阅读说明：本技术 一种多功能光开关及其控制方法 (Multifunctional optical switch and control method thereof ) 是由 邵华江 李思佳 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多功能光开关及其控制方法,包括输入光纤,耦合准直镜,离轴抛物镜,输出光纤,本发基于耦合准直镜与离轴抛物镜消像差光学特性,通过沿柱面中心轴旋转及移动离轴抛物镜,可实现中心轴与柱面中心轴同轴,面与离轴抛物镜焦点重合的圆柱面上任意位置输出光纤光束耦合,极大限度利用光开关输出耦合空间资源的同时,降低光学耦合镜片数量及结构设计成本,尤其适用于多种激光加工应用对光纤输出光束要求不同的单台光纤激光器多选项输出场合。(The invention discloses a multifunctional optical switch and a control method thereof, wherein the multifunctional optical switch comprises an input optical fiber, a coupling collimating lens, an off-axis parabolic mirror and an output optical fiber, the multifunctional optical switch is based on the aberration-eliminating optical characteristic of the coupling collimating lens and the off-axis parabolic mirror, can realize the output optical fiber beam coupling of any position on a cylindrical surface, the central axis of which is coaxial with the central axis of a cylindrical surface and the surface of which is coincident with the focus of the off-axis parabolic mirror, greatly utilizes the optical switch to output coupling space resources, simultaneously reduces the number of optical coupling lenses and the structural design cost, and is particularly suitable for multi-option output occasions of a single optical fiber laser with different requirements on the optical fiber output beam in various laser processing applications.)

一种多功能光开关及其控制方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，具体为一种多功能光开关及其控制方法。

背景技术

激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多种激光加工工艺，利用了激光与物质相互作用的基本特性。由于激光束具有与加工材料的非接触性、加工速度快与质量优异等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。

光纤激光器因为电光转换效率高、光纤柔韧性好、耦合效率高、光束质量好等优势，以及大功率激光器的出现，使得市场占有率日益突出，目前光纤耦合输出激光器千瓦级已是相当普及，万瓦级激光器也逐步上映市场，让光纤激光各类加工工艺越加普遍化。

在光纤激光切割中，常规光纤为单芯圆形光纤，常见规格有50um、100um光纤芯径，随着切割工艺的发展以及对板材切割断面质量要求的提升，同轴双芯、同轴三芯光纤激光器也上映市场，可实现实心、环形、多环形等出光光斑，其目的是更好地改善薄、中、厚板材的穿孔及端面质量。

在光纤激光焊接中，常规光纤芯径从50um-1000um不等，针对不同材料不同厚度不同缝宽的激光焊接应用，为更好的获得激光焊接质量，TRUMPF、Coherent等采用了同轴双芯光纤实现内外芯不同能量比以降低焊接飞溅现象；IPG采用了旁轴双芯光纤实现聚焦双焦点以改善高反材料焊接质量等。

在光纤激光熔覆或淬火中，通常会用到较大尺寸平顶光进行加工，除了从激光加工头上采用光学镜片整形实现外，也有光纤制造商采用空心多边形光纤波导对光束进行整形传输，最终以达到加工应用要求。

对客户而言，通常希望甚至要求激光器能兼容不同的激光加工应用。而目前光纤激光器通常为单光纤输出，显然不满足客户需求，即便是双光纤以上选择性输出的，其规格也比较单一，且光开关采用光学镜片较多、体积较大、设计复杂、价格相当昂贵，因此同一台光纤激光器能有多种不同规格的光纤输出以满足要求的同时，节约成本及占用空间是激光器供应商研究攻克的一大方向。

基于上述各点，本发明提出一种多功能光开关系统，基于耦合准直镜与离轴抛物镜消像差光学特性，通过沿柱面中心轴旋转及移动离轴抛物镜，可实现中心轴与柱面中心轴同轴、面与离轴抛物镜焦点重合的圆柱面上任意位置输出光纤光束耦合，极大限度利用光开关输出耦合空间资源的同时，降低光学耦合镜片数量及结构设计成本，尤其适用于多种激光加工应用对光纤输出光束要求不同的单台光纤激光器多选项输出场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能光开关及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多功能光开关,包括输入光纤，耦合准直镜，离轴抛物镜，输出光纤(1-1，1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m)，所述多功能光开关系统上设有耦合准直镜，所述耦合准直镜的一端设有输入光纤，耦合准直镜的另一端设有离轴抛物镜，所述耦合准直镜的外侧设有输出光纤(1-1，1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m)。

优选的，所述耦合准直镜为消像差非球面镜，面型包含双凸型，平凸型。

优选的，所述离轴抛物镜为圆柱状斜面金属反射镜，光束偏转角为90°，常见材料有铜、铝合金，设有冷却水通道。

优选的，所述输入光纤为单芯圆形常规光纤，输出光纤(1-1，1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m)包含单芯，同轴多芯，旁轴多芯光纤，单根纤芯截面形状涵盖圆形，椭圆形，正多边形以及规则空心形，

所述输入光纤的光纤接口中心轴、耦合准直镜(2)光轴、离轴抛物镜(3)圆柱中心轴重合；

所述输入光纤等效出光点与耦合准直镜(2)前焦点重合；

所述输出光纤(1-1，1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m)等效入光点与离轴抛物镜(3)的聚焦焦点以柱面中心轴旋转及移动形成的圆柱面重合，且输出光纤(1-1，1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m)的光纤接口中心轴与该圆柱面垂直。

优选的，所述离轴抛物镜(3)可分别沿圆柱中心轴移动和绕圆柱中心轴旋转，旋转角度0°-300°。

优选的，所述输出光纤(1-1、1-2……1-m、2-1、2-2……2-m、……、n-1、n-2……n-m)的数量m、n满足m≥1，n≥1。

优选的，一种多功能光开关系统，其控制方法包括以下步骤：

A、输入光纤1输出发散激光束入射到耦合准直镜2上，获得平行准直光束，准直光束再由离轴抛物镜3聚焦形成聚焦光束；

B、当离轴抛物镜3沿着圆柱中心轴移动并绕圆柱中心轴旋转到聚焦中心线与输出光纤1-1、1-2……1-m，2-1、2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m中某一根光纤的光纤接口中心轴重合时，由离轴抛物镜3聚焦形成的聚焦光束便可耦合进对应的光纤中；

C、当客户需要将光束切换到另一光纤进行输出以满足对应的加工应用时，同样沿着圆柱中心轴移动并绕圆柱中心轴旋转离轴抛物镜3，使得离轴抛物镜3聚焦中心线与输出光纤1-1、1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m中另一根光纤的光纤接口中心轴重合，以完成耦合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明结构设计新颖，基于耦合准直镜与离轴抛物镜消像差光学特性，通过沿柱面中心轴旋转及移动离轴抛物镜，可实现中心轴与柱面中心轴同轴、面与离轴抛物镜焦点重合的圆柱面上任意位置输出光纤光束耦合，极大限度利用光开关输出耦合空间资源的同时，降低光学耦合镜片数量及结构设计成本，尤其适用于多种激光加工应用对光纤输出光束要求不同的单台光纤激光器多选项输出场合；

(2)本发明提出的光开关系统，离轴抛物镜可分别沿圆柱中心轴移动和绕圆柱中心轴旋转，为每一根输出光纤接口调节方式节省2个维度，大幅降低机械设计难度；在耦合进同轴多芯、旁轴多芯光纤中，还可以起到对能量分布及功率分配的调节，无需额外增加调节模块，一定程度上节约成本；(3)本发明提出的光开关系统，镜片数量少，能量损失小，离轴抛物镜自带水冷通道，有助于提高光开关使用稳定性，并且一定程度上抑制热透镜效应的产生。

附图说明

图1为本发明多功能光开关系统结构示意图。

图中：1、输入光纤；2、耦合准直镜；3、离轴抛物镜；4、输出光纤(1-1，1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1,本发明提供一种技术方案：一种多功能光开关,包括输入光纤1，耦合准直镜2，离轴抛物镜3，输出光纤4(1-1，1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m)，其特征在于：所述多功能光开关系统上设有耦合准直镜，所述耦合准直镜的一端设有输入光纤，耦合准直镜的另一端设有离轴抛物镜，所述耦合准直镜的外侧设有输出光纤(1-1，1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m)。

耦合准直镜为消像差非球面镜，面型包含双凸型，平凸型。

离轴抛物镜为圆柱状斜面金属反射镜，光束偏转角为90°，常见材料有铜、铝合金，设有冷却水通道。

输入光纤1为单芯圆形常规光纤，输出光纤(1-1，1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m)包含单芯，同轴多芯，旁轴多芯光纤，单根纤芯截面形状涵盖圆形，椭圆形，正多边形以及规则空心形，

输入光纤1的光纤接口中心轴、耦合准直镜2光轴、离轴抛物镜3圆柱中心轴重合；

输入光纤1等效出光点与耦合准直镜2前焦点重合；

输出光纤(1-1，1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m)等效入光点与离轴抛物镜(3)的聚焦焦点以柱面中心轴旋转及移动形成的圆柱面重合，且输出光纤(1-1，1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m)的光纤接口中心轴与该圆柱面垂直。

离轴抛物镜3可分别沿圆柱中心轴移动和绕圆柱中心轴旋转，旋转角度0°-300°。

输出光纤(1-1、1-2……1-m、2-1、2-2……2-m、……、n-1、n-2……n-m)的数量m、n满足m≥1，n≥1。

工作原理：输入光纤1输出发散激光束入射到耦合准直镜2上，获得平行准直光束，准直光束再由离轴抛物镜3聚焦形成聚焦光束。

当离轴抛物镜3沿着圆柱中心轴移动并绕圆柱中心轴旋转到聚焦中心线与输出光纤1-1、1-2……1-m、2-1、2-2……2-m、……、n-1、n-2……n-m中某一根光纤的光纤接口中心轴重合时，由离轴抛物镜3聚焦形成的聚焦光束便可耦合进对应的光纤中。

当客户需要将光束切换到另一光纤进行输出以满足对应的加工应用时，同样沿着圆柱中心轴移动并绕圆柱中心轴旋转离轴抛物镜3，使得离轴抛物镜3聚焦中心线与输出光纤1-1、1-2……1-m、2-1、2-2……2-m、……、n-1、n-2……n-m中另一根光纤的光纤接口中心轴重合，以完成耦合。

本发明结构设计新颖，基于耦合准直镜与离轴抛物镜消像差光学特性，通过沿柱面中心轴旋转及移动离轴抛物镜，可实现中心轴与柱面中心轴同轴、面与离轴抛物镜焦点重合的圆柱面上任意位置输出光纤光束耦合，极大限度利用光开关输出耦合空间资源的同时，降低光学耦合镜片数量及结构设计成本，尤其适用于多种激光加工应用对光纤输出光束要求不同的单台光纤激光器多选项输出场合。

一种多功能光开关，其控制方法包括以下步骤：

A、输入光纤1输出发散激光束入射到耦合准直镜2上，获得平行准直光束，准直光束再由离轴抛物镜3聚焦形成聚焦光束；

B、当离轴抛物镜3沿着圆柱中心轴移动并绕圆柱中心轴旋转到聚焦中心线与输出光纤1-1、1-2……1-m，2-1、2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m中某一根光纤的光纤接口中心轴重合时，由离轴抛物镜3聚焦形成的聚焦光束便可耦合进对应的光纤中；

C、当客户需要将光束切换到另一光纤进行输出以满足对应的加工应用时，同样沿着圆柱中心轴移动并绕圆柱中心轴旋转离轴抛物镜3，使得离轴抛物镜3聚焦中心线与输出光纤1-1、1-2……1-m，2-1，2-2……2-m，……，n-1，n-2……n-m中另一根光纤的光纤接口中心轴重合，以完成耦合。

本发明的有益效果是：

(1)本发明结构设计新颖，基于耦合准直镜与离轴抛物镜消像差光学特性，通过沿柱面中心轴旋转及移动离轴抛物镜，可实现中心轴与柱面中心轴同轴、面与离轴抛物镜焦点重合的圆柱面上任意位置输出光纤光束耦合，极大限度利用光开关输出耦合空间资源的同时，降低光学耦合镜片数量及结构设计成本，尤其适用于多种激光加工应用对光纤输出光束要求不同的单台光纤激光器多选项输出场合；

(2)本发明提出的光开关系统，离轴抛物镜可分别沿圆柱中心轴移动和绕圆柱中心轴旋转，为每一根输出光纤接口调节方式节省2个维度，大幅降低机械设计难度；在耦合进同轴多芯、旁轴多芯光纤中，还可以起到对能量分布及功率分配的调节，无需额外增加调节模块，一定程度上节约成本；

(3)本发明提出的光开关系统，镜片数量少，能量损失小，离轴抛物镜自带水冷通道，有助于提高光开关使用稳定性，并且一定程度上抑制热透镜效应的产生。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。