技術領域：

本發明涉及激光焊接領域，特別涉及一種間距與分光能量可調三光點激光焊接光學系統。

背景技術：
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工業激光加工行業包括激光切割、焊接、打標、鉆孔、微加工、熔覆、淬火、表面處理、3d打印等各方面，涵蓋了各類常用金屬或非金屬材料的激光加工，其中尤以激光焊接、打標、3d打印等激光加工行業對激光束多樣性的要求更具代表性。

激光焊接，從最初的單焦點焊接，到后面衍生的雙焦點焊接、三焦點焊接等，目的是為了獲得更好焊接效果與質量。雙焦點焊接是激光束經過特殊整形后，聚焦出兩束能量相同、大小一致的光斑，分別對稱落在焊縫兩邊來進行加工的工藝方式，三焦點焊接通常是在雙焦點焊接基礎上，引入另一焦點對待焊接或焊接后的焊縫進行預處理或后處理,但在一些激光焊接場合，分布在焊縫兩邊的雙光斑會用于輔助處理焊縫，大部分能量則分給了焊縫上的光斑。可見，不同的激光焊接場合，三光點激光焊接的三個光斑能量分布上，有其特定的要求。

當下的三焦點激光焊接光路，大致從兩個方向出發，一種是通過特殊的光纖來獲得三光點的輸出光束，另一種則是通過外光路特殊整形處理來實現。前一種方案，以ipg為代表的光纖激光器分光方案，通過常規外光路聚焦后的三光點方向往往具有隨意性，對激光焊接方向有諸多限制，而且高功率的特殊光纖，價格上十分昂貴，三光點分光能量以及光斑間距均不可調；后一種方案，有以laserline為代表的分光方案，通過鏡片表面部分陣列化及分光化，獲得主光點為方形，側雙光點為圓形的三光點，該方案的問題在于，三個光點的距離固定，十分影響并限制光纖芯徑差異較大、聚焦鏡焦距差異較大的激光焊接應用，再者，陣列化的鏡面非常難加工，成本昂貴，目前僅有少數國外供應商有穩定的產品。

基于以上所述，同時考慮到機械結構實現的難易性，本發明提出一種間距與分光能量可調三光點激光焊接光學系統，通過采用圓楔形鏡與三分束棱鏡組合，基于雙片圓楔形鏡間距可調所引起的光束平移特性，基于雙片三分束棱鏡分束特性與棱夾角特性，基于圓楔形鏡與三分束棱鏡中心軸旋轉特性，實現了一種聚焦三光點光學系統，三光點間距、能量以及方向均可調節，適用于任意光纖芯徑的光纖激光器激光焊接應用，特別有助于提高激光釬焊中焊接件焊縫質量。

技術實現要素：
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本發明提供一種間距與分光能量可調三光點激光焊接光學系統，以解決上述背景技術中提出的問題。

為了解決上述問題，本發明提供了一種技術方案：一種間距與分光能量可調三光點激光焊接光學系統，包括：光纖激光器自出光點和焦平面，其創新點在于：還包括消像差準直鏡組、第一片圓楔形鏡、第二片圓楔形鏡、第一片三分束棱鏡、第二片三分束棱鏡和消像差聚焦鏡組；所述光纖激光器自出光點、消像差準直鏡組、第一片圓楔形鏡、第二片圓楔形鏡、第一片三分束棱鏡、第二片三分束棱鏡、消像差聚焦鏡組和焦平面自上而下以相互間隔的方式排列在一起且相互同心；所述第一片圓楔形鏡與第二片圓楔形鏡相互平行，所述第一片圓楔形鏡與第二片圓楔形鏡的楔形面相互對應；所述第一片圓楔形鏡與第二片圓楔形鏡之間的間距可調，且所述第一片圓楔形鏡與第二片圓楔形鏡可圍繞中心軸360°旋轉；所述第一片三分束棱鏡與第二片三分束棱鏡的分光面相互對應，所述第一片三分束棱鏡與第二片三分束棱鏡可圍繞中心軸360°旋轉；所述消像差準直鏡組和消像差聚焦鏡組均可換為消像差非球面鏡，所述消像差準直鏡組和消像差聚焦鏡組的鏡片均為圓柱狀且相互同軸。

作為優選，所述第一片圓楔形鏡與第二片圓楔形鏡楔形面的楔角相同，且所述第一片圓楔形鏡與第二片圓楔形鏡的兩側鏡面均為平面。

作為優選，所述第一片三分束棱鏡和第二片三分束棱鏡對應中心軸過三條分光棱交點，三條分光棱與中心軸夾角即棱軸夾角相同，三個分光面為平面且等面積等角度分布，兩片三分束棱鏡棱軸夾角相同。

作為優選，所述消像差聚焦鏡組聚焦三光點在焦平面上，且三光點大小相同，中心連線為等邊三角形，等邊三角形中心不動，三光點間距、分束能量及方向可控。

本發明的有益效果：

(1)本發明結構設計新穎，通過采用圓楔形鏡與三分束棱鏡組合，基于雙片圓楔形鏡間距可調所引起的光束平移特性，基于雙片三分束棱鏡分束特性與棱夾角特性，基于圓楔形鏡與三分束棱鏡中心軸旋轉特性，實現了一種聚焦三光點光學系統，三光點間距、能量以及方向均可調節，適用于任意光纖芯徑的光纖激光器激光焊接應用，特別有助于提高激光釬焊中焊接件焊縫質量。

(2)本發明的光纖激光束經過消像差準直鏡組準直后為平行光束，平行光束由兩片圓楔形鏡折射不影響傳輸方向的同時，產生光軸方向上的位置偏移，偏移距離與兩圓楔形鏡間距有關，確保入射到第一片三分束棱鏡上的光束分光能量任意可控。

(3)本發明的圓楔形鏡產生的偏移平行光束，經過兩片三分束棱鏡分束后，形成三束光束，當兩片三分束棱鏡六個中心對稱面每兩個相鄰面夾角為60°時，三束光束傳輸方向相同，聚焦焦點為一個點，在此基礎上微調其中兩相鄰中心對稱面夾角，聚焦焦點即可分成三個光斑，對稱面夾角改變的大小，決定三分光點的距離。

(4)本發明的圓楔形鏡組與三分束棱鏡組的組合調節，即實現了三光點間距與能量的調節。同時，圓楔形鏡組、三分束棱鏡組360°中心軸旋轉，在保證三個分光光斑中心位置不動的同時，確保三個光斑可朝任意方向改變，以滿足激光焊接的各向加工需求。

附圖說明：

為了易于說明，本發明由下述的具體實施及附圖作以詳細描述。

圖1為本發明的光學系統結構示意圖。

圖2為本發明的三分束棱鏡結構示意圖。

圖3為本發明的光斑演化示意圖。

1-光纖激光器自出光點；2-消像差準直鏡組；3-第一片圓楔形鏡；4-第二片圓楔形鏡；5-第一片三分束棱鏡；6-第二片三分束棱鏡；7-消像差聚焦鏡組；8-焦平面。

具體實施方式：

如圖1、圖2和圖3所示，本具體實施方式采用以下技術方案：一種間距與分光能量可調三光點激光焊接光學系統，包括：光纖激光器自出光點1和焦平面8，還包括消像差準直鏡組2、第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4、第一片三分束棱鏡5、第二片三分束棱鏡6和消像差聚焦鏡組7；所述光纖激光器自出光點1、消像差準直鏡組2、第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4、第一片三分束棱鏡5、第二片三分束棱鏡6、消像差聚焦鏡組7和焦平面8自上而下以相互間隔的方式排列在一起且相互同心；所述第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4相互平行，所述第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4的楔形面相互對應；所述第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4之間的間距可調，且所述第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4可圍繞中心軸360°旋轉；所述第一片三分束棱鏡5與第二片三分束棱鏡6的分光面相互對應，所述第一片三分束棱鏡5與第二片三分束棱鏡6可圍繞中心軸360°旋轉；所述消像差準直鏡組2和消像差聚焦鏡組7均可換為消像差非球面鏡，所述消像差準直鏡組2和消像差聚焦鏡組7的鏡片均為圓柱狀且相互同軸。

其中，所述第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4楔形面的楔角相同，且所述第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4的兩側鏡面均為平面；所述第一片三分束棱鏡5和第二片三分束棱鏡6對應中心軸過三條分光棱交點，三條分光棱與中心軸夾角即棱軸夾角相同，三個分光面為平面且等面積等角度分布，兩片三分束棱鏡棱軸夾角相同；所述消像差聚焦鏡組7聚焦三光點在焦平面上，且三光點大小相同，中心連線為等邊三角形，等邊三角形中心不動，三光點間距、分束能量及方向可控。

參閱圖1、圖2和圖3，光纖激光器自出光點1輸出發散光束，發散光束由消像差準直鏡組2準直形成準直光束，準直光束與消像差準直鏡組2中心軸同軸，經過第一片圓楔形鏡3后，折射改變光束傳輸方向，對應光束又通過具有相同楔角的第二片圓楔形鏡4，再次折射改變光束傳輸方向，由于兩圓楔形鏡之間的楔形面平行，故經過第二片圓楔形鏡4的出射光束與入射到第一片圓楔形鏡3的光束方向相同，僅發生了光軸上的位置平移，且平移方向與第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4中心對稱面共面。平移激光束正入射到第一片三分束棱鏡5后，被分為三條先交叉后發散的平行光束，三條光束再經過第二片三分束棱鏡6，由于第一片三分束棱鏡5與第二片三分束棱鏡6棱軸夾角相同，分光面相對，當第一片三分束棱鏡5與第二片三分束棱鏡6共6個中心對稱面的相鄰兩個面夾角為60°時，定義為第一片三分束棱鏡5與第二片三分束棱鏡6的初始態。在初始態下，經過第二片三分光棱鏡折射后的三束分光束再由消像差聚焦鏡組7聚焦后，焦平面8形成一個光斑；在初始狀態基礎上，繞中心軸小角度旋轉第一片三分束棱鏡5或第二片三分束棱鏡6以改變6個對稱面相鄰兩個對稱面夾角，同時在確保經過第一片三分束棱鏡5的三束分光束再通過第二片三分束棱鏡6的分光面時完整落在對應分光面上而不至于二次分光的前提下，焦平面8會出現3個中心連線為等邊三角形、大小相同的聚焦光斑，中心連線間距取決于前面的小角度旋轉角大小，等邊三角形中心不變；換言之，基于初始狀態進行的小角度旋轉，可以實現焦平面8聚焦光斑從單點逐漸演化為3個點的過程，且光斑間距連續可調，這就確保了不同的光纖芯徑下，三光點激光焊接都能進行；另外，當第一片三分束棱鏡5與第二片三分束棱鏡6在上述前提下再整體旋轉時，三光點的方向也會發生變化，確保了三光點的360°各向焊接應用。

在能量分布上，由于第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4的作用，導致第二片圓楔形鏡4上出射的光束光軸相對于入射到第一片圓楔形鏡3的入射光束光軸有第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4中心對稱面上的位置偏移，偏移距離取決于第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4之間的距離，距離越小，光束位置偏移就越小，當第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4間距基本為零時，光束基本無偏移，此時第一片三分束棱鏡5產生的三束分光束能量基本一致，故焦平面8三光點光斑能量基本一致；反之，當第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4間距逐漸變大，則光束位置偏移就越大，體現在第一片三分束棱鏡5各分光面上的能量分布差異越大，產生的三束分光束能量差異也就越大，焦平面8三光點光斑能量差異相應也越大；基于第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4間距可連續變化，同時第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4組合整體繞中心軸一定角度旋轉，即可按需求調整焦平面8上三個光點的能量，比如一個光斑能量低，另兩光斑能量相同且比較高；或者一個光斑能量高，另兩個光斑能量相同且較低。

本發明光路結構的實施步驟為：首先通過第一片三分束棱鏡5或第二片三分束棱鏡6相對中心軸小角度旋轉形成所需要的三分光點，其次將第一片三分束棱鏡5與第二片三分束棱鏡6整體旋轉一定角度來獲得需要加工的方向，然后則是第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4整體旋轉一定角度來確保在焊縫兩邊的光斑能量分布一致，最后才是改變第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4間距來實現三個光斑能量差異化，如果需求是焊縫兩邊光斑能量低而中間光斑能量高，通過上述調節發現只能實現三光斑能量基本一致到焊縫兩邊光斑能量高而中間光斑能量低，那么再將第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4整體旋轉180°即可。

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內，本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。