横向多焦点光斑反射镜及光学系统的制作方法

本申请属于激光加工，更具体地，涉及一种横向多焦点光斑反射镜及光学系统。

背景技术：

1、激光焊接常规使用的高斯分布聚焦光斑能量密度极高，作用在材料表面时会使得表面材料在极短时间内发生相变，会造成严重的飞溅以及由此发生的焊缝凹陷，使得焊接接头的质量严重下降；并且材料突然的升温过程会引起匙孔频繁的闭合，增大气泡出现的概率，并且严重影响焊接深度。

2、横向多焦点分布的激光光斑在焊接路径上引入了两个及以上光斑，并且前一个光斑处于离焦状态，形成较大面积的预热；后一个光斑则是正常的高斯分布聚焦光斑，对预热后的材料进行焊接，降低气泡、飞溅、凹陷等缺陷出现的概率，并提升焊接深度。目前，适用于高功率加工场景的横向多焦点分布光斑解决方案主要为两束独立的激光束叠加。两束激光通过特殊的激光头耦合输出为前后分布激光，但这种方式对焊接头的精密程度要求较高，两束激光焦点的相对位置不容易校准，难以对单一光束实现离焦，整体结构较为复杂，并且当焦点数目大于2时，采用耦合手段就难以实现输出前后多焦点分布，焊接头结构过于复杂，并且很难校准。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本申请提供了一种横向多焦点光斑反射镜及光学系统，其目的在于解决现有横向多焦点分布光斑光学系统结构和操作过于复杂的技术问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本申请提供了一种横向多焦点光斑反射镜，所述反射镜由多个共用中心点且相位不同的椭球曲面组成；所述组成的方式包括：第一组合方式，各椭球曲面大小不同，用较小椭球曲面替换较大椭球曲面的中间部分形成新的椭球曲面，直至最大椭球曲面中间部分被替换后得到反射镜；第二组合方式，各椭球曲面大小相同，从各椭球曲面中划分出扇形曲面，各扇形曲面组合得到新的椭球曲面即为反射镜。

3、优选的，所述椭球曲面为椭球表面上的投影面，具体为：由光源、光斑焦点和中心点的位置推导椭球表面方程，再由椭球表面方程确定椭球位置，已知中心点位于椭球表面，光源以光源发射角向中心点方向投射光线，椭球表面的投影面则为所述椭球曲面。

4、优选的，所述椭球表面方程为：

5、

6、其中，x、y、z为椭球表面点的三维坐标；b2为椭球表面方程参数；从中心点向光源和光斑焦点的连线做一条垂线，h为垂线的长度，l1和l2分别为光源和光斑焦点到垂线的距离；光源和光斑焦点之间的连线与椭球表面在中心点处切面间的夹角为β。

7、优选的，所述椭球表面方程中：

8、

9、

10、

11、

12、其中，f1、f2分别为光源到中心点的距离和光斑焦点到中心点的距离；α为光源到中心点的连线和光斑焦点到中心点的连线之间的夹角。

13、优选的，第一组合方式中，各个椭球曲面对应的光源发射角为：

14、

15、其中，θ0为真实光源的发射角，θi为第i个椭球曲面对应的光源发射角，i＝1,2,3,…,n；dot_parti为第i个椭球曲面对应光斑的能量占比，计算得到n-1个椭球曲面对应的光源发射角后，第n个椭球曲面的发射角定为θ0；

16、第二组合方式中，各椭球曲面对应的光源发射角为θ0。

17、优选的，第二组合方式中，所述扇形曲面的角度为2×π×dot_parti，其中，dot_parti为第i个椭球曲面对应光斑的能量占比，i＝1,2,3,…,n；

18、优选的，将各扇形曲面划分为两个角度都为π×dot_parti的小扇形曲面；由所有小扇形曲面组合得到新的椭球曲面作为反射镜，新的椭球曲面中，相同的小扇形曲面对称分布。

19、优选的，对第一组合方式得到的反射镜进行匀化处理，具体为：

20、从反射镜的中心点按预设角度差向外做m条辐射线r1,2,…,m，设ri,i＝1,2,…m和环形分界线l相交于di点，则di处的高度差为：

21、δ(ri)＝h0(di)-h1(di)

22、其中，h1()是分区s1的区域函数，h0()是分区s0的区域函数，s0和s1分别为环形分界线l两边的分区；较小分区s0的高度保持不变；将分区s1内环形分界线l处的点高度减去δ(ri)，该过程即为在分区s1内ri处的匀化操作；对分区s1内m条辐射线处进行匀化操作实现对分区s1的匀化操作，对除分区s0之外的所有分区进行匀化操作实现对反射镜的整体匀化处理。

23、优选的，对第二组合方式得到的反射镜进行匀化处理，具体为：

24、从反射镜的中心点开始沿半径方向按预设距离做m条环线l1,2,…,m；扇形区域s1的高度保持不变，将其他扇形区域内环线li,i＝1,2,…m处的点高度减去h0-h1，其中，h0为其他扇形曲面区域内环线li处所有点的平均高度，h1为s1区域内环线li处所有点的平均高度；该过程即为在环线li处的匀化操作，对反射镜中所有环线r1,2,…,m进行匀化操作，实现对反射镜的整体匀化处理。

25、第二方面，本申请提供了一种横向多焦点光斑光学系统，所述系统包括光源和第一方面中任一反射镜；所述光源为激光器，用于产生高斯光束。

26、总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

27、(1)本申请技术方案将多个相位不同的椭球曲面组合得到横向多焦点光斑反射镜，通过该反射镜可以将入射光光束准直、整形和聚焦后得到横向多焦点分布光斑，相较于现有技术，本申请能够以较少的光学元件和精简的光路结构，实现输出横向多焦点分布光斑，减小了各元件加工误差或装配误差累积，使得光斑整形系统能获得更稳定、更准确的输出；同时也减小了光路体积，具有更精简的光路结构，抗干扰能力更强；

28、(2)本申请技术方案并可根据所需光斑的数量、位置和能量设计调整反射镜，实现输出横向多焦点分布光斑，还可以光斑的焦距设计反射镜输出离焦光斑和环形光斑，由此适应于实际加工中不同场景的需求；

29、(3)本申请技术方案中提出了一种匀化的横向多焦点光斑反射镜，反射镜面匀化后，解决了多个椭球曲面组合时整个镜面的连续性问题，且降低了复杂面形加工难度，提高反射镜的光学性能。

技术特征：

1.一种横向多焦点光斑反射镜，其特征在于，所述反射镜由多个共用中心点且相位不同的椭球曲面组成；所述组成的方式包括：第一组合方式，各椭球曲面大小不同，用较小椭球曲面替换较大椭球曲面的中间部分形成新的椭球曲面，直至最大椭球曲面中间部分被替换后得到反射镜；第二组合方式，各椭球曲面大小相同，从各椭球曲面中划分出扇形曲面，各扇形曲面组合得到新的椭球曲面即为反射镜。

2.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，所述椭球曲面为椭球表面上的投影面，具体为：由光源、光斑焦点和中心点的位置推导椭球表面方程，再由椭球表面方程确定椭球位置，已知中心点位于椭球表面，光源以光源发射角向中心点方向投射光线，椭球表面的投影面则为所述椭球曲面。

3.根据权利要求2所述的反射镜，其特征在于，所述椭球表面方程为：

4.根据权利要求3所述的反射镜，其特征在于，所述椭球表面方程中：

5.根据权利要求2所述的反射镜，其特征在于，第一组合方式中，各个椭球曲面对应的光源发射角为：

6.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，第二组合方式中，所述扇形曲面的角度为2×π×dot_parti，其中，dot_parti为第i个椭球曲面对应光斑的能量占比，i＝1,2,3,…,n；

7.根据权利要求6所述的反射镜，其特征在于，将各扇形曲面划分为两个角度都为π×dot_parti的小扇形曲面；由所有小扇形曲面组合得到新的椭球曲面作为反射镜，新的椭球曲面中，相同的小扇形曲面对称分布。

8.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，对第一组合方式得到的反射镜进行匀化处理，具体为：

9.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，对第二组合方式得到的反射镜进行匀化处理，具体为：

10.一种横向多焦点光斑反射光学系统，其特征在于，所述系统包括光源和权利要求1-9中任一反射镜；所述光源为激光器，用于产生高斯光束。

技术总结本申请公开了一种横向多焦点光斑反射镜及光学系统。本申请反射镜由多个相位不同的椭球曲面组合而成，先基于预设准直焦距、预设聚焦焦距、入射高斯光束的入射光线和目标横向多焦点光斑对应的出射光线确定椭球表面方程，再由椭球表面方程确定椭球位置，已知入射光线和光源发射角，光源以光源发射角向椭球投射光线，椭球表面的投影面则为椭球曲面。本申请的横向多焦点光斑反射镜，结构简单小巧，对入射的高斯光束进行准直、整形和聚焦后在预设焦面处形成横向排布的多焦点或离焦形成的光斑，可适应实际加工中不同场景的需求。技术研发人员：秦应雄,李硕,李恒阳,徐家明,程明,刘旭,李想旺受保护的技术使用者：武汉华秦激光科技有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/5/12