一种激光分能装置的制作方法

本发明涉及激光分能技术领域，特别涉及一种激光分能装置。

背景技术：

激光加工具有速度快、无噪声和非接触式加工等优点，被广泛应用于激光打孔、焊接、切割、打标等领域；在高功率激光加工领域，为提高工作效率和设备集成度，通过激光分能进行多路加工成为必要。

现有技术中采用的固定分能器利用部分透射部分反射镜片或棱镜实现激光分束，结构简单可靠，但不满足输出功率连续可调的激光加工生产和工艺研发领域。

技术实现要素：

本申请实施例提供的一种激光分能装置，解决现有激光分能技术中采用固定分能器不能实现激光输出功率连续可调的问题，实现了任意偏振态激光的分能及分能比的连续调节，以满足激光加工生产和工艺研发领域中的加工件材料不同所需的激光能量密度或功率不同或对同一材料的多样式加工。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种激光分能装置，其特征在于，包括连续可调扩束镜、分束镜组件、第一聚焦组件、第二聚焦组件；

所述分束镜组件包含与入射激光光轴倾斜设置的空心平面分束镜，其中，所述空心平面分束镜包括空心透射部分和镜面反射部分；

所述连续可调扩束镜对准直入射激光进行扩束后出射准直光束，且所述扩束比连续可调；

所述空心平面分束镜接收所述出射光束后将所述出射光束分成至少两路，一路经过所述空心透射部分透射到所述第一聚焦组件，另一路经过所述镜面反射部分反射到所述第二聚焦组件；

所述第一聚焦组件接收到来自空心平面分束镜的透射光束后进行聚焦，并作用于第一工作面上；

所述第二聚焦组件接收到来自空心平面分束镜的反射光束后进行聚焦，并作用于第二工作面上。

进一步地，所述空心平面分束镜法线与入射光轴呈±(10°～80°)范围内夹角设置。

进一步地，所述分束镜组件还包括镜组壳体与反射镜镜座，该镜组壳体一侧设置有激光入射端口，另一侧设置有与激光入射端口同轴的激光透射端口；所述镜组壳体的底部设置有激光反射端口；

所述反射镜镜座设置于镜组壳体内部，所述空心平面分束镜固定于所述反射镜镜座上。

进一步地，所述的镜组壳体内部设置有消光螺纹。

进一步地，所述空心平面分束镜透射光束的光路上设置第一遮光器；所述空心平面分束镜反射光束的光路上设置第二遮光器。

进一步地，所述第一聚焦组件上设置第一防护罩；

所述第二聚焦组件上设置第二防护罩。

进一步地，所述的空心平面分束镜后表面具有楔角。

进一步地，所述的连续可调扩束镜和或第一聚焦组件和或第二聚焦组件的内部光学元件镀高损伤阈值增透膜；

所述空心平面分束镜镜面镀高损伤阈值的高效反射膜。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.本申请实施例首先通过连续可调扩束镜对准直入射激光光束进行扩束，工作过程中可对扩束比进行连续或间断调节，准直出射光束继而进入分束镜组件；分束镜组件具有的空心平面分束镜将激光光束分成至少两路，一路经过空心平面分束镜具有的空心透射部分透射到第一聚焦组件，另一路经过空心平面分束镜的镜面反射部分反射到第二聚焦组件；所述第一聚焦组件对空心平面分束镜透射的光束进行聚焦后作用于第一工作面上；所述第二聚焦组件对空心平面分束镜反射的光束进行聚焦后作用于第二工作面上；由于准直入射激光经连续可调扩束镜扩束后输出准直光束，输出光束直径依扩束比的调节而改变，该可变光束入射到空心平面分束镜后分别进入空心透射部分和镜面反射部分，且两部分分布比例随光束直径变化而变化，进而实现透射和反射光路分能比的变化，最终实现分能比随扩束比的调节而改变；解决了现有技术中固定分能器不能对激光光束进行连续可调分能输出的问题，实现了任意偏振态激光的分能及分能比的连续调节，从而满足输出功率连续可调的激光加工生产和工艺研发领域的分能应用需求。

1.本申请实施例采用所述的分束镜组件包括镜组壳体，该镜组壳体一侧设置有激光入射端口，另一侧设置有与激光入射端口同轴的激光透射端口；所述镜组壳体的底部设置有激光反射端口；镜组壳体将楔形空心平面分束镜的反射杂光约束于镜组壳体内部，避免了光源对外部环境的污染，提高了激光使用安全性，进一步的通过各组件的变化或改进提高其使用安全性和工程实用性。

3.本申请实施例采用所述的空心平面分束镜后表面做成楔角，使得后表面反射的杂光偏离反射光路进入所述镜组壳体内部，消除空心平面分束镜前后表面光束产生的干涉和鬼像，提高聚焦光束质量。

4.本申请实施例采用所述的镜组壳体内部设置有消光螺纹以减少进入光路的二次杂光，提高激光光束质量；所述激光透射端口、激光反射端口处均设置有遮光器，该遮光器可控制所述透射光路、反射光路输出的通断，实现了各路激光输出的主动控制。

5.本申请实施例采用所述的第一聚焦组件上设置第一防护罩；所述第二聚焦组件上设置第二防护罩；所述第一聚焦组件和第二聚焦组件可采用振镜聚焦模块来得到扫描光束输出；所述第一防护罩、第二防护罩具有的外壳均只留聚焦光束出光区域出射激光，减少了工作过程中的气化颗粒及空气中灰尘在光学元件表面形成附着。

6.本申请实施例采用所述的连续可调扩束镜、第一聚焦组件及第二聚焦组件内部光学元件均镀高损伤阈值的增透膜；所述分束镜组件空心平面分束镜镜面镀高损伤阈值的高效反射膜；具有通过高效透射和反射膜保证激光能量的有效传输的技术效果。

7.本申请实施例采用所述的连续可调扩束镜通过手动调节或调焦电机进行扩束比的连续或间断调节，提供多种途径的调节方式，可以适应不同的工作场合，具有良好的适应性。

附图说明

图1是本申请实施例一种激光分能装置的连续分能模块结构示意图；

图2是本申请实施例一种激光分能装置的分束镜组件结构示意图；

图3是本申请实施例一种激光分能装置的空心平面分束镜楔角示意图；

图4是本申请实施例一种激光分能装置的防护罩结构示意图；

图中：1、连续可调扩束镜；2、分束镜组件；21、空心平面分束镜；22、反射镜镜座；23、镜组壳体；24、第一遮光器；25、第二遮光器；26、激光入射端口；27、激光透射端口；28、激光反射端口；211、空心透射部分；212、镜面反射部分；213、空心平面分束镜楔角；3、第一聚焦组件；4、第二聚焦组件；5、第一工作面；6、第二工作面；7、第二防护罩。

具体实施方式

本申请实施例提供的一种激光分能装置，解决现有技术中采用固定分能器工作情况下，不能实现激光功率连续可调的问题，实现了任意偏振态激光的分能及分能比的连续调节，从而满足要求输出功率连续可调的激光加工生产和工艺研发领域。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术思路：

本方案采用连续可调扩束镜对入射的准直激光光束进行扩束，且扩束比可连续或间断调节，出射准直光束进入分束镜组件，空心平面分束镜将入射来的激光光束分成两路，一路经过空心平面分束镜具有的空心透射部分透射到第一聚焦组件，另一路经过空心平面分束镜的镜面反射部分反射到第二聚焦组件；所述第一聚焦组件对透射来的激光光束进行聚焦后作用于第一工作面上；所述第二聚焦组件对空心平面分束镜反射来的激光光束进行聚焦后作用于第二工作面上。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行详细说明。

实施例1

如图1、2、3和4所示，本申请实施例提供的一种激光分能装置，包括连续可调扩束镜1、分束镜组件2、第一聚焦组件3、第二聚焦组件4；

所述分束镜组件2包含与入射激光光轴倾斜设置的空心平面分束镜21，其中，所述空心平面分束镜21包括空心透射部分211和镜面反射部分212；

所述连续可调扩束镜1对准直入射激光进行扩束后出射准直光束，且所述扩束比连续可调；

所述空心平面分束镜21将所述连续可调扩束镜的出射光束分成至少两路，一路经过所述空心透射部分211透射到所述第一聚焦组件3，另一路经过所述镜面反射部分212反射到所述第二聚焦组件4；

所述第一聚焦组件1接收来自空心透射部分211的透射光束后进行聚焦，并作用于第一工作面5上；

所述第二聚焦组件4接收来自镜面反射部分212的反射光束后进行聚焦，并作用于第二工作面6上。

优选地，所述连续可调扩束镜1入瞳口径不小于准直入射激光直径。

本申请实施例中，所述空心平面分束镜21法线与入射光轴呈±(10°～80°)范围内夹角设置；

优选地，所述的空心平面分束镜21法线与入射光轴呈±15°或±30°或±45°或±60°夹角。

本申请实施例中，所述分束镜组件2还包括镜组壳体23和反射镜镜座22，该镜组壳体23一侧设置有激光入射端口24，另一侧设置有与激光入射端口同轴的激光透射端口27；所述镜组壳体23的底部设置有激光反射端口28；镜组壳体23将楔形空心平面分束镜的反射杂光约束于镜组壳体内部，避免了光源对外部环境的污染，提高了激光使用安全性，进一步的通过各组件的变化或改进提高了其使用安全性和工程实用性；

所述反射镜镜座22设置于所述镜组壳体23内部，所述空心平面分束镜21安装固定于所述反射镜镜座22上。

本申请实施例中，所述的空心平面分束镜21后表面具有楔角212，使得后表面反射的杂光偏离反射光路进入镜组壳体23内，消除空心平面分束镜21前后表面光束产生的干涉和鬼像，提高聚焦光束质量。

本申请实施例中，所述镜组壳体23内设置有消光螺纹可以减少进入光路的二次杂光，提高聚焦光束质量；所述激光透射端口27处设置有第一遮光器24；所述激光反射端口28处设置有第二遮光器25，所述第一遮光器24和第二遮光器25可分别控制所述激光透射光路、反射光路输出的通断，实现了各路激光输出的主动控制。

本申请实施例中，所述第一聚焦组件3上设置第一防护罩；如图4所示，所述第二聚焦组件4上设置第二防护罩7；所述第一聚焦组件和第二聚焦组件可采用振镜聚焦模块来得到扫描光束输出；所述第一防护罩和第二防护罩7具有的外壳均只留聚焦光束出光区域出射激光，减少了工作过程中的气化颗粒及空气中灰尘在光学元件表面形成附着。

所应说明的是，所述光路形式仅为参考，可于光路中设置反射镜改变光路方向，来实现所需的系统外形和出光方向；进一步地，所述第一遮光器24和第二遮光器25可依结构优化而设置于透射和反射光路中的任意光束截面位置。

本申请实施例中，所述的连续可调扩束镜1和或第一聚焦组件3和或第二聚焦组件4的内部光学元件镀高损伤阈值增透膜；所述空心平面分束镜21镜面镀高损伤阈值的高效反射膜；通过高损伤阈值增透膜和反射膜保证激光能量的有效传输。

优选地，所述的连续可调扩束镜具有手动调节环，所述手动调节环实现扩束比的调节；所述连续可调扩束镜还可通过设置调焦电机进行扩束比的电动调节，提供多种途径的调节方式，可以适应不同的工作场合，具有良好的适应性。

本申请实施例的工作原理如下：

安装将要工作的激光器组件，并相对于两个工作物安装好连续可调扩束镜、分束镜组件、第一聚焦组件、第二聚焦组件；激光器输出或经光束变换输出的准直激光进入连续可调扩束镜，经扩束后的准直光束进入到空分束镜组件；分束镜组件具有的空心平面分束镜将激光光束分成至少两路，一路经过空心平面分束镜具有的空心透射部分透射到第一聚焦组件，另一路经过空心平面分束镜的镜面反射部分反射到第二聚焦组件；所述第一聚焦组件对透射来的激光光束进行聚焦后作用于第一工作面上；所述第二聚焦组件对反射来的激光光束进行聚焦后作用于第二工作面上，当作用于加工件的激光能量密度或功率不满足激光加工需求时可通过调节连续可调扩束镜扩束比至达到所述要求。

具体是，将所述连续可调扩束镜1、分束镜组件2、第一聚焦组件3沿透射光路轴线依次设置；所述空心平面分束镜21法线与入射光轴呈±(10°～80°)范围内夹角设置，且空心平面分束镜21固定于镜座22上；所述第二聚焦组件4位于所述空心平面分束镜21反射激光光路轴线上。激光光束的传输顺序为，准直入射激光首先经过连续可调扩束镜进行扩束，且扩束比可连续或间断调节，再经分束镜组件2具有的空心平面分束镜分为透射和反射光路两路，最后由第一聚焦组件3将透射方向的能量进行聚焦后传递给第一工作面5进行激光加工；进一步的，反射光路上由第二聚焦组件4将该反射光路上的能量聚焦后传递给第二工作面6进行激光加工。

实施例2

下面通过实际方式之一来进一步说明本实施例的技术方案：

一种激光分能装置，如附图1、2、3、4所示，包括连续可调扩束镜1、分束镜组件2、分别位于反射和透射光路的第一聚焦组件3和第二聚焦组件4；所述连续可调扩束镜1可连续调节扩束比；所述分束镜组件2包括法线与入射光轴成45°夹角的空心平面分束镜及其固定组件，其中激光光束经所述空心平面分束镜空心部分透射，经镜面部分反射，所述空心平面分束镜法线与入射光轴夹角45°为优选参考值，可根据实际光路需求进行调整。

所述空心平面分束镜也可为空心分束棱镜；所述第一聚焦组件3和第二聚焦组件4中心轴与各路光轴重合；准直激光光束入射至连续可调扩束镜1，经扩束的激光入射到空心平面分束镜21后分为透射和反射两路，并经位于各路光轴上的第一聚焦组件3和第二聚焦组件4聚焦于第一工作面5上和第二工作面6上进行激光加工。

所述连续可调扩束镜1入瞳口径不小于输入准直激光直径，所述连续可调扩束镜1通过手动调节环实现手动调节或控制电路和调焦电机进行实时电动调节。

根据所述连续可调扩束镜1的扩束比变化范围，输出光束最小直径为φ₁，最大直径为φ₂；

所述空心平面分束镜通光尺寸以φ₂在空心平面分束镜镜面上的通光截面为基础，留1mm余量作加工及装调公差；空心部分尺寸以φ₁在空心平面分束镜前后表面的最大通光截面为基础，留1mm余量作加工及装调公差。

所述聚焦组件3入瞳直径不小于φ₁，焦距为f₁，对应半孔径角θ₁＝φ₁/(2×f₁)，其焦深为：

所述聚焦组件4入瞳直径不小于φ₂，焦距为f₂，对应半孔径角θ₂＝φ₂/(2×f₂)，其焦深为：

其中，λ为工作波长，如上所述，可在透射和反射光路选择合适焦距来分别得到理想的焦深特性。

进一步地，所述透射光路输出功率为P_A,反射光路输出功率为P_B,P_A与P_B总和保持不变，即总功率为固定值：

P＝P_A+P_B

所述总功率P与激光器输出功率及系统中各光学元件透过率和反射率有关，且所镀膜系属于成熟工艺。

当扩束比调节至最小时，全部激光通过空心平面分束镜空心部分进入透射光路，对应100％透射光路能量比；当扩束比调节至最大时，直径为φ₂的准直光束内仅φ₁截面光束通过空心平面分束镜空心部分进入透射光路，对应透射光路能量比，所述透射光路可获得的能量比η₁范围为～100％，η₁与η₂线性相关：

η₁+η₂＝1

相应的，反射光路可获得的的能量比η₂范围为0～

进一步地，当所述连续可调扩束镜1的扩束比为1～8倍时，透射光路可获得的能量比η₁范围为1.6％～100％，相应的反射光路能量比η₂范围为0～98.4％。

本实施例的特点在于通过提高可调扩束镜最大扩束比与最小扩束比的比率来获得更宽的分能比范围，进一步地，通过扩束比的变化实现分能比的调节，进一步地，所述两个聚焦组件可选择合适的焦距在透射和反射光路分别得到理想的焦深特性。

所应说明的是，所述分能装置不仅限于激光领域，也可适用于任意宽波段或单光谱的光束分束。

总的来说，本申请实施例解决了现有技术中固定分能器不能对激光光束进行连续可调分能输出的问题，实现了激光光束分能比的连续、大范围调节，使得各分路激光能量得以调整，从而满足激光加工生产和工艺研发领域能量可调的多样化加工；同时，在偏振型分束立方体前加装旋转半波片的方法也可对输入激光进行连续分能输出，但仅能适用于线偏振态激光光束，对于随机偏振态激光，需通过起偏器将激光从随机偏振态转换为线偏振态，继而带来能量衰减和功效降低；此外，采用透过率渐变膜的可调分束器通过水平移动镀膜片实现分能比的单调变化，该方法旨在实现分能比的精确控制，由于镀膜工艺限制可实现分能比范围较窄，据技术资料可实现45％～55％的分能比。该方案实现了对入射光束的连续可调分能输出；进一步地，该方案不受入射光束偏振态限制，避免了高功率激光加工场合，采用起偏器将随机偏振态激光转换为线偏振光造成的激光能量损失；进一步地，该方案可实现分能比范围大，克服了采用透过率渐变膜可实现分能比范围窄的问题。

综上所述，本申请实施例提供的一种激光分能装置，解决现有技术中采用固定分能器工作情况下，不能对激光光束进行连续可调分能输出的问题，实现了任意偏振态激光的分能及分能比的连续调节，满足了激光加工生产和工艺研发领域的多样化加工。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.本申请实施例首先通过连续可调扩束镜对准直入射激光光束进行扩束，工作过程中可对扩束比进行连续或间断调节，准直出射光束继而进入分束镜组件；分束镜组件具有的空心平面分束镜将激光光束分成至少两路，一路经过空心平面分束镜具有的空心透射到第一聚焦组件，另一路经过空心平面分束镜的镜面反射到第二聚焦组件；所述第一聚焦组件对透射的光束进行聚焦后作用于第一工作面上；所述第二聚焦组件对反射的光束进行聚焦后作用于第二工作面上；由于准直入射激光经连续可调扩束镜扩束后输出准直光束，输出光束直径依扩束比的调节而改变，该可变光束入射到空心平面分束镜后分别进入空心和镜面部分，且两部分分布比例随光束直径变化而变化，进而实现透射和反射光路分能比的变化，最终实现分能比随扩束比的调节而改变；该方案解决了现有技术中固定分能器不能对激光光束进行连续可调分能输出的问题，实现了任意偏振态激光的分能及分能比的连续调节，从而满足输出功率连续可调的激光加工生产和工艺研发领域的分能应用需求。

2.本申请实施例采用所述的分束镜组件还包括镜组壳体，该镜组壳体一侧设置有激光入射端口，另一侧设置有与激光入射端口同轴的激光透射端口；所述镜组壳体的底部设置有激光反射端口；镜组壳体将楔形空心平面分束镜的反射杂光约束于镜组壳体内部，避免了光源对外部环境的污染，提高了激光使用安全性，进一步的通过各组件的变化或改进提高了其使用安全性和工程实用性。

3.本申请实施例采用所述的空心平面分束镜后表面做成楔角，使得后表面反射的杂光偏离反射光路进入分束镜组件镜组壳体内部，消除空心平面分束镜前后表面光束产生的干涉和鬼像，提高聚焦光束质量。

4.本申请实施例采用所述的分束镜组件镜组壳体内部设置有消光螺纹以减少进入光路的二次杂光，提高激光光束质量；所述激光透射端口、激光反射端口处均设置有遮光器，该遮光器可控制所述透射光路、反射光路输出的通断，实现了各路激光输出的主动控制。

5.本申请实施例采用所述的第一聚焦组件上设置第一防护罩；所述第二聚焦组件上设置第二防护罩；所述聚焦组件可采用振镜聚焦模块来得到扫描光束输出；所述第一防护罩、第二防护罩具有的外壳均只留聚焦光束出光区域出射激光，减少了工作过程中的气化颗粒及空气中灰尘在光学元件表面形成附着。

6.本申请实施例采用所述的连续可调扩束镜、第一聚焦组件及第二聚焦组件内部光学元件均镀高损伤阈值的增透膜；所述分束镜组件空心平面分束镜镜面镀高损伤阈值的高效反射膜；具有通过高效透射和反射膜保证激光能量的有效传输的技术效果。

7.本申请实施例采用所述的连续可调扩束镜通过手动调节或调焦电机进行扩束比的连续或间断调节，提供多种途径的调节方式，可以适应不同的工作场合，具有良好的适应性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。