接功率分布的焊接需求。
36.(3)本发明通过在光学系统中直接更换具有不同倾斜角度的轴棱锥相位衍射光学元件，实现在点环式组合光斑的中心距连续可调，且中心聚焦光斑与边缘环形光斑具有相同的宽度尺寸，满足不同材料不同焊接宽度的需求。
附图说明
37.图1为本发明实施例一提供的一种点环分布激光光学系统的结构示意图；
38.图2为本发明实施例一提供的衍射光学元件的表面结构示意图；
39.图3a为本发明实施一提供的工作平面上形成的点环式光斑二维光强分布示意图；
40.图3b为本发明实施一提供的工作平面上形成的点环式光斑一维光强分布示意图；
41.图4为本发明实施一提供的另一种点环分布激光光学系统的结构示意图；
42.图5为本发明实施一提供的不同尺寸光斑照射到衍射元件表面示意图；
43.图6为本发明实施一提供的不同尺寸光斑在工作面上形成的点环式组合光斑的能量分布示意图；
44.图7为本发明实施二提供的一种点环分布激光光学系统的结构示意图；
45.图8为本发明实施二提供的具有相同刻蚀相位和不同刻蚀面积的衍射光学元件的示意图；
46.图9为本发明实施四提供的实现点环式组合光斑不同功率比的示意图；
47.图10为本发明实施四提供的不同刻蚀相位信息和相同刻蚀面积衍射光学元件的示意图；
48.图11为本发明实施四提供的实现点环式组合光斑不同中心环间距的示意图。
具体实施方式
49.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
50.实施例一
51.如图1所示，一种点环分布激光光学系统，包括：衍射光学元件1、聚焦透镜2和工作平面3；
52.入射光束传输至衍射光学元件1，经过衍射光学元件1调制后传输至聚焦透镜2，经过聚焦透镜2的聚焦后在工作平面3形成预设形状的点环式组合光斑；
53.如图2所示，衍射光学元件1由第一区域1a和第二区域1b组成；第一区域1a为未刻蚀区域，入射光束经过第一区域1a后在工作平面3形成高斯光斑；第二区域1b为刻蚀区域，刻蚀区域采用轴棱锥调制得到，用于对入射光束添加预设角度的轴棱锥相位，在工作平面3形成环形光束；
54.第一区域1a和第二区域1b对入射光束具有相同的数值孔径；高斯光斑和环形光束组合形成预设形状的点环式组合光斑。
55.通过调节衍射光学元件1，调节点环式组合光斑的预设形状和能量分布。
56.如图2所示，可选的，第二区域1b为沿着衍射光学元件1边缘设置的多个扇形封闭区域，剩余的连通区域为第一区域1a。
57.可选的，第二区域1b的扇形封闭区域为均匀设置，具有第一预设角度的轴棱锥相位；
58.第一区域1a具有第二预设角度的轴棱锥相位，第二预设角度的轴棱锥相位为2π的整数倍。
59.本实施例提出了一种新型衍射光学元件1，如图2所示，衍射光学元件1由两部分区域组成，入射光束自由传输至衍射光学元件1的表面，部分入射光束照射到第一区域1a，部分入射光束照射到第二区域1b。第一区域1a为未刻蚀区域，该区域未刻蚀任何附加相位或者相位为2π的整数倍，均对入射其中的光束无汇聚或发散作用，入射光束经过第一区域1a的调制后，再经过聚焦透镜2的聚焦后在工作平面3形成高斯光斑；第二区域1b为刻蚀区域，刻蚀区域为具有第一预设角度的轴棱锥调制区域，该区域对入射其中的光束添加第一预设角度的轴棱锥相位，入射光束在经过第二区域1b的调制后，再经过聚焦透镜2的聚焦后在工作平面3形成环形光束。其中，第一预设角度决定于高斯光斑中心与环光斑中心距聚焦透镜2焦距的比值。
60.由于第一区域1a和第二区域1b对入射光束具有相同的数值孔径na，经过第一区域1a的入射光束形成的高斯光斑与经过第二区域1b的入射光束形成的环形光束具有相同的数值孔径，共同组合形成点环式组合光斑。入射光数值孔径越大，聚焦光斑的尺寸越小，同等功率下聚焦光斑可以获得更高的功率密度与光斑分辨率，可以满足不同的焊接需求。本实施例提供的一种点环分布激光光学系统只需要一个衍射光学元件，通过调节衍射光学元件，即可实现调节点环式组合光斑的预设形状和能量分布的效果。如图3a所示的获得的点环式光斑二维光强分布，及如图3b所示的获得的点环式光斑一维光强分布示意图，通过点环式组合光斑分布，可以有效的减小高功率焊接时表面飞溅并提高光学焊接质量。
61.可选的，调节衍射光学元件1与入射光束的入射点p沿光轴之间的距离，用于改变入射光束照射到衍射光学元件1的第一区域和第二区域的面积比，连续调节点环式组合光斑的能量大小。
62.在点环分布激光光学系统中，入射光束的入射点p、聚焦透镜2和工作平面3的位置
固定。通过调节衍射光学元件1与入射光束的入射点p沿光轴之间的距离，可以调节入射光束照射在衍射光学元件1上的面积，从而调节入射光束在衍射光学元件1的两个区域上的面积比；如图4中所示，当衍射光学元件1的位置上从虚线位置连续位移至实线区域时，两个调制区域的面积比的变化如图5中的a-d所示；工作面上的点环式组合光斑的能量分布变化如图6中的a-d所示，形成的聚焦光斑的分布从点光斑变化至点环形组合光斑，且对于点环式组合光斑而言，点、环功率比随衍射光学元件1的位置变化连续可调，达到连续调节点环式组合光斑的能量大小的效果。
63.实施例二
64.在上述实施例的基础上，如图4所示，可选的，点环分布激光光学系统还包括：准直透镜4；
65.准直透镜4对入射光束进行准直扩束处理。
66.可选的，准直透镜4位于衍射光学元件1和聚焦透镜2之间；
67.入射光束经过衍射光学元件1调制后传输至准直透镜4，调制后的光束经过准直扩束处理后入射至聚焦透镜2，处理后的光束经过聚焦透镜2的聚焦后在工作平面3形成预设形状的点环式组合光斑；
68.通过改变衍射光学元件1距离入射光束的入射点p的距离，改变第一区域和第二区域的调制区域接收的入射光束的面积。
69.在点环分布激光光学系统中，准直透镜4与衍射光学元件1的位置可以根据需求进行设置；可以将准直透镜4设置于衍射光学元件1和聚焦透镜2之间，也可以将准直透镜4设置于衍射光学元件1和入射光束的入射点p之间。
70.本实施例将准直透镜设置于衍射光学元件和聚焦透镜之间，激光器输入的发散光束经过自由传输，形成一定宽度的光束入射至衍射光学元件，入射光束经衍射光学元件调制后传输至准直透镜，调制后的光束经过准直扩束处理后入射至聚焦透镜，经聚焦透镜聚焦后在工作平面形成具有一定能量分布的预设形状的组合光斑。
71.如图4所示，通过改变衍射光学元件1距离入射光束的入射点p的距离，改变第一区域和第二区域的调制区域接收的入射光束的面积，即当衍射光学元件1的位置上从虚线位置连续位移至实线区域时，两种调制区域面积比的变化如图5中的a-d所示，工作面上的点环式组合光斑的能量分布变化如图6中的a-d所示，其中，当入射光束只照射至第一区域时，在工作平面3仅形成高斯光斑，当入射光束照射至第一区域和第二区域时，在工作平面3形成点环式组合光斑。
72.如图7所示，可选的，准直透镜4位于衍射光学元件1和入射光束的入射点p之间；
73.入射光束经过准直透镜4位准直扩束处理后，生成平行光束入射至衍射光学元件1，平行光束经过衍射光学元件1调制后传输至聚焦透镜2，调制后的光束经过聚焦透镜2的聚焦后在工作平面3形成预设形状的点环式组合光斑；
74.通过改变准直透镜4距离入射点p的距离，改变输出光斑扩束比，从而改变第一区域和第二区域的调制区域接收的入射光束的面积。
75.实施例三
76.在另一替代实施例中，如图7所示，将准直透镜4设置于衍射光学元件1和入射光束的入射点p之间，激光器输入的发散光束经过自由传输，形成一定宽度的光束入射至准直透
镜4，入射光束经过准直透镜4位准直扩束处理后，生成平行光束入射至衍射光学元件1，平行光束经衍射光学元件1调制后传输至聚焦透镜2，经聚焦透镜2聚焦后在工作平面3形成具有一定能量分布的预设形状的组合光斑。
77.通过改变准直透镜4距离入射点p的距离，从而改变入射光束照射到准直透镜4的面积，改变输出光斑扩束比，从而改变准直扩束处理后传输至第一区域和第二区域的调制区域的入射光束的面积。在准直透镜4的出射平行光束尺寸变化如图7中实线至虚线时，光束照射到衍射光学元件1的两种调制区域面积比的变化如图5中的a-d所示，最终在工作面上的点环式组合光斑的能量分布变化如图6中的a-d所示。
78.如图8中的a-c所示，可选的，更换具有相同轴棱锥相位和不同刻蚀面积的衍射光学元件，连续调节点环式组合光斑的能量大小。
79.实施例四
80.在上述实施例的基础上，除了通过调整衍射光学元件和/或准直透镜的位置，达到调整工作面上形成的点环式组合光斑的能量分布以外，还可以通过更换不同的衍射光学元件来实现连续调节点环式组合光斑的能量大小。具体的，在光学系统中添加一个抽屉式的机械装置或其他类似的可拆卸式固定镜片的机械装置，直接通过替换相同轴棱锥相位和不同刻蚀面积分布来改变光束照射到衍射光学元件的两种调制区域面积比，如图8中的a-c所示，具有相同轴棱锥相位，刻蚀面积越大，在工作平面形成的环形光束的功率越高，在工作平面处形成的点环式组合光斑的功率比变化如图9中的a-c所示。根据材料需求，调整一个光学元件即可调整组合光斑的功率，满足不同材料对焊接功率变化的需求。
81.在上述实施例的基础上，可选的，更换具有相同刻蚀面积和不同轴棱锥相位的衍射光学元件，连续调节环形光束与点光斑中心的间距大小，调节点环式组合光斑的预设形状。
82.调节衍射光学元件不仅可以联系调节点环式组合光斑的能量分布，还可以调节点环式组合光斑的预设形状。在点环分布激光光学系统的其他器件不变时，通过更换具有相同刻蚀面积和不同倾斜角度大小轴棱锥相位的衍射光学元件1，改变入射光束照射到衍射光学元件1的刻蚀区域后，调制光束倾角的大小变化；当调制光束经聚焦透镜聚焦后在工作平面3处形成光束宽度一致，不同倾角相位的刻蚀区域形成的点环式组合光束的形状不同；不同刻蚀相位和相同刻蚀面积的衍射光学元件如图10中的a-c所示，由于聚焦镜焦距一定，在工作平面3处形成的点环式组合光斑的形状如图11中的a-c所示，随着轴棱锥相位的增大，调节环形光束与点光斑中心的间距增大。不同中心距的点环式组合光斑满足不同材料不同焊接宽度的焊接需求。
83.本发明实施例的技术方案通过一种点环分布激光光学系统，包括：衍射光学元件、聚焦透镜和工作平面；入射光束传输至衍射光学元件，经过调制后传输至聚焦透镜，经过聚焦后在工作平面形成预设形状的点环式组合光斑；衍射光学元件由第一区域和第二区域组成；第一区域为未刻蚀区域，入射光束经过第一区域后在工作平面形成高斯光斑；第二区域为刻蚀区域，刻蚀区域采用轴棱锥调制得到，用于对入射光束添加预设角度的轴棱锥相位，在工作平面形成环形光束；第一区域和第二区域对入射光束具有相同的数值孔径，高斯光斑和环形光束组合形成预设形状的点环式组合光斑；通过调节衍射光学元件，调节点环式组合光斑的预设形状和能量分布。仅通过调节一个单片衍射光学元件，即可实现连续调节
点环式组合光斑的预设形状和能量分布，从而满足不同材料不同焊接功率分布的焊接需求。解决了焊接质量较差、成本较高和兼容性较差的问题，实现了减小焊接飞溅、提升焊接质量、提高焊接速度、成本较低和调节方式简洁高效的有益效果。
84.实施例二
85.本发明提供了一种点环分布激光光学系统的使用方法，适用于上述实施例一中的一种点环分布激光光学系统中，包括：
86.s1、激光器发出的光束入射至衍射光学元件，入射光束在衍射光学元件的两个区域受到不同的相位调制；
87.s2、经衍射光学元件调制后的光束由聚焦透镜聚焦后在工作平面形成预设形状的点环式组合光斑；
88.s3、通过改变入射光束照射到衍射光学元件的两个区域面积比的变化，连续调节点环式组合光斑的能量大小；
89.s4、通过添加具有不同倾斜角度的轴棱锥相位刻蚀区域的衍射光学元件，连续调节环形光束与点光斑中心的间距大小。
90.可选的，通过改变入射光束照射到衍射光学元件的两个区域面积比的变化，连续调节点环式组合光斑的能量大小，包括：
91.通过改变衍射光学元件距离入射光束的入射点的距离，改变第一区域和第二区域的调制区域接收的入射光束的面积；
92.或者，通过改变准直透镜距离入射点的距离，改变输出光斑扩束比，从而改变第一区域和第二区域的调制区域接收的入射光束的面积；
93.或者，更换具有相同轴棱锥相位和不同刻蚀面积的衍射光学元件；
94.连续调节点环式组合光斑的能量大小。
95.本发明实施例所提供的一种点环分布激光光学系统的使用方法适用于本发明任意实施例所提供的一种点环分布激光光学系统中，具备光学系统相应的操作步骤和有益效果。
96.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。