一种反射式高功率光纤激光切割光学系统的制作方法

本实用新型涉及光纤激光切割技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种反射式高功率光纤激光切割光学系统。

背景技术：

激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、表面处理、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，随着激光功率的提高，激光器及加工设备的不断降价，在追求性价比的当下，高功率激光切割也在逐渐大面积市场化。

光纤激光器因为电光转换效率高、光纤柔韧性好、耦合效率高、光束质量好等优势，以及大功率激光器的出现，使得市场占有率日益突出，目前光纤耦合输出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。

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NA≤0.08，而光纤激光功率达到4kW左右，部分供应商的光纤激光器NA≤0.1，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，加之热透镜效应的存在，常规的准直镜与聚焦镜组合，并不利于高功率下光纤激光切割，包括切割板材厚度、速度以及切割质量。

另外，激光器功率的增大，熔融石英材料及加工成本、镀膜材料及加工成本会大幅提升，而且十分明显，非球面镜虽然消像差效果好，但熔融石英硬度较大，在加工上十分困难，除了难保证一致性以外，也无法大批量生产，且产品维护上也十分苛刻，这相对于直接水冷、导热性好、消像差好的金属曲面反射镜而言，并不占优势。

常规的金属曲面反射镜，主要包括球面反射镜、离轴抛物镜、离轴椭球面镜、离轴双曲面镜等，球面反射镜由于无法完全消像差问题，并不适用于激光切割应用，特别是焦距配置较短的切割应用；离轴抛物镜在平行于抛物线中心轴的方向入射平行光束，聚焦点能够获得很好的消像差效果，但是离焦光斑相对于入射光斑会有一定的能量分布偏移以及光斑会发生一定形变，尤其是离轴抛物镜准直与离轴抛物镜聚焦在光纤激光中的应用，表现得更为突出，这不利于实际中以离焦对厚板进行切割的应用，易导致切割各向条纹粗细等加工质量不一致；离轴椭球面镜虽然单镜片就能实现对发散点光源的聚焦，且聚焦焦点消像差效果好，但是同样存在离轴抛物镜所存在的问题；离轴双曲面镜也具备焦点消像差效果好这一天然优势，但必须配合别的镜片才能有效使用。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本实用新型还有一个目的是提供了一种反射式高功率光纤激光切割光学系统，基于离轴双曲面镜、离轴椭球面镜双焦点特性与消像差特性，基于该两种镜片组合的特殊光学性质，基于金属反射镜良好的导热性与直接水冷效果，实现了聚焦光束消像差，保证了能量分布特征、离焦光斑圆度与入射光束的一致性，具有承受功率高、光学性能好、直接水冷等优势。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种反射式高功率光纤激光切割光学系统，包括沿着入射激光束的传播方向依次设置的离轴双曲面镜、斜平面反射镜、离轴椭球面镜以及保护镜；

所述入射激光束被所述离轴双曲面镜、所述斜平面反射镜、所述离轴椭球面镜、所述保护镜汇聚为与其能量分布与圆度均相同的聚焦光束。

优选的是，所述的反射式高功率光纤激光切割光学系统，所述离轴双曲面镜、所述斜平面反射镜以及所述离轴椭球面镜均为圆柱状斜面反射镜，所述保护镜为圆柱状。

优选的是，所述的反射式高功率光纤激光切割光学系统，所述离轴双曲面镜、所述斜平面反射镜以及所述离轴椭球面镜均为90°光束偏转角，且中心轴相互平行，所述离轴双曲面镜的背部定位面与所述斜平面反射镜的背部定位面共面，所述斜平面反射镜与所述离轴椭球面镜共柱面；

所述离轴双曲面镜的中心对称面、所述斜平面反射镜的中心对称面以及所述离轴椭球面镜的中心对称面共面，经过斜平面反射镜中心点的法线垂直于经过离轴双曲面镜中心点的法线，且平行于经过离轴椭球面镜中心点的法线；

所述保护镜的中心轴经过所述离轴椭球面镜的反射面中心点。

优选的是，所述的反射式高功率光纤激光切割光学系统，所述离轴双曲面镜与所述离轴椭球面镜均具有双焦点；

所述离轴双曲面镜的反射面焦点为入射激光束入射点，所述离轴椭球面镜经过所述保护镜的反射焦点对应为聚焦光束焦点，所述离轴双曲面镜的非反射面焦点与所述离轴椭球面镜经所述斜平面反射镜反射后的入射焦点重合；

所述离轴双曲面镜的反射面焦距小于所述离轴椭球面镜的反射焦距。

优选的是，所述的反射式高功率光纤激光切割光学系统，所述离轴双曲面镜、所述斜平面反射镜以及所述离轴椭球面镜均为金属材料，且均具有冷却水通道。

优选的是，所述的反射式高功率光纤激光切割光学系统，所述保护镜为石英材料。

优选的是，所述的反射式高功率光纤激光切割光学系统，所述离轴双曲面镜、所述斜平面反射镜以及所述离轴椭球面镜为铜材质或者铝合金材质。

本实用新型至少包括以下有益效果：

1、本实用新型提供的反射式高功率光纤激光切割光学系统的结构新颖，基于离轴双曲面镜、离轴椭球面镜双焦点特性与消像差，基于该两种镜片组合的特殊光学性质，基于金属反射镜良好的导热性与直接水冷效果，实现了聚焦光束消像差，保证了能量分布特征、离焦光斑圆度与入射光束的一致性，具有承受功率高、光学性能好、直接水冷等优势，适用于千瓦、万瓦级高功率光纤激光器的激光切割应用，尤其适用于50um及以上光纤芯径的所有切割用连续光纤激光器的厚板切割应用，并确保高切割质量与一致性。

2、本实用新型提供的反射式高功率光纤激光切割光学系统的离轴双曲面镜、斜平面反射镜、离轴椭球面镜均为金属镜片，内部设有冷却水通道，具有直接水冷效果，导热性好，可大幅提高镜片承受的激光功率，并确保镜片能够安全使用。

3、本实用新型提供的反射式高功率光纤激光切割光学系统采用水平式光纤插入法，有助于降低光路系统在使用过程中镜片污染；离轴双曲面镜、斜平面反射镜安装定位面共面，有利于提高两镜片的组装配合精度；斜平面反射镜、离轴椭球面镜共柱面，有利于实现与提高两镜片的同轴配合。

4、本实用新型提供的反射式高功率光纤激光切割光学系统的离轴双曲面镜的反射面焦距、非反射面焦距，离轴椭球面镜的入射焦距、反射焦距，共同决定了聚焦光斑相对于光纤芯径的放大比例M以及聚焦光束发散角相对于光纤NA的缩小比例b：a＝1/M，由于离轴双曲面镜非反射面焦点与离轴椭球面镜入射焦点重合，所以离轴双曲面镜反射面焦距小于离轴椭球面镜的入射焦距，那么放大比例M小于离轴椭球面镜反射焦距与离轴双曲面镜反射面焦距比值。即相对于同一放大比例M下普通的准直聚焦光学配置，本实用新型增长了聚焦焦点到离轴椭球面镜的间距，有利于提高保护镜到切割件表面距离，有助于降低实际切割过程中离轴椭球面镜特别是保护镜污染情况。

5、本实用新型提供的反射式高功率光纤激光切割光学系统的入射激光束为光纤激光束，聚焦光束消像差，聚焦与离焦光斑圆度以及能量分布均与入射光束一致，在入射光束圆度为1时，b1＝b2＝b，既保证了聚焦光束质量，又保证了离焦后光斑圆度，有利于离焦切割厚板时确保切割质量与切割一致性。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型所述的反射式高功率光纤激光切割光学系统的光路正视图；

图2为本实用新型所述的反射式高功率光纤激光切割光学系统的光路投影图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1和图2所示，本实用新型公开了一种反射式高功率光纤激光切割光学系统，其中一个技术方案为：该光学系统包括沿着入射激光束的传播方向依次设置的离轴双曲面镜2、斜平面反射镜3、离轴椭球面镜4以及保护镜5；所述入射激光束被所述离轴双曲面镜2、所述斜平面反射镜3、所述离轴椭球面镜4、所述保护镜5汇聚为与其能量分布与圆度均相同的聚焦光束。

在上述技术方案中，所述离轴双曲面镜2、所述斜平面反射镜3以及所述离轴椭球面镜4均为圆柱状斜面反射镜，所述保护镜5为圆柱状。

所述离轴双曲面镜2、所述斜平面反射镜3以及所述离轴椭球面镜4均为90°光束偏转角，且中心轴相互平行，所述离轴双曲面镜2的背部定位面与所述斜平面反射镜3的背部定位面共面，所述斜平面反射镜3与所述离轴椭球面镜4共柱面；

所述离轴双曲面镜2的中心对称面、所述斜平面反射镜3的中心对称面以及所述离轴椭球面镜4的中心对称面共面，经过斜平面反射镜3中心点的法线垂直于经过离轴双曲面镜2中心点的法线，且平行于经过离轴椭球面镜4中心点的法线；

所述保护镜5的中心轴经过所述离轴椭球面镜4的反射面中心点，且位置靠近离轴椭球面镜4。

上述技术方案中，所述离轴双曲面镜2与所述离轴椭球面镜4均具有双焦点；

所述离轴双曲面镜2的反射面焦点1为入射激光束的入射点，所述离轴椭球面镜4经过所述保护镜5的反射焦点对应为聚焦光束焦点，所述离轴双曲面镜2的非反射面焦点与所述离轴椭球面镜4经所述斜平面反射镜3反射后的入射焦点重合；

所述离轴双曲面镜2的反射面焦距小于所述离轴椭球面镜4的反射焦距。入射激光束为光纤激光束，聚焦光束消像差，聚焦与离焦光斑圆度均与入射激光束一致，当入射激光束的圆度为1时，b1＝b2＝b。

为了提高上述技术方案所述的光学系统的冷却效果，所述离轴双曲面镜2、所述斜平面反射镜3以及所述离轴椭球面镜4均为金属材料，且均具有冷却水通道。例如，所述离轴双曲面镜2、所述斜平面反射镜3以及所述离轴椭球面镜4为铜材质或者铝合金材质。所述保护镜5为石英材料。

工作原理：激光器自离轴双曲面镜2反射面焦点1出光，光束经过离轴双曲面镜2反射后降低发散性，并以一定发散性入射到斜平面反射镜3，经斜平面反射镜3反射后的反射光束发散性质不变，仅改变传输方向，斜平面反射镜3反射光束最后由离轴椭球面镜4反射并通过保护镜5折射后聚焦到离轴椭球面镜4经过保护镜5的反射焦点6上，聚焦光束不仅有很好的光束质量，且各处能量分布以及圆度与入射光束具有一致性，在入射光束圆度为1时，b1＝b2＝b。

实施例1：

激光器为光纤激光器，入射激光束为光纤激光束，光纤激光器自离轴双曲面镜2的反射面焦点1出光，然后以一定的发散性入射到斜平面反射镜3反射面，斜平面反射镜3反射面将光纤激光束反射至离轴椭球面镜4反射面，斜平面反射镜3仅改变光束的传输方向，不改变光束的发散性质，离轴椭球面镜4反射的光束经过保护镜5的折射后聚焦到保护镜5的反射焦点6上。保证聚焦与离焦光斑圆度均与入射激光束一致，当入射激光束的圆度为1时，b1＝b2＝b。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节与这里示出与描述的图例。