本实用新型涉及高功率激光切割技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统。
背景技术：
激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多种激光加工工艺，利用了激光与物质相互作用的基本特性。由于激光束与加工材料的非接触性、加工速度与质量等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。
当前激光切割占了整个激光加工行业的主要地位，其中又以光纤激光切割为首要。光纤激光器除了光束质量好以外，由于光纤柔韧性以及对近红外光束有很好的耦合输出，使得光纤激光器市场占有率日益突出。目前光纤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，甚至于十万瓦级也已经现世，让光纤激光各类加工工艺越加普遍化。
光纤激光切割头一般为定焦切割头，也就是准直镜焦距与聚焦镜焦距固定，通过换不同焦距的聚焦镜方式来实现不同厚度板材的切割。不过随着激光功率的增加，ZOOM光学系统也逐渐应用于光纤激光切割头上，原因之一是对于不同厚度、材料的板材，理论上对应一组最佳的焦距配置与切割工艺，以替换聚焦镜的方式，通常效果并未达到最佳，ZOOM光学系统的出现，实现了一套光路替换多组镜片组合的情况。
众所周知，对于中厚板材的切割，一般采用离焦切割工艺，比如中厚碳钢采用正离焦加工方式，中厚不锈钢则采用负离焦加工方式，且通常情况下，离焦量均不小，往往超出了聚焦光束焦深范畴。原因之一是板材较厚时，焦点附近光斑较小，切缝太细，切割气体或辅助气体在切割过程中无法完全对板材达到预期作用，以至于切割断面差或无法切割等现象出现。对于ZOOM光学系统而言，中厚板材的切割也受上述工艺制约，换句话说，ZOOM光学系统虽然具备焦点光斑大小连续可调，但在使用上主要还是利用了聚焦光束发散角可调这一特性。
另外，实心高斯或类高斯光束由于中心能量密度较高，边缘能量密度较低现象，作用到板材上同等大小的实心光斑边缘能量密度并没有环形光斑边缘能量密度高，切割速度也会相对受限，对此TRUMPF等基于定焦系统下提出环形光斑切割方案，切割速度与质量有更进一步提升，不过聚焦光束无法进行发散角调节，且在激光穿孔中存在镜片交互使用风险等缺陷。
技术实现要素：
本实用新型的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本实用新型还有一个目的是提供了一种聚焦光束的发散角可调且聚焦焦点位置可调的适用于高功率光纤激光切割应用的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统。
为了实现上述目的，本实用新型公开了一种基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统，包括从物侧到像侧顺序布置的消像差准直镜组、第一轴锥透镜、第二轴锥透镜以及消像差聚焦镜组；
其中，所述消像差准直镜组、所述第一轴锥透镜、所述第二轴锥透镜以及所述消像差聚焦镜组均为圆形镜片，且光轴同轴；
所述第一轴锥透镜的锥角与所述第二轴锥透镜的锥角相同，且所述第一轴锥透镜的顶角与所述第二轴锥透镜的顶角相背或相向放置。
优选地，所述消像差准直镜组为消像差球面准直镜组，所述消像差聚焦镜组为消像差球面聚焦镜组。
优选地，所述第一轴锥透镜固定，所述第二轴锥透镜与所述第一轴锥透镜之间的间距可调，实现聚焦后光束发散角调节。
优选地，所述消像差聚焦镜组的焦距大于所述消像差准直镜组的焦距，所述消像差聚焦镜组与所述消像差准直镜组之间的间距可调。所述消像差聚焦镜组焦距较长且沿光轴连续可调，实现聚焦焦点位置调节。
优选地，所述消像差准直镜组、所述第一轴锥透镜、所述第二轴锥透镜以及所述消像差聚焦镜组均为熔融石英材料。
本实用新型至少包括以下有益效果：
1、本实用新型提供的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的结构设计新颖，采用双片式轴锥透镜将实心光束转换为空心环形光束，通过调节第一轴锥透镜与第二轴锥透镜间距来改变聚焦光束发散角，通过调节消像差聚焦镜组来改变聚焦焦点位置，适用于高功率光纤激光切割应用，尤其相对于传统定焦光学系统及ZOOM光学系统可大幅提升中厚板材的切割速度与质量。
2、本实用新型提供的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的第二轴锥透镜相对于第一轴锥透镜在光轴上连续可调，调节距离与发散角变化成线性关系，不需要复杂的软件程序来进行控制，同时聚焦光束发散角的变化与聚焦焦点变化是独立关系，两组调节镜片互不影响，大大简化镜片驱动难度。
3、本实用新型提供的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的聚焦光束，在焦点及附近为实心光斑，离焦一定距离后为环形光斑，在中厚板激光切割过程中，可采用焦点光斑对板材进行快速穿孔，再使用离焦光斑对板材进行高速切割，因此穿孔与切割二者兼得。
本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本实用新型所述的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的光学元件布置的剖面图。
图2为本实用新型所述的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的光束传输过程的剖面图。
图3为本实用新型所述的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的聚焦光束发散角调节的示意图。
图4为本实用新型所述的基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统的聚焦焦点位置调节的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本实用新型提供的一种基于轴锥透镜连续可调聚焦光束发散角光学系统，包括消像差准直镜组1、第一轴锥透镜2、第二轴锥透镜3以及消像差聚焦镜组4。其中，消像差准直镜组1、第一轴锥透镜2、第二轴锥透镜3以及消像差聚焦镜组4均为圆形镜片且光轴同轴，消像差准直镜组1可替换为消像差球面准直镜组，消像差聚焦镜组4可替换为消像差球面聚焦镜组，第一轴锥透镜2与第二轴锥透镜3锥角相同且顶角相背或相向放置。
本实用新型中，所述第一轴锥透镜2固定，第二轴锥透镜3相对第一轴锥透镜2间距连续可调，实现聚焦后光束发散角调节。
本实用新型中，所述消像差准直镜组1焦距较短，所述消像差聚焦镜组4焦距较长且沿光轴连续可调，实现聚焦焦点位置调节。
本实用新型中，所述消像差准直镜组1、第一轴锥透镜2、第二轴锥透镜3以及消像差聚焦镜组4材料均为熔融石英材料。
本实用新型所述的光学系统的光束传输过程如图2所示：在高功率光纤激光器出光点5正入射下，发散光束经过消像差准直镜组1，实现入射光束的准直，从而将入射光束准直为准直光束，准直光束入射经过第一轴锥透镜2后，形成先汇聚后发散的环形光束，环形光束内外直径差不变，发散环形光束再经过第二轴锥透镜3获得平行环形光束，最后由消像差聚焦镜组4聚焦形成聚焦焦点6，聚焦焦点6处光斑为实心高斯光斑，离焦一定距离前后则为环形光斑。
如图3所示，本实用新型所述的光学系统能够实现聚焦光束发散角的调节，具体为：在图2光学传输特性基础上，沿光轴移动第二轴锥透镜3，实现经过第二轴锥透镜3后平行环形光束外径调节，但内外径差值不变，如此经过消像差聚焦镜组4聚焦，实现聚焦光束发散角的变化；对比图2，图3中沿着光轴的方向朝靠近消像差聚焦镜组4的方向移动第二轴锥透镜3，使聚焦光束发散角的角度变大。
如图4所示，本实用新型所述的光学系统能够实现聚焦焦点位置的调节，具体为：在图3的基础上，沿光轴移动消像差聚焦镜组4，聚焦焦点6发生移动，且聚焦焦点到消像差聚焦镜组4距离不变，如此实现了聚焦焦点6的位置调节。对比图3，图4中沿着光轴的方向朝着远离第二轴锥透镜3的方向移动消像差聚焦镜组4，从而改变了聚焦焦点6的位置。
本实用新型结构设计新颖，采用双片式轴锥透镜将实心光束转换为空心环形光束，通过调节第一轴锥透镜2与第二轴锥透镜3间距来改变聚焦光束发散角，通过调节消像差聚焦镜组4的位置来改变聚焦焦点位置，适用于高功率光纤激光切割应用，尤其相对于传统定焦光学系统及ZOOM光学系统可大幅提升中厚板材的切割速度与质量。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节与这里示出与描述的图例。