[发明专利]一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置及方法，包括非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜。本发明结构设计新颖，基于轴锥透镜实现环形光斑特性，基于ZOOM光学系统实现聚焦光斑大小、光束发散角以及焦点位置补偿特性，基于不同材料的中、厚板材正负离焦切割工艺特性，通过沿光束传输轴移动其中一片曲面锥透镜的方式，结合ZOOM光学系统配合调节，实现了聚焦光束发散角、焦点实心光斑大小、实心光斑到环形光斑、环形光斑中径与粗细连续可调，同时基于激光切割工艺需要实现了对应离焦光束段环形能量分布，可大幅提高板材切割速度、断面质量、切割厚度以及断面垂直度。

技术领域

本发明涉及光纤激光切割技术领域，具体为一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置及方法。

背景技术

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。

光纤激光器激光切割应用，覆盖了不锈钢、碳钢、铝材、铜材等各类金属加工市场，随着激光功率的增加，不同材料的板材切割厚度越厚。

众所周知，常规消像差光学配置虽然能够实现聚焦光束衍射极限效果，使得光束质量达到最佳，但对应下的聚焦光束离焦段，能量分布趋近于高斯分布，对于厚板切割而言，一者不利于板材割缝成型，也就限制了切割气体或辅助气体的进气量，为满足切割效果，需高度优化气路；一者中心能量过剩，边缘能量不够集中，散光大，不利于光束能量利用，也不利于板材断面成型质量。

为切割更厚板材，通常引入ZOOM光学方案来实现。常规的ZOOM光学方案可获得聚焦光斑直径、光束发散角、焦点位置等的调节，较大程度上改善厚板切割割缝而提高切割板材厚度，改善光束发散角而提高厚板切割断面垂直度，但就其本身而言，离焦光束段能量分布依旧与常规定倍配置相近，这就意味着未能将光束中心能量利用最大化，切割速度上并不能显著提升，同时更厚板穿透力上不足。

环形聚焦光束的引入，将光斑能量去中心化，相同离焦量下可用于中、厚板材激光切割的光斑直径增大，同时大幅加强边缘能量分布强度，可改善激光切割板材割缝成型，有利于切割气体或辅助气体进气量的提升，从而在提高切割厚度及速度的同时，也提高切割断面质量。

目前，实现环形聚焦光束段的方法较多，比如单片轴锥透镜、HighYAG自由曲面透镜组、Precitec微透镜组或微透镜等。单片轴锥透镜无法实现环形光斑可调，不利于不同厚度板材的工艺优化；HighYAG自由曲面透镜组需要双片自由曲面镜组配合可调，额外还需准直镜或聚焦镜移动配合补偿焦点位置，增加了机械设计及控制难度，且镜面加工难度非常大；Precitec微透镜组可以实现从实心光斑到固定直径环形光斑能量比调节，同样存在直径不可调问题，而单片微透镜方案虽然减少镜片数量，降低成本，但直径不可调、焦点光斑环形化，无法进行穿孔，故切割过程中需要不断切换镜片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置及方法，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：一种基于非球面镜可调环形光斑ZOOM切割装置，包括非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜；所述非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜均由熔融石英材料制成；所述非球面准直镜、第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜中心轴同轴。

优选的，所述非球面准直镜、非球面聚焦镜、双凹非球面镜以及双凸非球面镜构成ZOOM光学系统；所述第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜构成环形可调镜组。

优选的，所述第一曲面锥透镜、第二曲面锥透镜介于非球面准直镜、非球面聚焦镜之间。