一种可调轴向双焦点激光聚焦模组

本发明涉及一种新型共光路激光聚焦模组，特别是一种可调节的共光路轴向双焦点激光聚焦模组，属于激光精密加工。

背景技术：

1、随着激光技术的不断发展与进步，激光加工已经成为现代先进智能制造的重要组成部分。激光加工的基本原理是利用高度聚焦的激光，实现局部极高能量密度，从而实现对所加工材料的热消融与热化学消融实现材料切割、焊接、融敷等目的。传统激光聚焦光场往往只能产生单个轴向聚焦光斑，因而只能实现轴向很小区域内能量密度很高，远离焦点区域则会快速散焦。对很多激光加工应用来讲，往往要求聚焦光斑横向尺寸越小越好，轴向作用范围越大越好。对激光切割或划片来讲，则代表激光切割或划片厚度或深度更大；对激光焊接来讲，对于厚度超过20mm的厚金属板，可以避免传统的坡度切口预操作直接实现厚板焊接，从而大大提高效率、节省成本。

2、近年来，随着激光技术应用的不断拓展，轴向多焦点、尤其是轴向双焦点的技术越来越受到重视。当前，产生轴向多焦点/双焦点的主要技术包括：1)衍射光学元件，如达曼波带片【先前技术201010585480.4；201610024854.2】；2)分波前的双透镜系统，如【先前技术202110316515.2；201711315448.2；202011368293.0】；3)利用双光路产生的多焦点【先前技术201720868946.9】。衍射光学元件可以方便实现多个轴向焦点，其优点是结构紧凑，不需要复杂光路，然而，这种元件往往一旦加工完成，不具有焦点间隔、焦点能量的调节能力。分波前的双透镜系统，往往采用两个子孔径，分别聚焦一部分激光，从而实现轴向双焦点，这种方式也同样不具备调节能力。利用分离的双光路虽然可以实现较高的调节自由度，但这种双光路系统一方面系统较复杂，另一方面由于双光路分离配置，其两路激光的稳定性容易受到空气扰动、机械振动等干扰，稳定性不够。双焦点聚焦的激光其焦点调节能力，包括双焦点之间轴向间隔、能量分配比例的调节，则意味着系统的较高灵活性和兼容性，在激光切割、激光焊接等过程中，可以实时调节双焦点间隔、能量比等，可以更好地实现激光加工工艺调节优化。光路的稳定性，决定了双焦点之间能量分布、间隔等相对稳定，最终决定了激光加工的工艺一致性和良品率。

3、因而，对激光加工等应用来讲，当前缺乏一种同时具有焦斑能量、间隔可调节，并具有较高的光路稳定性紧凑的双焦点激光聚焦模组。

技术实现思路

1、针对当前缺乏一种同时具有焦斑能量、间隔可调节，并具有较高的光路稳定性紧凑的双焦点激光模组这一技术难题，本发明提出了一种可调轴向双焦点激光聚焦模组。这种双焦点激光模组主要通过偏振分束/合束的萨尼亚克干涉光路，引入正交偏振双光路不同球面度，并通过常规聚焦透镜即可实现共光路轴向的双焦点系统。通过调节入射到正交偏振光路内的偏振光取向可实现双焦点的相对能量分配比的调节；通过调节球面度引入元件轴向位置，可实现双焦点轴向距离的调节。此外，结合达曼波带片技术，该系统可以实现轴向双路多焦点，从而极大提升聚焦模组的轴向作用范围。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种可调轴向双焦点激光聚焦模组，其特征在于，包括：

4、入射激光模块，用于对入射激光进行准直扩束，并实现输出线偏振光的偏振取向和球面度的调节；

5、离焦控制模块，用于接收所述线偏振光，并输出二路不同球面度且偏振方向正交的线偏振光，并实现所述二路正交偏振的光路携带的球面度的动态调节；

6、聚焦模块，用于接收所述二路具有不同球面度且正交线偏振光，并形成轴向位置和间距均可调节的双组焦点激光光斑。

7、所述入射激光模块的完成对入射激光的传输、准直扩束与出射球面度调节，所述的入射激光模块输出的是高偏振选择比的线偏振光，且该线偏振光的偏振取向可以角向调节；所述的入射激光模块出射的激光束所携带的球面度可以动态调节；

8、所述离焦控制模块可以为透射离焦控制模块或反射离焦控制模块。

9、所述透射离焦控制模块包括第一偏振分束器，第一反射镜组，第二反射镜组，以及一对共焦透镜组，所述的共焦透镜组中的第一透镜处在光路中第一反射镜组和第二射镜组之间，且该透镜沿着光路方向的轴向位置可调，第二透镜设置在第一偏振分束器前或偏振分束器后；

10、对于第二透镜设置在第一偏振分束器之前的情况，所述透射离焦控制模块中光路走向依次为：从入射激光模块出射的线偏振光首先透过第二透镜，然后经过第一偏振分束器分为偏振态垂直的两路光束，其中水平偏振光束透过偏振分束器，进入第一反射镜组后经过反射出射，进入第一透镜后透射，进入第二反射镜组经过反射出射，进入第一偏振分束器透过出射；另一路垂直偏振光束经过第一偏振分束器反射发生90度偏转后，进入第二反射镜组经过反射出射后，进入第一透镜后透射，进入第一反射镜组经过反射出射，进入第一偏振分束器反射发生90度偏转后出射，此时，两路逆向传播的光束再次重合；

11、对于第二透镜设置在第一偏振分束器之后的情况，所述透射离焦控制模块中光路走向依次为：从入射激光模块出射的线偏振光经过第一偏振分束器后分为偏振态垂直的两路光束，其中水平偏振光束透过第一偏振分束器，进入第一反射镜组后经过反射出射，进入第一透镜后透射，进入第二反射镜组经过反射出射，进入第一偏振分束器透过并透过第二透镜出射；另一路垂直偏振光束经过第一偏振分束器反射发生90度偏转后，进入第二反射镜组经过反射出射，进入第一透镜后透射，进入第一反射镜组经过反射出射，进入第一偏振分束器反射发生90度偏转后，透过第二透镜出射，此时，两路逆向传播的光束再次重合；

12、所述透射离焦控制模块中的第二透镜可以沿光轴方向轴向平移，最终实现激光聚焦模组形成的轴向双焦点之间的轴向间距df的调节；

13、所述反射离焦控制模块包括第一偏振分束器、第一反射镜组、第一四分之一波片、第一物镜、双面反射镜、第二物镜、第二四分之一波片、第二反射镜组；且所述的双面反射镜沿着光路方向的轴向位置可调；

14、所述反射离焦控制模块中光路走向依次为：从入射激光模块出射的线偏振光经过第一偏振分束器后分为偏振态垂直的两路光束，其中水平偏振光束透过偏振分束器，进入第一反射镜组后经过反射出射，透过第一四分之一波片变成圆偏振光，进入第一物镜后聚焦，经过双面反射镜反射原路返回，再次经过第一物镜并经过第一四分之一波片后变成垂直偏振光，然后再次进入第一反射镜组后经过反射，再次进入第一偏振分束器发生反射并90度偏转后出射；另一路垂直偏振光束经过第一偏振分束器发生反射并90度偏转后，进入第二反射镜组经过反射出射，透过第二四分之一波片变成圆偏振光，进入第二物镜后聚焦，经过双面反射镜反射原路返回，再次经过第二物镜并经过第二四分之一波片后变成水平偏振光，然后再次进入第一反射镜组后经过反射，再次进入第一偏振分束器后透射出射；

15、所述的聚焦模块完成从透射离焦控制模块出射的光束的偏振和多焦点调控，最终实现轴向分离的两组激光聚焦多焦点光斑；所述的偏振和多焦点调控元件也可以撤除；撤除后，所述的聚焦模块实现轴向分离的两个激光聚焦光斑。

16、所述双面反射镜特征为前后两个面均镀有高反射率反射膜，且所述双面反射镜装载沿光路方向的线性扫描促动器上；所述的双面反射镜可以通过沿光轴方向轴向平移，最终实现激光聚焦模组形成的轴向双焦点之间的轴向间距df的调节；

17、优选地，所述入射激光模块的光路元件依次入射激光耦合光纤、格兰棱镜、准直透镜、第二偏振分束棱镜、第三四分之一波片、第三物镜、第三反射镜，和二分之一波片；

18、优选地，所述入射激光模块的第三反射镜上设有促动器；

19、优选地，所述入射激光模块的二分之一波片可以角向旋转调节；

20、优选地，所述聚焦模块的光路元件依次设有偏振片、达曼波带片、聚焦透镜；

21、优选地，所述的偏振片装载在角向可调节调整架上，可实现偏振方向的角向调节；

22、优选地，所述透射离焦控制模块或反射离焦控制模块中，第一反射镜组、第二反射镜组中的反射镜为五边形柱面反射棱镜，材料为融石英；所述五边形柱面反射棱镜截面为关于入射/出射光线法线对称的五边形，其五个内角分别为135度、90度、112.5度、112.5度、90度；所述五边形柱面反射棱镜的反射斜面镀有针对工作波长的高反射膜，其反射率大于99％；两个入射/出射面均镀有针对工作波长的增透膜，其透过率大于98％；

23、优选地，所述的激光聚焦模块形成的聚焦激光的轴向分离的两组多焦点可以整体轴向移动，其实现方式是通过所述入射激光模块的第三反射镜在促动器驱动下沿着光轴方向扫描(平移)，所述的激光聚焦模组其轴向工作距离可以在一定范围内调节。

24、优选地，所述激光工作模块的入射激光耦合光纤出射端、准直透镜、第三物镜保持中心对准；且所述激光工作模块中的入射激光耦合光纤出射端、准直透镜、第三物镜与离焦控制模块中第一透镜、第二透镜或第一物镜、第二物镜，以及聚焦模块中达曼波带片、聚焦透镜均保持中心对准；

25、优选地，所述入射激光模块入射激光耦合光纤为单模保偏光纤；所述格兰棱镜为布罗斯特格兰棱镜，其透过率优于96％，且偏振消光比优于10000:1；所述的二分之一波片装载旋转镜架为电动角度调节镜架，进一步地，其角向旋转的重复定位精度优于0.001度。

26、所述第一反射镜组、第二反射镜组中的反射镜也可以是镀有高反膜的介质反射镜，亦可为镀有高反膜的金属反射镜，金属反射镜可以为镀金、银、铝的金属膜反射镜。

27、优选地，所述达曼波带片可以是二台阶相位元件，也可以是多台阶相位元件，其基底材料为融石英。

28、优选地，所述达曼波带片为1×5达曼波带片。

29、优选地，所述达曼波带片在工作波长为1064nm、聚焦物镜的数值孔径为0.1及切趾因子g＝1的条件下，轴向光斑间隔为400微米，对应的各环归一化半径依次为0.1612,0.1685,0.1919,0.2007,0.2460,0.2636,0.3022,0.4442,0.4504,0.4609,0.6150,0.6261,0.7159,0.7175,0.7234,0.7257,0.7395,0.7455,0.7600,0.8266,0.8300,0.8357,0.9294,0.9368,0.9988。

30、优选地，所述达曼波带片为1×7达曼波带片。

31、优选地，所述达曼波带片在工作波长为1064nm、聚焦物镜的数值孔径为0.1及切趾因子g＝1的条件下，轴向光斑间隔为500微米，对应的各环归一化半径依次为0.2929,0.2955,0.3656,0.4395,0.4479,0.4517,0.4724,0.4731,0.5092,0.5119,0.5176,0.5723,0.5727,0.5789,0.6183,0.6233,0.6892,0.6902,0.7230,0.7629,0.7678,0.7700,0.7823,0.7827,0.8050,0.8067,0.8103,0.8463,0.8465,0.8507,0.8780,0.8815,0.9291,0.9299,0.9544,0.9850,0.9887,0.9904。

32、优选地，所述达曼波带片装配在可推进/退出的机械调整架上，可方便更换不同分束比达曼波带片，亦可根据实际需求方便移除达曼波带片。

33、本发明的有益效果：

34、(1)可实现共光路/准共光路高稳定的间距和能量分配比均可调节的轴向聚焦激光双焦点。

35、(2)可实现高速轴向间距调节，即实现一定范围内的轴向双焦点扫描。

36、(3)结合达曼波带片，可实现轴向双组聚焦多焦点，将极大扩展激光轴向作用范围。

37、(4)本发明的技术效果可以极大提升激光切割的切板厚度或提升激光焊接的纵深比。