CN204353651U - 光学聚焦结构及激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光学聚焦结构及激光加工设备。一种光学聚焦结构，用于激光加工设备中，包括沿激光束的传输方向依次设置的反射镜、抛物面镜及椭球面镜，所述反射镜可转动地设置并相对激光束的入射方向倾斜，以使激光束沿平行于所述抛物面镜的对称轴的方向反射至所述抛物面镜上，所述抛物面镜邻近所述反射镜设置且其开口朝向所述反射镜，所述抛物面镜的内表面为第一反射面，所述椭球面镜的内表面为第二反射面，所述第二反射面朝向所述反射镜及所述抛物面镜，所述椭球面镜的椭圆轮廓的其中一个焦点与所述抛物面镜的焦点重合。通过采用所述光学聚焦结构，所述激光加工设备的光路稳定性较高。

Description

光学聚焦结构及激光加工设备

技术领域

本实用新型涉及一种光学结构，尤其涉及一种光学聚焦结构及采用该光学聚焦结构的激光加工设备。

背景技术

激光由于其高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的优点，已经广泛应用于科研、国防、工业等国民生产的重要方面。一般的激光扫描加工设备，如激光切割设备，其光路***主要有三种方式：固定光路、飞行光路、半飞行光路。这三种方式的激光扫描加工设备一般包括：沿光路方向依次设置的激光器、准直扩束镜、45度角反射镜以及聚焦透镜(即平场透镜或者远心透镜)。目前，一般讲激光器与准直扩束镜集成以形成激光光源，激光器产生的激光束由准直扩束镜进行扩束，以扩大激光束的直径且同时减小发散角，从而获得近似平行的激光束，然后采用一片或者多片45度角反设镜将激光束反射导入聚焦透镜进行聚焦，从而将激光束汇聚到待加工材料上，使加工材料的表面部分发生气化或者液化，然后采用一定方式将气化或者液化部分除去，从而实现激光切割。

在使用过程中，一般将45度角反射镜和聚焦透镜集成，以形成光学聚焦结构。激光加工设备需要将激光光源发射的激光束准确地与该聚焦光学结构的光轴对准。然而，激光光源和聚焦光学结构都较为复杂，尺寸较大，重量较重，所以难以将激光光源发出的激光束光轴与聚焦光学结构的光轴调整重合。为此，一般需要设置多片45度角反射镜，同时配合机械五维调节架以调整激光光源与二位扫描振镜的位置。然而，机械五维调节架的调节过程较为复杂，且其稳定性不高。另外，经过多次45度角反射镜的反射，激光束的能量损失严重，也使得45度角反射镜吸收激光束的部分能量造成自身的热形变，从而影响光路整体稳定性。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种光路稳定性较高的光学聚焦结构及采用该光学聚焦结构的激光加工设备。

一种光学聚焦结构，用于激光加工设备中，包括沿激光束的传输方向依次设置的反射镜、抛物面镜及椭球面镜，所述反射镜可转动地设置并相对激光束的入射方向倾斜，以使激光束沿平行于所述抛物面镜的对称轴的方向反射至所述抛物面镜上，所述抛物面镜邻近所述反射镜设置且其开口朝向所述反射镜，所述抛物面镜的内表面为第一反射面，所述椭球面镜的内表面为第二反射面，所述第二反射面朝向所述反射镜及所述抛物面镜，所述椭球面镜的椭圆轮廓的其中一个焦点与所述抛物面镜的焦点重合。

在其中一个实施例中，所述抛物面镜与所述椭球面镜一体成型，所述椭球面镜的椭圆轮廓的长轴与所述抛物面镜的对称轴平行或垂直。

在其中一个实施例中，所述抛物面镜与所述椭球面镜一体成型，所述椭球面镜的椭圆轮廓的长轴与所述抛物面镜的对称轴斜交。

在其中一个实施例中，所述抛物面镜的内表面设有反射膜层以形成所述第一反射面，所述椭球面镜的内表面设置设有反射膜层以形成所述第二反射面。

在其中一个实施例中，所述反射镜位于所述椭球面镜的椭圆轮廓的两个焦点之间。

一种激光加工设备，包括沿激光束的传输方向依次设置的激光器、准直扩束镜、如上任一项所述的光学聚焦结构，以及喷嘴，所述光学聚焦结构的反射镜承接由所述准直扩束镜传输过来的激光束，所述喷嘴远离所述抛物面镜，并邻近所述椭球面镜的一个焦点设置且可朝所述焦点喷射高压辅助气体。

在其中一个实施例中，所述激光加工设备为激光切割设备。

对于上述激光加工设备，当入射激光束沿着入射方向相对于反射镜前进或者后退，或者相对于其入射方向进行偏置时，都无需对激光加工设备进行任何调整，就能够使得离开椭球面镜的激光束保持相同的聚焦位置，保证了光路的稳定性。

附图说明

通过附图中所示的本实用新型的优选实施例的更具体说明，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将会变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1为一实施例中的光学聚焦结构除去反射镜后的示意图；

图2为图1所示光学聚焦结构沿II-II线的剖视图；

图3为图1所示光学聚焦结构应用于激光加工设备中的示意图；

图4为图3所示光学聚焦结构的另一状态示意图；

图5为图3所示光学聚焦结构的再一状态示意图；

图6为另一实施例中的光学聚焦结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。

请参阅图1至图3，一实施例的激光加工设备，包括沿激光束105的传输方向依次设置的激光器、准直扩束镜、光学聚焦结构100以及喷嘴200(参见图3)。激光器产生激光束105经由准直扩束镜对激光束105进行扩束。此后激光束105经由光学聚焦结构100及激光扫描机构200后抵达工件，以对工件进行加工。光学聚焦结构100对激光束105产生聚焦作用，使得激光束105聚焦于到工件上。喷嘴200沿激光束105的方向喷射出高压辅助气体，从而以配合激光束105对工件进行加工。在本实施方式中。在本实施方式中，该激光加工设备为激光切割设备，入射激光束105的波长范围为200～12000纳米。

光学聚焦结构100包括沿激光束105的传输方向依次设置的反射镜10、抛物面镜30以及椭球面镜50。反射镜10承接从准直扩束镜传输过来的激光束105并反射至抛物面镜30上，抛物面镜30将激光束105反射至椭球面镜50上，进而反射工件上。

反射镜10为平面镜且转动地设置并相对激光束105的传输方向倾斜，以将激光束105反射至抛物面镜30上。在本实施方式中，激光束105沿水平方向抵达反射镜10上，反射镜10倾斜向上设置。抛物面镜30邻近反射镜10设置，其开口朝向反射镜10。抛物面镜30的对称轴31相对反射镜10倾斜，且平行于反射镜10反射过来的激光束105。抛物面镜30的内表面33设有高反射膜层以形成第一反射面，用于将激光束105反射至椭球面镜50上。椭球面镜50朝向反射镜10及抛物面镜30，且其开口内表面51设置设有高反射膜层以形成第二反射面，用于将激光束105反射至工件上。椭球面镜50的椭圆轮廓长轴53与抛物面镜30的对称轴31重合，且椭球面镜50的椭圆轮廓的一个焦点55与抛物面镜30的焦点35重合。抛物面镜30与椭球面镜30由金属材料一体成型。在本实施方式中，抛物面镜30的开口方向倾斜向下，与反射镜10的倾斜方向相反，且椭球面镜50的椭圆轮廓的另一个焦点57处于反射镜10远离抛物面镜30的一侧，即反射镜10设置于椭球面镜50的椭圆轮廓的两个焦点55、57之间。

根据抛物面的特性及光学中的反射定律，平行于对称轴31入射到抛物面镜30的激光束105，经过抛物面镜30的内表面33反射后的必定会通过抛物面镜30的焦点35，即焦点35为反射后的激光束105的汇聚点，反射后的激光束105如同由焦点35发出。同时，根据椭球面的基本性质及光学中的反射定律，由椭球面镜50的椭圆轮廓的焦点55(同时也是抛物面镜30的焦点35)发出的激光束105经过椭球面镜50反射后必定汇聚于椭球面镜50的椭圆轮廓的另一个焦点57。即激光束105由抛物面镜30及椭球面镜50反射后汇聚于椭球面镜50的焦点57。在本实施方式中，激光束105经由椭球面镜50反射后，其光轴垂直于入射至反射镜10上的激光束105的光轴。

喷嘴200邻近椭球面镜50的焦点57设置，其可沿平行于激光束105的方向向焦点57处喷射高压辅助气体。

请参阅图4及图5，通过调节反射镜10，可以使得入射至反射镜10的激光束105与离开椭球面镜50的激光束105的光轴方向相同或相反。

请参阅图6，在另一实施例中，椭球面镜70的椭圆轮廓长轴71与抛物面镜80的对称轴81呈一定角度设置，且椭球面镜70的椭圆轮廓的一个焦点75与抛物面镜80的焦点85重合。抛物面镜80与椭球面镜70由金属材料一体成型。

本实用新型的激光加工设备，当入射激光源沿着激光束105的入射方向相对于反射镜10前进或者后退，或者对激光束105的入射方向进行偏置时，都无需对激光加工设备进行任何调整，就能够使得离开椭球面镜50的激光束105保持相同的聚焦位置，保证了光路的稳定性。另外，当入射激光束105的入射方向和位置都发生改变时，只需要调整反射镜10的位置和角度，使激光束105沿着与对称轴31平行的方向入射至抛物面镜30上，即可使得离开椭球面镜50的激光束105保持相同的聚焦位置，使得激光束105的光路调节较为容易，降低了维护成本。

该激光加工设备由于采用了上述光学聚焦结构100，可以减少用以聚焦的平场聚焦透镜或远心透镜，从而了减少了其制造成本。

由于抛物面镜30和椭球面镜50采用同样的材料一体成型，可避免两者之间的相对位置和相对角度等的安装与调试，降低了制造成本。

本实用新型的光学聚焦结构100应用于固定光路的激光加工设备，如激光切割设备中时，其能够提高光路稳定性，提高激光扫描加工质量的稳定性，提高光路调试效率，降低维护成本，尤其适宜应用到飞行光路和半飞行光路中。激光加工设备只需在维持入射激光束105的一直保持其方向不变即可，不需要维持入射激光束105始终共线(即维持方向和位置都不变)，从而解决了其他类型的光学聚焦结构需要维持其方向始终共线的难题。

而随着激光切割技术的发展，当前激光切割要求越来越精密，激光精密切割技术的需求越来越大，越来越多的应用需要进行激光微细加工，所以更加难满足当前需求，而采用本案中的光学聚焦结构100的激光切割设备科进行激光微细加工。另外，因为一般激光光源部分的尺寸和重量都要比光学聚焦结构大，而激光光源部分内部结构也更为复杂，对其进行改进也更为复杂、成本更高。而本案的光学聚焦结构100交易地调整光路方向。

可以理解，椭球面镜50的椭圆轮廓长轴53并不一定要与抛物面镜30的对称轴31平行或者垂直，只要使得椭球面镜50的椭圆轮廓的一个焦点55与抛物面镜30的焦点35重合，且椭球面镜50朝向抛物面镜30以承接抛物面镜30上反射过来的激光束105即可，即椭球面镜50的椭圆轮廓长轴53可以与抛物面镜30的对称轴31斜交

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种光学聚焦结构，用于激光加工设备中，其特征在于，包括沿激光束的传输方向依次设置的反射镜、抛物面镜及椭球面镜，所述反射镜可转动地设置并相对激光束的入射方向倾斜，以使激光束沿平行于所述抛物面镜的对称轴的方向反射至所述抛物面镜上，所述抛物面镜邻近所述反射镜设置且其开口朝向所述反射镜，所述抛物面镜的内表面为第一反射面，所述椭球面镜的内表面为第二反射面，所述第二反射面朝向所述反射镜及所述抛物面镜，所述椭球面镜的椭圆轮廓的其中一个焦点与所述抛物面镜的焦点重合。

2.如权利要求1所述的光学聚焦结构，其特征在于，所述抛物面镜与所述椭球面镜一体成型，所述椭球面镜的椭圆轮廓的长轴与所述抛物面镜的对称轴平行或垂直。

3.如权利要求1所述的光学聚焦结构，其特征在于，所述抛物面镜与所述椭球面镜一体成型，所述椭球面镜的椭圆轮廓的长轴与所述抛物面镜的对称轴斜交。

4.如权利要求1所述的光学聚焦结构，其特征在于，所述抛物面镜的内表面设有反射膜层以形成所述第一反射面，所述椭球面镜的内表面设置设有反射膜层以形成所述第二反射面。

5.如权利要求1所述的光学聚焦结构，其特征在于：所述反射镜位于所述椭球面镜的椭圆轮廓的两个焦点之间。

6.一种激光加工设备，其特征在于，包括沿激光束的传输方向依次设置的激光器、准直扩束镜、如权利要求1～5中任一项所述的光学聚焦结构，以及喷嘴，所述光学聚焦结构的反射镜承接由所述准直扩束镜传输过来的激光束，所述喷嘴远离所述抛物面镜，并邻近所述椭球面镜的一个焦点设置且可朝所述焦点喷射高压辅助气体。

7.如权利要求6所述的激光加工设备，其特征在于：所述激光加工设备为激光切割设备。