本發明涉及高功率激光切割技術領域，更具體地說，本發明涉及一種高功率連續變倍擴束球面鏡光學系統。
背景技術：
激光加工技術涵蓋了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多種激光加工工藝，利用了激光與物質相互作用的基本特性。由于激光束具有與加工材料的非接觸性、加工速度快與質量優異等優勢，奠定了激光加工技術是一種無可替代的高新技術。
當前激光切割占據了整個激光加工行業的主要地位，其中又以光纖輸出類激光切割為首要。光纖輸出類激光器涵蓋了光纖激光器以及半導體光纖耦合激光器，由于光纖的柔韌性以及對近紅外光束有很好的耦合輸出的性能，使得光纖輸出類激光器的市場占有率日益突出。目前千瓦級光纖輸出類激光器已相當普及，萬瓦級激光器也逐步上映市場。隨著光纖激光器激光功率的提高，高功率激光加工鏡片從基材到鍍膜的工藝水平也不斷提升。
光纖激光高功率激光頭一般為定焦加工頭，也就是準直鏡焦距與聚焦鏡焦距往往固定，通過換不同焦距的聚焦鏡方式來實現不同厚度板材的切割。目前，用于高功率激光加工鏡片有兩類，一類是消像差球面鏡組合鏡組，一類是消像差非球面鏡。相較于消像差非球面鏡，消像差球面鏡更容易加工，易于批量化，能夠很好的保證加工的一致性，同時價格相對較低，售后維護更加方便，但消像差效果較消像差非球面鏡差一些。
隨著激光功率的增加，光纖激光器光束質量會有所變差，對于同等光纖芯徑下，通常用于切割的中低功率光纖激光器na≤0.08，而光纖激光功率達到4kw左右，部分供應商的光纖激光器na≤0.1，這對于折射率較低的熔融石英鏡片材料而言，球面組合鏡要達到衍射極限圖像品質更加困難，加之熱透鏡效應的存在，常規的準直鏡與聚焦鏡組合，并不利于高功率下光纖激光切割，包括切割板材厚度、速度以及切割質量。
再者，對于不同厚度的板材，理論上對應一組最佳的焦距配置，以替換聚焦鏡的方式，效果并未達到最佳。連續變倍擴束聚焦系統的出現，實現了一套光路替換多組鏡片組合的情況。在國外，連續變倍擴束系統的鏡片往往用非球面鏡，較常見的為4片式非球面鏡系統或非球面鏡與球面鏡混合系統，總體來講價格很貴，且鍍膜要求也較高，變倍鏡片上光斑最小，增加了使用風險，這對于國產鏡片，從加工難度與鍍膜難度無疑有所增加。
從激光鍍膜來講，按相同功率鍍膜的鏡片，損傷閾值與入射光斑大小息息相關，入射光斑越大，鏡片能夠穩定承受的激光功率往往越高，因此一定程度上增大鏡面上的光斑尺寸，有助于降低熱透鏡效應對系統光路結構的影響。
因此，如何提供一種價格低廉、易于批量加工以及降低熱透鏡效應且兼容對薄中厚板材的切割速度與質量的光纖激光高功率激光頭光路系統成為了研究熱點。
技術實現要素：
本發明的一個目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優點。
本發明還有一個目的是提供了一種高功率連續變倍擴束球面鏡光學系統，其結構新穎，能夠獨立移動調焦鏡組和變倍鏡組，省去了現有技術中的補償鏡組與變倍鏡組共同移動改變聚焦焦點位置的問題，降低了機械結構設計加工難度，降低了鏡片數量，單獨改變變倍鏡組位置，聚焦焦點會有最多幾個mm的移動，主要改變聚焦點光斑直徑，單獨小范圍調節調焦鏡組位置，聚焦焦點光斑直徑有細微變化，聚焦焦點位置則可實現較大范圍的變化，實現聚焦焦點光斑倍數調節與焦點位置調節。
為了實現上述目的，本發明提供了一種高功率連續變倍擴束球面鏡光學系統，包括沿光線傳輸方向依次共軸設置的用于聚焦焦點調焦的調焦鏡組、用于調節聚焦焦點光斑倍數的變倍鏡組、固定聚焦鏡以及保護鏡片；
其中，所述調焦鏡組和所述變倍鏡組相互分離并可單獨移動。調焦鏡組和變倍鏡組的單獨運動實現了連續變倍擴束系統的焦點光斑倍數調節與焦點位置調節，避免了現有技術中需要同時移動，不便于調節聚焦焦點，并且一體化的結構增加了機械結構設計加工的難度，本發明通過分離式的結構，降低了加工難度，降低了鏡片數量，單獨改變變倍鏡組位置，聚焦焦點移動量可控制在幾個mm的移動，主要改變聚焦點光斑直徑；單獨小范圍移動調焦鏡組，聚焦焦點位置可大幅變化。
優選的是，其中，所述調焦鏡組包括第一平凸鏡和第一彎月鏡，所述第一平凸鏡的平面朝向光線入射方向，所述第一平凸鏡的凸面朝向所述第一彎月鏡的凸面；
所述變倍鏡組包括雙凸鏡、第二彎月鏡以及第二平凸鏡，所述第二彎月鏡的凸面朝向所述雙凸鏡，所述第二彎月鏡的凹面朝向所述第二平凸鏡的凸面；
所述固定聚焦鏡為第三彎月鏡，所述第三彎月鏡的凸面朝向所述第二平凸鏡的平面。
優選的是，其中，所述第二彎月鏡的凸面、所述第二平凸鏡的凸面和所述第三彎月鏡的凸面的曲率半徑相同。降低了鏡片加工模具的數量，降低了鏡片加工成本。
優選的是，其中，所述第一平凸鏡、所述第一彎月鏡、所述雙凸鏡、所述第二彎月鏡、所述第二平凸鏡、所述第三彎月鏡以及所述保護鏡片均為熔融石英材質。適用于目前所有高功率光纖激光器激光切割應用，同時均能達到衍射極限圖像品質，能夠控制在球面變倍擴束系統中使用最少的鏡片。
優選的是，其中，所述雙凸鏡的兩個凸面的曲率半徑相同。
本發明至少包括以下有益效果：
1、本發明提供的高功率連續變倍擴束球面鏡光學系統的結構設計新穎，基于球面鏡容易加工、容易批量化以及容易保證一致性特點，基于變倍鏡組對聚焦光斑的變倍特性與調焦鏡組對聚焦焦點的調焦特性，基于最低光學鏡片數量與較大數值孔徑下消像差衍射極限圖像品質，基于鍍膜損傷閾值與鏡面光斑大小關系及降低熱透鏡效應，基于最小化鏡片加工的樣板模具數量以優化鏡片價格，通過調焦鏡組與變倍鏡組的位置關系，構成連續變倍擴束聚焦光學系統，適用于高功率光纖激光切割領域，尤其是兼容了對薄中厚板材的切割速度與質量。
2、本發明提供的高功率連續變倍擴束球面鏡光學系統的調焦鏡組和變倍鏡組可單獨移動，省掉補償鏡組與變倍鏡組共同移動移動光斑的直徑和位置而需要兩者必須匹配，降低鏡片數量，降低機械結構設計加工難度，單獨改變變倍鏡組位置，聚焦焦點移動量可控制在幾個mm范圍；單獨小范圍移動調焦鏡組，聚焦焦點位置可大幅變化。
3、本發明所述的高功率連續變倍擴束球面鏡光學系統中的多個鏡片的曲率半徑相同，使得鏡片加工樣板模具數量降低，有利于鏡片加工成本的降低。
4、本發明提供的高功率連續變倍擴束球面鏡光學系統的變倍鏡組上的光斑尺寸最大，有利于提高鏡片使用安全系數和鏡片鍍膜損傷閾值，降低熱透鏡效應對光學系統的影響，提高加工穩定性。
5、本發明提供的高功率連續變倍擴束球面鏡光學系統中的固定聚焦鏡可替換為后焦距不同的單片特殊彎月鏡，既保證聚焦光斑變倍范圍不同，同時不影響衍射極限圖像品質。
6、本發明提供的高功率連續變倍擴束球面鏡光學系統中的鏡片材質均為熔融石英，適用于所有高功率光纖激光器激光切割應用，同時均能達到衍射極限圖像品質，使用了球面變倍擴束光學系統中最少的鏡片，組裝的光學系統的精度高，且組裝誤差符合目前工業激光切割頭組裝誤差。
本發明的其它優點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。
附圖說明
圖1為本發明所述的高功率連續變倍擴束球面鏡光學系統的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖以及實施例對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術語并不排除一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。
如圖1所示，本發明提供了一種高功率連續變倍擴束球面鏡光學系統，沿著光纖傳輸方向包括：第一平凸鏡2、第一彎月鏡3、雙凸鏡4、第二彎月鏡5、第二平凸鏡6、第三彎月鏡7和保護鏡片8，第一平凸鏡2、第一彎月鏡3、雙凸鏡4、第二彎月鏡5、第二平凸鏡6、第三彎月鏡7和保護鏡片8的中心軸共軸；
其中，第一平凸鏡2與第一彎月鏡3構成調焦鏡組，用于聚焦焦點的調焦；雙凸鏡4、第二彎月鏡5以及第二平凸鏡6構成變倍鏡組，用于聚焦焦點光斑倍數的調節，兩者的位置可相互移動，實現聚焦焦點光斑直徑與位置的調節。
如圖1所示，與光線傳輸方向為基準，第一平凸鏡2的平面、第一彎月鏡3的凸面、第二彎月鏡5的凸面、第二平凸鏡6的凸面和第三彎月鏡7的凸面迎向入射光方向。
本發明中，第三彎月鏡7為固定聚焦鏡，可更換為后焦距不同的彎月鏡，獲得不同范圍焦點光電變化倍數。
進一步地，本發明中，第二彎月鏡5的凸面、第二平凸鏡6的凸面以及第三彎月鏡7的凸面的曲率半徑相同；雙凸鏡4的兩個凸面的曲率半徑相同。從而降低了鏡片加工樣板模具的數量，降低了鏡片的加工成本。
進一步地，本發明中，第一平凸鏡2、第一彎月鏡3、雙凸鏡4、第二彎月鏡5、第二平凸鏡6以及第三彎月鏡7以及保護鏡片8均為熔融石英材料，適用于當下所有高功率光纖激光器激光切割應用，同時均能達到衍射極限圖像品質。
如圖1所示，在高功率光纖激光器出光點1入射下，發散光束經過第一平凸鏡2與第一彎月鏡3組成的調焦鏡組，形成發散性相對收縮的發散光束，發散光束再經過雙凸鏡4、第二彎月鏡5及第二平凸鏡6組成的變倍鏡組，獲得具有一定匯聚性的光束，匯聚光束再經過第三彎月鏡7進一步匯聚，最后透過保護鏡片8匯聚到一點9。通過單獨調節變倍鏡組，聚焦焦點會有最多幾個mm的移動，主要改變聚焦點光斑直徑；通過單獨小范圍調節調焦鏡組位置，聚焦焦點光斑直徑有細微變化，聚焦焦點位置則可實現較大范圍的變化。如此相互獨立控制移動，實現連續變倍擴束系統的焦點光斑倍數調節與焦點位置調節。
本發明結構設計新穎，采用全球面鏡光學系統，基于球面鏡容易加工、容易批量化以及容易保證一致性特點，基于變倍鏡組對聚焦光斑的變倍特性與調焦鏡組對聚焦焦點的調焦特性，基于最低光學鏡片數量與較大數值孔徑下消像差衍射極限圖像品質，基于鍍膜損傷閾值與鏡面光斑大小關系及降低熱透鏡效應，基于最小化鏡片加工的樣板模具數量以優化鏡片價格，通過調焦鏡組與變倍鏡組位置調節，構成連續變倍擴束聚焦光學系統，適用于高功率光纖激光切割應用，尤其是兼容了對薄中厚板材的切割速度與質量。
盡管本發明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發明并不限于特定的細節與這里示出與描述的圖例。