一种点环分布激光光学系统及使用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种点环分布激光光学系统及使用方法。该光学系统包括：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，经过衍射光学元件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；衍射光学元件包括两个区域，第一区域为未刻蚀区域，第二区域为刻蚀区域；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。解决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；实现了减小焊接飞溅、提升焊接质量、成本较低和调节方式简洁高效的有益效果。有益效果。有益效果。

【技术实现步骤摘要】
一种点环分布激光光学系统及使用方法


[0001]本专利技术属于激光加工
，更具体地，涉及一种点环分布激光光学系统及使用方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]针对相关技术的缺陷，本专利技术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。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本专利技术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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]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。
[0011]可选的，还包括：准直透镜；
[0012]所述准直透镜对所述入射光束进行准直扩束处理。
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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。
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]可选的，所述刻蚀区域的相位还包括透镜补偿相位；
[0023]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，本专利技术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：
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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；
[0027]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。
[0028]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：
[0029]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；
[0030]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；
[0031]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；
[0032]连续调节所述点环式组合光斑的能量大小。
[0033]通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0034](1)本专利技术光学系统简洁高效，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。
[0035](2)本专利技术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。
[0036](3)本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种点环分布激光光学系统，其特征在于，包括：衍射光学元件、聚焦透镜和工作平面；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；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；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。2.如权利要求1所述的点环分布激光光学系统，其特征在于，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。3.如权利要求1所述的点环分布激光光学系统，其特征在于，所述点环分布激光光学系统还包括：准直透镜；所述准直透镜对所述入射光束进行准直扩束处理。4.如权利要求3所述的点环分布激光光学系统，其特征在于，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；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；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。5.如权利要求3所述的点环分布激光光学系统，其特征在于，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；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦应雄，李晓，刘明峰，邱昊天，徐家明，卢昆忠，闫大鹏，
申请(专利权)人：武汉锐科光纤激光技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：