一种基于自适应镜可调双焦点双光路光学系统的制作方法

本发明涉及激光切割技术领域，具体为一种基于自适应镜可调双焦点双光路光学系统。

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。在高功率光纤激光切割中，一般采用单焦点外光路。通常地，光路的主要组成部分是准直、聚焦简单的搭配方式。随着激光功率的增大，切割板材的厚度也随之增加，十个、数十个mm厚的板材切割也多有应用。但是，单焦点切割除了速度慢，切割板材的面型也并不理想，因此出现了同轴双焦点激光切割应用。

双焦点切割有助于提高中厚板材的切割速度与切割质量，常规的光纤激光切割双焦点光路有两种方案，一种通常在聚焦镜镜面上加工两个曲面参数。比如，对于球面透镜系统，在某一聚焦镜镜面上加工出两个曲率半径，即中心部分区域与边缘部分区域有两个不同的曲率半径。另一种则是在准直镜与聚焦镜中间引入反射镜，反射镜中心部分为曲面，边缘部分为平面，如此来实现双焦点。无论是哪一种方案，均是在同一镜面上实现两套参数的设定，不仅给镜片加工提高了难度，且镜片加工质量以及分光区域范围也很难保证。再者，同一镜片表面上加工两种参数，分光区域定下来后将限制入射光斑的尺寸，否则两束分光能量差异较大将降低甚至失去双焦点切割的价值，相较下，半透半反分光镜受光斑尺寸的影响就小很多。

另外，常规的双焦点光路结构，往往是一套镜片参数决定一个定距离的双焦点，对于不同厚度的板材切割，定距离的双焦点并不一定是最佳配置，所以双焦点间距可调在意义上十分重大，自适应镜则可以满足要求。

自适应镜，作为一种曲面可变的特殊光学反射镜片，与一定焦距的镜片搭配，有其意想不到的调焦效果。常规的自适应镜，其曲面类型涵盖球面与非球面，球面自适应镜用于光束偏转角较小光路中，而非球面自适应镜则常用于光束偏转角较大的光路中。当下的自适应镜，依靠镜片背面的单气流通道中充入气压，与镜面外气压形成压差，通过压差的改变，来改变自适应镜的曲面焦距，自适应镜压差与焦距往往存在线性关系，加上金属直接水冷结构，奠定了自适应镜无可替代的优势。

基于上述各点，设计出一种焦点可调、便于高功率光纤激光器应用的光路显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于自适应镜可调双焦点双光路光学系统，具体是通过以下技术方案实现的：

一种基于自适应镜可调双焦点双光路光学系统，包括消像差准直镜、第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反光镜、自适应镜以及第一消像差聚焦镜、第二消像差聚焦镜；所述消像差准直镜与激光光轴同轴设置，第一分光镜设置在消像差准直镜出射光侧，第一分光镜与消像差准直镜的呈45度倾斜设置；第一反射镜平行设置在第一分光镜反射光面的一侧，并与第一分光镜的反射光轴呈45度角；

所述第一分光镜的透射光轴与激光光轴同轴，且在第一分光镜的透射光侧设有第二分光镜，第二分光镜中心轴与第一分光镜中心轴呈垂直设置；

所述第二分光镜的反射光轴与激光光轴垂直，第二分光镜的反射光侧设有第二反光镜，第二反光镜与第二分光镜的反射光轴呈45度角，第二反光镜的反射光侧设有第一消像差聚焦镜，第一消像差聚焦镜与激光光轴同轴设置；第二分光镜的透射光侧设有第二消像差聚焦镜，第二消像差聚焦镜与激光光轴同轴设置；

所述第一反射镜的反射光侧设有自适应镜，自适应镜的中心轴与第一反射镜的中心轴垂直，且自适应镜平行对应于第二分光镜设置。

进一步的，所述消像差准直镜、第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反光镜以及第一消像差聚焦镜、第二消像差聚焦镜均为圆柱状。

进一步的，所述消像差准直镜、第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反光镜、自适应镜以及第一消像差聚焦镜、第二消像差聚焦镜均通过光路管进行相应连接。

进一步的，所述自适应镜为纵截面呈椭圆的柱状，其纵截面椭圆的长轴与短轴比为

进一步的，所述自适应镜为金属非球面反射镜。

进一步的，所述第一分光镜、第二分光镜的反射率与透射率比均为r:t＝50:50。

本发明的有益效果是：

(1)、本发明结构设计新颖，采用分光合束方案，基于自适应镜一定范围内连续可调焦距特性，基于半透半反分光镜r:t＝50:50分光特性，聚焦段辅以保护窗口，适用于高功率光纤激光器激光切割应用，特别有助于改善中厚板材的光纤激光切割质量与效率。

(2)、本发明中，光纤激光器自消像差准直镜组前焦点输出光束，经由消像差准直镜准直、分光镜的二次分光，以及自适应镜反射，使得消像差聚焦镜组聚焦构成固定焦点和可调焦点，可调焦点对应的光束为可调聚焦光束，单光路的固定聚焦光束与可调聚焦光束中心轴共轴，双焦点同轴。

(3)本发明分光镜反射率与透射率比为r:t＝50:50，双光路分光功率相当。通过调节自适应镜焦距，两组可调焦点与对应的固定焦点间距可实现连续变化，构成可调双焦点双光路光学系统，且双光路的双焦点间距总能保持基本相同。

(4)、本发明提出采用分光合束方案，基于自适应镜一定范围内连续可调焦距特性，基于半透半反分光镜r:t＝50:50分光特性，聚焦段辅以保护窗口，适用于高功率光纤激光器激光切割应用，改善了中厚板材的光纤激光切割质量，提高了效率。

附图说明

图1为本发明的整体光路结构示意图；

图2为本发明的实际使用示意图；

图中序号：激光出光点1、消像差准直镜2、第一分光镜3、第一反射镜4、自适应镜5、第一消像差聚焦镜6、第二分光镜7、第二反光镜8、第二消像差聚焦镜9、固定焦点10。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种基于自适应镜可调双焦点双光路光学系统，包括消像差准直镜2、第一分光镜3、第二分光镜7、第一反射镜4、第二反光镜8、自适应镜5以及第一消像差聚焦镜6、第二消像差聚焦镜9；所述消像差准直镜2与激光光轴同轴设置，第一分光镜3设置在消像差准直镜2出射光侧，第一分光镜3与消像差准直镜2的呈45度倾斜设置；第一反射镜4平行设置在第一分光镜3反射光面的一侧，并与第一分光镜3的反射光轴呈45度角；

所述第一分光镜3的透射光轴与激光光轴同轴，且在第一分光镜3的透射光侧设有第二分光镜7，第二分光镜7中心轴与第一分光镜3中心轴呈垂直设置；

所述第二分光镜7的反射光轴与激光光轴垂直，第二分光镜7的反射光侧设有第二反光镜8，第二反光镜8与第二分光镜7的反射光轴呈45度角，第二反光镜8的反射光侧设有第一消像差聚焦镜6，第一消像差聚焦镜6与激光光轴同轴设置；第二分光镜7的透射光侧设有第二消像差聚焦镜9，第二消像差聚焦镜9与激光光轴同轴设置；

所述第一反射镜4的反射光侧设有自适应镜5，自适应镜5的中心轴与第一反射镜4的中心轴垂直，且自适应镜5平行对应于第二分光镜7设置。

进一步的，所述消像差准直镜2、第一分光镜3、第二分光镜7、第一反射镜4、第二反光镜8以及第一消像差聚焦镜6、第二消像差聚焦镜9均为圆柱状。

进一步的，所述消像差准直镜2、第一分光镜3、第二分光镜7、第一反射镜4、第二反光镜8、自适应镜5以及第一消像差聚焦镜6、第二消像差聚焦镜9均通过光路管进行相应连接。

进一步的，所述自适应镜5为纵截面呈椭圆的柱状，其纵截面椭圆的长轴与短轴比为

进一步的，所述自适应镜5为金属非球面反射镜，自适应镜5的背部带有水冷通道与气流通道，可直接水冷，并通过气流通道内输入气压的改变来改变自适应镜焦距。

进一步的，所述第一分光镜3、第二分光镜7的反射率与透射率比均为r:t＝50:50。

实际使用时，参见图2，光纤激光出光点1自消像差准直镜2前焦点输出光束，经由消像差准直镜2准直，准直光束由第一分光镜3分光，分光后的透射光束经过第二分光镜7进行二次分光，二次分光后的反射光束经过第二反射镜8反射并由第一消像差聚焦镜6聚焦构成固定焦点10，二次分光后的透射光束则经过第二组消像差聚焦镜9聚焦构成固定焦点10，固定焦点10对应的光束为固定聚焦光束；同时，经过第一分光镜3分光后的反射光束，由第一反射镜4反射，反射光束后经自适应镜5反射，自适应镜5反射光束再由第二分光镜7进行二次分光，二次分光后的反射光束由第二组消像差聚焦镜9聚焦构成可调焦点，二次分光后的透射光束则经过第二反射镜8反射后由第一消像差聚焦镜6聚焦构成可调焦点，可调焦点对应的光束为可调聚焦光束。其中，聚焦光束每道光路的固定聚焦光束与可调聚焦光束中心轴共轴，双焦点同轴；此时通过调节自适应镜5输入的气压大小来调控焦距变化，两组可调焦点与对应的固定焦点10间距便可实现连续变化，从而构成可调双焦点双光路光学系统，且双光路的双焦点间距总能保持基本相同；确保了聚焦光路对应的固定聚焦光束与可调聚焦光束中心轴共轴，双焦点同轴，有利于激光切割应用。

本发明结构设计新颖，采用分光合束方案，基于自适应镜一定范围内连续可调焦距特性，基于分光镜r:t＝50:50分光特性，聚焦段辅以保护窗口，适用于高功率光纤激光器激光切割应用，特别有助于改善中厚板材的光纤激光切割质量与效率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。