一种环凹光斑的光束整形聚焦一体镜及光束整形系统技术方案

本发明专利技术公开了一种环凹光斑的光束整形聚焦一体镜及光束整形系统。光束整形聚焦一体镜包括接收激光入射的第一表面和激光出射的第二表面，第一表面为球面或平面，第二表面为非球面，或者，第一表面为非球面，所述第二表面为球面或平面；准直后的激光入射光束经过光束整形聚焦一体镜在工作面形成旋转对称的环凹光斑，环凹光斑根据温度场分布需求进行调节；第一表面与第二表面的面型设计方案遵循边缘光线在第一表面的入射角和在第二表面的折射角近似相等的原则；能量映射模式可以选择。更光束整形聚焦一体镜中的球面

【技术实现步骤摘要】
一种环凹光斑的光束整形聚焦一体镜及光束整形系统


[0001]本专利技术属于激光加工领域，更具体地，涉及一种环凹光斑的光束整形聚焦一体镜及光束整形系统。

技术介绍

[0002]常规的高斯分布聚焦光斑中心能量高边缘能量低，用于激光加工时易造成中心过烧、产生气孔、飞溅等，边缘熔化不足、加工不完全等缺陷。离焦高斯光斑可以获得较大的作用光斑，但这种光斑存在下降沿平缓，达不到加工阈值的边缘部分所占能量比例增大，降低了能量利用率。在需要较大光斑作用时的激光熔覆、激光增材制造、激光焊接、激光打孔等应用中，常规的高斯分布聚焦光斑或离焦光斑的加工质量和加工效率受到了明显的限制。
[0003]针对以上问题，目前常用的处理方法是将高斯分布的激光光斑整形为环形、平顶光斑。环形光斑能量呈双高斯分布，熔池两侧能量高于中心，有可能导致中心能量不够的问题；平顶分布的光斑在短脉冲或超短脉冲激光作用是可以获得相对均匀的作用，但在长脉冲或连续激光作用下时，还是存在中心温度高于边缘温度的现象，导致激光加工的不均匀性。在我们常见的激光熔覆、激光增材制造、激光焊接等应用中，大量使用高功率连续激光。
[0004]现有整形方法还是存在一定的局限性，环形光斑可能存在中心能量不够的问题，平顶分布的光斑在长脉冲或连续激光作用下时，存在中心温度高于边缘温度，导致激光加工的不均匀性的问题。

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环凹光斑的光束整形聚焦一体镜及光束整形系统，旨在解决现有整形方法还是存在一定的局限性，环形光斑可能存在中心能量不够的问题，平顶分布的光斑在长脉冲或连续激光作用下时，存在中心温度高于边缘温度，导致激光加工的不均匀性的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种环凹光斑的光束整形聚焦一体镜，所述光束整形聚焦一体镜包括接收激光入射的第一表面和激光出射的第二表面；所述第一表面为球面或平面，所述第二表面为非球面，或者，所述第一表面为非球面，所述第二表面为球面或平面；准直后的激光入射光束经过所述光束整形聚焦一体镜在工作面形成旋转对称的环凹光斑，所述环凹光斑根据温度场分布需求进行调节；
[0007]所述环凹光斑的关键参数根据热力学模型观测激光作用的温度场数据确定
[0008]可选的，所述第二表面的坐标和半径根据以下方式确定，包括：
[0009]假设所述第一表面为平面，确定所述光束整形聚焦一体镜的能量映射模式；
[0010]根据入射光束参数得到入射光线在所述第一表面的入射面坐标；
[0011]根据所述能量映射模式和工作面的环凹光斑能量分布参数确定入射光线所对应的出射光线在工作面的工作面坐标；
[0012]根据所述入射面坐标和所述工作面坐标，求解入射光线在所述第二表面的出射点
坐标，并确定第二表面的参数。
[0013]可选的，所述第一表面的半径根据以下方式确定，包括：
[0014]基于边缘光线在所述第一表面的入射角i1和在第二表面的折射角i
′2近似相等的原则，通过迭代逼近确定所述第一表面的半径。
[0015]可选的，所述光束整形聚焦一体镜包括三种能量映射模式，三种能量映射模式的能量映射关系均整体旋转对称；
[0016]采用同向映射模式时，入射光束的中心对应工作面上环凹光斑的中心，入射光束的左边对应工作面的环凹光斑的右边，入射光束的右边对应工作面上环凹光斑的左边，入射光束的范围(0，r
max
)对应工作面上环凹光斑的范围(0，R
max
)；
[0017]采用反向映射模式时，入射光束的中心对应工作面上环凹光斑的中心，入射光束的最左侧对应工作面上环凹光斑的最右侧，入射光束的最右侧对应工作面上环凹光斑的最左侧，入射光束的范围(0，r
max
)对应工作面上环凹光斑的范围(0，
‑
R
max
)；或者，入射光束的范围(0，r
max
)对应工作面上环凹光斑的范围(R
max
，0)；
[0018]采用复合映射模式时，入射光束的范围(0，r
i
)对应工作面上环凹光斑的范围(0，R
max
)，且入射光束的范围(r
i
，r
max
)对应工作面上环凹光斑的范围(R
max
，0)；或者，入射光束的范围(0，r
i
)对应工作面上环凹光斑的范围(0，R
max
)，且入射光束的范围(r
i
，r
max
)对应工作面上环凹光斑的范围(R
max
，R
max
)；其中r
i
∈(0，r
max
)。
[0019]可选的，所述环凹光斑的温度场平顶分布，且边缘下降沿为衍射极限最窄宽度。
[0020]可选的，所述光束整形聚焦一体镜表面镀膜，增加入射光束的透过率。
[0021]第二方面，本专利技术还提供了一种环凹光斑的光束整形系统，包括激光光束发射装置，准直单元和第一方面中任意一项所述的光束整形聚焦一体镜；
[0022]所述激光光束发射装置用于输出激光光束；
[0023]所述准直单元用于将激光光束进行准直；
[0024]所述光束整形聚焦一体镜用于接收所述准直单的出射光线，将其整形和聚焦处理后，在工作面形成旋转对称的环凹光斑。
[0025]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0026]1、本专利技术提出了一种环凹光斑的光束整形聚焦一体镜，光束整形聚焦一体镜根据在工作面的温度场分布需求调节得到的环凹光斑进行设计，可以获得激光作用区域温度场呈均匀分布的中心能量密度略低、边缘能量密度略高、下降沿接近衍射极限的环凹光斑，不仅可以提高激光加工区域的均匀性，而且可以降低边缘达不到激光加工阈值的能量比例，提升激光加工的质量和效率。根据不同的作用对象和工艺要求，可以设计合适的环凹分布整形。例如，所述环凹光斑下降沿接近衍射极限，当中心能量略低，边缘能量略高时，可以减少激光焊接、熔覆、增材制造中因温度场不均匀引起的气孔、飞溅等缺陷。
[0027]2、本专利技术提出了一种环凹光斑的光束整形聚焦一体镜，光束整形聚焦一体镜的第一表面为球面或平面，第二表面为共轴的旋转对称非球面，相对于反射式整形镜或其他的自由曲面整形镜片，旋转对称非球面加工更简单，成本也较低。透镜面型可以加工为高光洁度的表面，与透射式衍射光学元件或折射微透镜阵列等相比，镜片的透过率高，吸收损耗和衍射损耗低，可以承受更高的激光功率。
[0028]3、本专利技术提出了一种环凹光斑的光束整形聚焦一体镜，可以选择旋转对称的能量映射模式，包括同向映射模式、反向映射模式和复合映射模式；同向映射模式，工作面下端光斑越来越小，能量往中心汇聚，有利于减少加工的热影响区；反向映射模式，工作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环凹光斑的光束整形聚焦一体镜，其特征在于，所述光束整形聚焦一体镜包括接收激光入射的第一表面和激光出射的第二表面；所述第一表面为球面或平面，所述第二表面为非球面，或者，所述第一表面为非球面，所述第二表面为球面或平面；准直后的激光入射光束经过所述光束整形聚焦一体镜在工作面形成旋转对称的环凹光斑，所述环凹光斑根据温度场分布需求进行调节；所述环凹光斑的关键参数根据热力学模型观测激光作用的温度场数据确定。2.如权利要求1所述的光束整形聚焦一体镜，其特征在于，所述第二表面的坐标和半径根据以下方式确定，包括：假设所述第一表面为平面，确定所述光束整形聚焦一体镜的能量映射模式；根据入射光束参数得到入射光线在所述第一表面的入射面坐标；根据所述能量映射模式和工作面的环凹光斑能量分布参数确定入射光线所对应的出射光线在工作面的工作面坐标；根据所述入射面坐标和所述工作面坐标，求解入射光线在所述第二表面的出射点坐标，并确定第二表面的参数。3.如权利要求2所述的光束整形聚焦一体镜，其特征在于，所述第一表面的半径根据以下方式确定，包括：基于边缘光线在所述第一表面的入射角i1和在第二表面的折射角i
′2近似相等的原则，通过迭代逼近确定所述第一表面的半径。4.如权利要求2所述的光束整形聚焦一体镜，其特征在于，所述光束整形聚焦一体镜包括三种能量映射模式，三种能量映射模式的能量映射关系均整体旋转对称；采用同向映射模式时，入射光束的中心对应工作面上环凹光斑的中心，入射光束的左边对应工作面的环凹光斑的右边，入射光束的右边对应工作面上环凹光斑的左边，入射光束的范围(0,r
max
)对应工作面上环凹光斑的范围(0,R
max
)；采用反向映射模式时，入射光束的中心对应工作面上环凹光斑的中心，入射光束的最左侧对应工作面上环凹光斑的最右侧，入射光束的最右侧对应工作面上环凹光...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦应雄，陈书画，吴开骏，徐家明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：