一种激光切割头及具有其的激光加工设备的制作方法

本申请涉及先进设备的，尤其涉及一种激光切割头及具有其的激光加工设备。

背景技术：

1、激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

2、随着生产制造业的不断发展，许多材料都需要用到激光加工而来，激光加工对材料的切割虽然效率很高，但是所需要的精度越来越苛刻，其中激光加工所引起的崩边和加工处的材料粗糙度成为了重点评估因素。现有技术中的激光加工中，为了得到合适的焦深和聚焦光斑使用多个镜头进行光线的转化，导致激光设备的切割头输出前的能量损失较大，影响激光加工的输出功率，从而影响激光加工的精度。

技术实现思路

1、本申请提供了一种激光切割头及具有其的激光加工设备，以解决现有技术中的激光切割头输出前的需要多个透镜转换光线，导致能量损失较大导致激光切割头输出的焦深较小的问题。

2、第一方面，本申请提供了一种激光切割头，包括从物方到相方依次设置的锥透镜、第一双凸透镜和胶合透镜，第一双凸透镜和胶合透镜在组合状态下的组合放大倍率为β，入射光束半径为w，调整组合放大倍率β与入射光束半径w，使激光切割头输出的焦深大于等于2mm。

3、根据本申请的一些实施例，激光切割头输出的焦深z2满足如下的公式：

4、

5、其中，β＝f13/f12，f12为第一双凸透镜的焦距，f13为胶合透镜的焦距；

6、w：入射光束半径，mm；

7、n：锥透镜的折射率；

8、γ：锥透镜的底角弧度值。

9、根据本申请的一些实施例，入射光束半径w的取值范围为：3mm＜w＜5mm；锥透镜的折射率n的取值范围为：1.43＜n＜1.55，锥透镜的底角角度为10°。

10、根据本申请的一些实施例，调整组合放大倍率β以使激光切割头的聚焦光斑半径小于3微米，激光切割头的聚焦光斑半径ρ满足如下的公式：

11、

12、其中，λ为入射光束的波长，取值范围为：1030nm＜λ＜1070nm；

13、π：圆周率。

14、根据本申请的一些实施例，激光切割头的工作距离wd满足如下的公式：

15、wd＝f12(β+1)-β2t1

16、其中，t1为锥透镜面向第一双凸透镜的顶点与第一双凸透镜的前表面之间的距离，取值范围为：80mm＜t1＜95mm。

17、根据本申请的一些实施例，胶合透镜包括第二双凸透镜和弯月透镜。

18、根据本申请的一些实施例，锥透镜、第一双凸透镜、第二双凸透镜和弯月透镜均为球面透镜。

19、根据本申请的一些实施例，第二双凸透镜面向弯月透镜的一面为第一曲面，弯月透镜面向第二双凸透镜的一面为第二曲面，第一曲面与第二曲面的曲率半径相同。

20、根据本申请的一些实施例，锥透镜、第一双凸透镜、第二双凸透镜和弯月透镜均在其表面设置有镀膜层。

21、第二方面本申请提供了一种激光加工设备，激光加工设备包括激光切割头和设备主体，激光切割头为上述的激光切割头，激光切割头与设备主体固定相连。

22、本申请提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

23、本申请提供了一种激光切割头及具有其的激光加工设备，其中，激光切割头包括从物方到相方依次设置的锥透镜、第一双凸透镜和胶合透镜，所述第一双凸透镜和所述胶合透镜在组合状态下的组合放大倍率为β，入射光束半径为w，调整所述组合放大倍率β与所述入射光束半径w，使所述激光切割头输出的焦深大于等于2mm。使用锥透镜形成贝塞尔光束，在一定距离内为无衍射光束，从而降低了能量的损耗，设置胶合透镜将多个透镜结合为一体，这样的设置降低了激光光束传递的距离，进一步地降低激光光束发出后的损耗，还能够减少透镜的设置数量，同时通过调整第一双凸透镜和胶合透镜的放大倍率以及入射光束半径使得激光切割头输出的焦深大于等于2mm，适用于多种厚玻璃、陶瓷、蓝宝石等脆性材料的精密切割。本申请有效地解决了现有技术中的激光切割头输出前的需要多个透镜转换光线，导致能量损失较大、激光切割头输出的焦深较小的问题。

技术特征：

1.一种激光切割头，其特征在于，包括从物方到相方依次设置的锥透镜(11)、第一双凸透镜(12)和胶合透镜(13)，所述第一双凸透镜(12)和所述胶合透镜(13)在组合状态下的组合放大倍率为β，入射光束半径为w，调整所述组合放大倍率β与所述入射光束半径w，使所述激光切割头输出的焦深大于等于2mm。

2.根据权利要求1所述的激光切割头，其特征在于，所述激光切割头输出的焦深z2满足如下的公式：

3.根据权利要求2所述的激光切割头，其特征在于，所述入射光束半径w的取值范围为：3mm＜w＜5mm；所述锥透镜(11)的折射率n的取值范围为：1.43＜n＜1.55，锥透镜(11)的底角角度为10°。

4.根据权利要求3所述的激光切割头，其特征在于，调整所述组合放大倍率β以使所述激光切割头的聚焦光斑半径小于3微米，所述激光切割头的聚焦光斑半径ρ满足如下的公式：

5.根据权利要求2所述的激光切割头，其特征在于，所述激光切割头的工作距离wd满足如下的公式：

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光切割头，其特征在于，所述胶合透镜(13)包括第二双凸透镜(131)和弯月透镜(132)。

7.根据权利要求6所述的激光切割头，其特征在于，所述锥透镜(11)、所述第一双凸透镜(12)、所述第二双凸透镜(131)和所述弯月透镜(132)均为球面透镜。

8.根据权利要求6所述的激光切割头，其特征在于，所述第二双凸透镜(131)面向所述弯月透镜(132)的一面为第一曲面，所述弯月透镜(132)面向所述第二双凸透镜(131)的一面为第二曲面，所述第一曲面与所述第二曲面的曲率半径相同。

9.根据权利要求6所述的激光切割头，其特征在于，所述锥透镜(11)、所述第一双凸透镜(12)、所述第二双凸透镜(131)和所述弯月透镜(132)均在其表面设置有镀膜层。

10.一种激光加工设备，其特征在于，所述激光加工设备包括激光切割头和设备主体，所述激光切割头为权利要求1至9中任一项所述的激光切割头，所述激光切割头与所述设备主体固定相连。

技术总结
本申请提供了一种激光切割头及具有其的激光加工设备，其中，激光切割头包括从物方到相方依次设置的锥透镜、第一双凸透镜和胶合透镜。锥透镜产生贝塞尔光束，在一定距离内为无衍射光束，降低了能量的损耗，胶合透镜将多个透镜结合为一体，降低了激光光束传递的距离，降低激光光束发出后的损耗，通过调整第一双凸透镜和胶合透镜的组合放大倍率以及入射光束半径使得激光切割头输出的焦深大于等于2mm，适用于多种厚玻璃、陶瓷、蓝宝石等脆性材料的精密切割。本申请有效地解决了现有技术中的激光切割头输出前的需要多个透镜转换光线，导致能量损失较大、激光切割头输出的焦深较小的问题。

技术研发人员：贺艳芳,李元洲,周黎明
受保护的技术使用者：蓝思智能机器人（长沙）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12