本發(fā)明涉及高功率激光技工領(lǐng)域，具體的說是一種高功率激光光束可調(diào)的加工頭及其控制方法。

背景技術(shù)：

在高功率激光加工領(lǐng)域，對材料的加工需要精確的獲得激光聚焦光斑的大小和位置。因此，精準(zhǔn)的控制激光光束的直徑大小和焦點(diǎn)位置就十分重要。激光光束加工不同厚度的材料時(shí)，一般情況下都需要重復(fù)地設(shè)定匹配激光光束以完成對材料的加工，其中重要一項(xiàng)為聚焦光斑的大小。例如，光纖激光在切割鋼板過程中，當(dāng)把薄板換成厚板時(shí)，就需要對聚焦到板材上的光束進(jìn)行從新設(shè)定以滿足對不同厚度鋼板切割的要求，有時(shí)甚至可能需要更換整個(gè)激光加工頭。而在這個(gè)從新設(shè)定參數(shù)或者拆裝更換加工頭的過程中就會(huì)大大的增加整個(gè)加工時(shí)間，并最終降低整套激光加工設(shè)備的效率。

現(xiàn)有的cn102985214a和ep96300239中，為了在工件上獲得不同光束直徑的聚焦光斑，而設(shè)計(jì)一系列簡單或者復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)。例如，在ep96300239中，激光光束首先進(jìn)行準(zhǔn)直，然后由一個(gè)多組鏡片組成的可調(diào)擴(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行光束直徑的調(diào)節(jié)，通過調(diào)控進(jìn)入最后一片聚焦光學(xué)元器件的光束直徑來達(dá)到調(diào)整最終聚焦光斑直徑的目的。但該裝置中光學(xué)元器件較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。另外，在cn102985214a中，整個(gè)裝置中只有三個(gè)光學(xué)元器件，整體結(jié)構(gòu)較為簡單。然而，這個(gè)結(jié)構(gòu)中內(nèi)部有一個(gè)光學(xué)實(shí)焦點(diǎn)，在高功率激光上千瓦的情況下，該點(diǎn)能量易于急劇增加，最終可能會(huì)使裝置內(nèi)的氣體電離，進(jìn)而影響整個(gè)裝置的使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，一種激光光束可調(diào)的加工頭及其控制方法，通過一個(gè)相對較簡單裝置控制進(jìn)入最后一組光學(xué)元器件的光束直徑寬度來實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)最終聚焦光斑大小，以實(shí)現(xiàn)對不同厚度材料的加工。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)一種高功率激光光束可調(diào)的加工頭及其控制方法，包括殼體，其特征在于：所述殼體的下方設(shè)有工件，殼體內(nèi)從上至下依次設(shè)有光學(xué)元器件、第一元器件、第二元器件、第三元器件、第四元器件、第五元器件和保護(hù)鏡片，所述第一元器件、第四元器件、第五元器件和保護(hù)鏡片的左右兩端分別通過支架固定在殼體的內(nèi)側(cè)壁上，第二元器件和第三元器件的右端通過支架固定在殼體的內(nèi)側(cè)壁上，第二元器件和第三元器件的左端通過另一支架分別連接電機(jī)和另一電機(jī)，所述電機(jī)和另一電機(jī)固定在殼體上；

控制方法包括如下步驟：1s1，光學(xué)元器件出射激光光束經(jīng)過第一元器件后匯聚成為第一光束；2s2，第一光束通過分別由電機(jī)調(diào)控的第二元器件和由另一電機(jī)調(diào)控的第三元器件后形成發(fā)散的第二光束；3s3，發(fā)散的第二光束經(jīng)過第四元器件匯聚后可以形成不同光束直徑且平行的第三光束；4s4，第三光束經(jīng)過第五元器件和保護(hù)鏡片匯聚后最終聚焦成相對應(yīng)的不同光斑直徑的光斑；5s5，通過不同光斑直徑的光斑來加工不同厚度的工件。

所述第一元器件為正透鏡，第一元器件的焦距小于50mm。

所述第二元器件為負(fù)透鏡。

所述第三元器件為正透鏡或負(fù)透鏡中的一種。

所述第四元器件為正透鏡。

所述第五元器件為正透鏡。

所述步驟2中包括如下步驟：1電機(jī)驅(qū)動(dòng)第二元器件沿豎直的光軸方向運(yùn)動(dòng)一定距離后；2另一電機(jī)驅(qū)動(dòng)第三元器件沿豎直的光軸運(yùn)動(dòng)特定的補(bǔ)償距離，使第二光束經(jīng)過第四元器件匯聚后形成一個(gè)特定光束直徑的平行的第三光束，此時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)第二元器件和另一電機(jī)驅(qū)動(dòng)第三元器件可以調(diào)控第三光束的直徑。

所述步驟4中第三光束經(jīng)過第四元器件和保護(hù)鏡片匯聚后在工件的表面聚焦成光斑。

所述步驟3中調(diào)控第三光束的直徑可以控制光斑的直徑大小。

本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)相對簡單，通過控制進(jìn)入最后一組光學(xué)元器件的光束直徑寬度來實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)最終聚焦光斑大小，實(shí)現(xiàn)對不同厚度材料的加工。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的光束調(diào)控裝置在殼體內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明調(diào)節(jié)光斑大小的實(shí)施例中光學(xué)元器件在不同位置時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。

參見圖1～圖2，其中，1是光學(xué)元器件，2是第一元器件，3是第二元器件，4是第三元器件，5是第四元器件，6是第五元器件，7是保護(hù)鏡片，8是工件，9是激光光束，10是第一光束，11是第二光束，12是第三光束，13是第四光束，14是光斑，15是電機(jī)，16是另一電機(jī)，17是殼體。

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，所述殼體17的下方設(shè)有工件8，殼體17內(nèi)從上至下依次設(shè)有光學(xué)元器件1、第一元器件2、第二元器件3、第三元器件4、第四元器件5、第五元器件6和保護(hù)鏡片7，所述第一元器件2、第四元器件5、第五元器件6和保護(hù)鏡片7的左右兩端分別通過支架固定在殼體17的內(nèi)側(cè)壁上，第二元器件3和第三元器件4的右端通過支架固定在殼體17的內(nèi)側(cè)壁上，第二元器件3和第三元器件4的左端通過另一支架分別連接電機(jī)15和另一電機(jī)16，所述電機(jī)15和另一電機(jī)16固定在殼體17上；

一種高功率激光光束可調(diào)的加工頭控制方法，其特征在于包括如下步驟：1）s1，光學(xué)元器件1出射激光光束9經(jīng)過第一元器件2后匯聚成為第一光束10；2）s2，第一光束10通過分別由電機(jī)15調(diào)控的第二元器件3和由另一電機(jī)16調(diào)控的第三元器件4后形成發(fā)散的第二光束11；3）s3，發(fā)散的第二光束11經(jīng)過第四元器件5匯聚后可以形成不同光束直徑且平行的第三光束12；4）s4，第三光束12經(jīng)過第五元器件6和保護(hù)鏡片7匯聚后最終聚焦成相對應(yīng)的不同光斑直徑的光斑14；5）s5，通過不同光斑直徑的光斑14來加工不同厚度的工件8。

所述第一元器件2為正透鏡，第一元器件2的焦距小于50mm。

所述第二元器件3為負(fù)透鏡。

所述第三元器件4為正透鏡或負(fù)透鏡中的一種。

所述第四元器件5為正透鏡。

所述第五元器件6為正透鏡。

所述步驟2中包括如下步驟：1）電機(jī)15驅(qū)動(dòng)第二元器件3沿豎直的光軸方向運(yùn)動(dòng)一定距離后；2）另一電機(jī)16驅(qū)動(dòng)第三元器件4沿豎直的光軸運(yùn)動(dòng)特定的補(bǔ)償距離，使第二光束11經(jīng)過第四元器件5匯聚后形成一個(gè)特定光束直徑的平行的第三光束12，此時(shí)電機(jī)15驅(qū)動(dòng)第二元器件3和另一電機(jī)16驅(qū)動(dòng)第三元器件4可以調(diào)控第三光束12的直徑。

所述步驟4中第三光束12經(jīng)過第四元器件6和保護(hù)鏡片7匯聚后在工件8的表面聚焦成光斑14。

所述步驟3中調(diào)控第三光束12的直徑可以控制光斑14的直徑大小。

本發(fā)明使用時(shí)，激光從上到下首先入射到第一光學(xué)元器件上，光學(xué)第一元器件位置固定；經(jīng)過第一光學(xué)元器件上后，進(jìn)入第二光學(xué)元器件；光學(xué)第二元器件在第一元器件之下，光學(xué)第二元器件可以用電機(jī)調(diào)節(jié)相對應(yīng)的位置；激光通過光學(xué)第二元器件后進(jìn)入第三光學(xué)元器件，光學(xué)第三元器件在光學(xué)第二元器件之下，光學(xué)第三元器件也由電機(jī)連接，可以進(jìn)行位置的相對調(diào)節(jié)；第四光學(xué)元器件在第三光學(xué)元器件之下，光學(xué)第四元器件位置固定，激光通過第三光學(xué)元器件后進(jìn)入光學(xué)第四元器件；激光經(jīng)過第四光學(xué)元器件后進(jìn)入光學(xué)第五元器件，第五光學(xué)元器件在第四光學(xué)元器件之下并且位置固定；激光經(jīng)過光學(xué)第五光學(xué)元器件后，聚焦到不同后的工件上，光學(xué)第五元器件位置固定。

通過本發(fā)明在第四和第五光學(xué)元器件之間的光束直徑可以發(fā)生改變。

激光進(jìn)入第一光學(xué)元器件后，光束由發(fā)散光轉(zhuǎn)化為聚焦光，因此第一光學(xué)元器件選擇為正透鏡，優(yōu)選為焦距較小的透鏡。但考慮到激光從光纖開始處到第一光學(xué)元器件的距離不能太小，因此第一光學(xué)元器件優(yōu)選焦距也不能過于小，第一光學(xué)元器件特別優(yōu)選焦距為30至50mm。

為方便調(diào)控在第四和第五光學(xué)元器件之間的光束直徑，第二和第三光學(xué)元器件可以沿激光光軸方向上位置發(fā)生相對的運(yùn)動(dòng)。第二光學(xué)元器件由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作位置移動(dòng)，第三光學(xué)元器件也由另一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作位置相對移動(dòng)。

激光進(jìn)入第二和第三光學(xué)元器件后，光束由聚焦光轉(zhuǎn)化為發(fā)散光，因此第二和第三光學(xué)元器件一個(gè)特別地優(yōu)選方式為：第二和第三光學(xué)元器件都為負(fù)透鏡。激光經(jīng)過第一光學(xué)元器件后，光束由發(fā)散光轉(zhuǎn)化為聚焦光。第二光學(xué)元器件移動(dòng)到一個(gè)位置，激光光束由聚焦光轉(zhuǎn)化為發(fā)散光，有一定的發(fā)散角。而后，第三光學(xué)元器件移動(dòng)到一個(gè)特定的補(bǔ)償位置，這個(gè)位置使光束的發(fā)散角進(jìn)一步加大并具有一個(gè)特定的角度，擁有該角度的光束經(jīng)過第四光學(xué)元器件后可以形成一個(gè)相對對應(yīng)光束直徑的平行光束。

作為替代，第二光學(xué)元器件設(shè)計(jì)為負(fù)透鏡，第三光學(xué)元器件設(shè)計(jì)為正透鏡。激光經(jīng)過第一光學(xué)元器件后，光束由發(fā)散光轉(zhuǎn)化為聚焦光。第二光學(xué)元器件移動(dòng)到一個(gè)位置，激光光束由聚焦光轉(zhuǎn)化為發(fā)散光，有一定的發(fā)散角。而后，第三光學(xué)元器件移動(dòng)到一個(gè)特定的補(bǔ)償位置，這個(gè)位置使光束的發(fā)散角減小并具有一個(gè)特定的角度，擁有該角度的光束經(jīng)過第四光學(xué)元器件后可以形成一個(gè)相對對應(yīng)光束直徑的平行光束。

經(jīng)過第四光學(xué)元器件，激光光束擁有不同的光束直徑平行光。平行光經(jīng)過第五光學(xué)元器件后，平行光形成集聚光。不同的光束直徑平行光經(jīng)過第五光學(xué)元器件后將擁有不同大小的聚焦光斑。

實(shí)施例1：

如圖2（a）所示，激光光束9為一個(gè)發(fā)散光，入射到第一元器件2上，并且依次通過第二元器件3、第三元器件4。然后該激光光束經(jīng)過第四元器件5準(zhǔn)直后形成一個(gè)直徑為d01的平行激光光束。該平行光束再經(jīng)過第六元器件6后聚焦工件表面，以實(shí)現(xiàn)對工件的激光加工，此時(shí)聚焦到工件上的激光焦點(diǎn)直徑為d02。

實(shí)施例2：

如圖2（b）所示，當(dāng)轉(zhuǎn)換加工工件時(shí)，工件的厚度可能會(huì)發(fā)生改變，例如所需工件的厚度變厚，此時(shí)就需要增加聚焦到工件8表面上光斑14的直徑d12，需要使d12>d02。為了使聚焦光斑14的直徑d12增大，電機(jī)15將驅(qū)動(dòng)第二元器件3沿光軸方向運(yùn)動(dòng)z11距離。作為補(bǔ)償，第三元器件4將在另一電機(jī)16的驅(qū)動(dòng)下沿光軸方向運(yùn)動(dòng)z12距離。這時(shí)，第二光束11以一個(gè)特定的角度入射第四元器件5，經(jīng)過第四元器件5準(zhǔn)直后形成一個(gè)直徑為d11的平行的第三光束12，這里d11<d01。平行的第三光束12經(jīng)過第六元器件6后聚焦工件表面形成一個(gè)直徑為d12的光斑14，得到d12>d02。

實(shí)施例3：

當(dāng)所需工件的厚度進(jìn)一步變厚，此時(shí)就需要繼續(xù)增加聚焦到工件8表面上光斑14的直徑d22，需要使d22>d12。為了使聚焦光斑14的直徑d22進(jìn)一步增大，電機(jī)15將繼續(xù)驅(qū)動(dòng)第二元器件3沿光軸方向運(yùn)動(dòng)z21距離。作為補(bǔ)償，第三元器件4將在另一電機(jī)16的驅(qū)動(dòng)下沿光軸方向運(yùn)動(dòng)z21距離。這時(shí)，第二光束11以另一個(gè)特定的角度入射第四元器件5，經(jīng)過第四元器件5準(zhǔn)直后形成一個(gè)直徑為d21的平行的第三光束12，這里d21<d11。平行的第三光束12經(jīng)過第六元器件6后聚焦工件表面形成一個(gè)直徑為d22的光斑14，得到d22>d12。