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CN112605525A - 一种激光输出光缆 - Google Patents

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CN112605525A
CN112605525A CN202011287324.XA CN202011287324A CN112605525A CN 112605525 A CN112605525 A CN 112605525A CN 202011287324 A CN202011287324 A CN 202011287324A CN 112605525 A CN112605525 A CN 112605525A
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CN
China
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laser output
laser
light
diaphragm
cutting head
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Application number
CN202011287324.XA
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李榕
赵文利
沈翔
雷星
施建宏
黄中亚
宋梁
鲁晓聪
李成
闫大鹏
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Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies Co Ltd
Original Assignee
Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies Co Ltd
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Abstract

本发明实施例提供的激光输出光缆，主要包括：在光路上依次连接的传能光纤，连接激光输出头和激光切割头的激光切割头连接器；所述激光输出头包含有端帽；所述激光切割头连接器中至少设置有一个空间光阑；所述空间光阑的通光孔径是基于虚拟出光点与所述空间光阑之间的距离以及激光器输出光束通过所述端帽后的发散角确定的；所述虚拟出光点是基于所述端帽确定的。本发明实施例提供的激光输出光缆，通过在位于切割头准直单元和激光输出头之间的激光切割头连接器中增设空间光阑，用于滤除大于通光孔径的部分光束，特别是光斑的拖尾部分，使得喷嘴受到的附带热效应大幅度下降，有效的改善了切割效果，保障了激光设备的安全运行。

Description

一种激光输出光缆
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种激光输出光缆。
背景技术
激光加工在工业制造领域已展现独特的优势，而近几年光纤激光器因其较好的光束质量，柔性介质输出，高稳定性以及较低的加工成本，使其在激光加工市场异军突起。随着光纤激光器市场的扩大，光纤激光器的最高输出功率也在迅速提高。
随着功率的提升，尤其是突破万瓦达到数万瓦输出激光后，光纤激光器在切割领域的一些不足之处开始展现，例如：多模激光器切割厚板时，在被切割板材的几个切割面条纹深度不一致；在使用大离焦的时候，切割头喷嘴剧烈发热变形，甚至烧毁等。
有鉴于此，亟需设计一种轻量化及更安全可靠的激光输出光缆，以有效的滤除输出光缆输出的激光中的拖尾激光或者杂散光，以实现高质量、高安全的切割。
发明内容
本发明实施例提供一种激光输出光缆，通过在光路中增设空间光阑，对输出激光中的杂散光进行滤除，在有效的提高了输出激光的质量的同时，降低了输出头的温度。
具体地，本发明实施例提供一种激光输出光缆，传能光纤，连接激光输出头和激光切割头的激光切割头连接器；所述激光输出头包含有端帽；所述激光切割头连接器中至少设置有一个空间光阑；所述空间光阑的通光孔径是基于虚拟出光点与所述空间光阑之间的距离以及激光器输出光束通过所述端帽后的发散角确定的；所述虚拟出光点是基于所述端帽确定的。
可选地，所述空间光阑中设置有贯穿的第一渐扩孔；所述激光器输出光束沿第一渐扩孔的径向线射入至所述第一渐扩孔的大径端，并由所述第一渐扩孔的小径端射出。
可选地，本发明实施例提供的激光输出光缆，所述第一渐扩孔的小径端的通光孔径的计算公式为：
D＝2×tanθ×L；
其中，D为所述第一渐扩孔的小径端的通光孔径；θ为激光器输出光束通过所述端帽后的发散角；L为所述虚拟出光点距离所述空间光阑的距离；所述第一渐扩孔的大径端的通光孔径小于所述切割头连接器的通光孔径。
可选地，在所述空间光阑的内壁中部设置有至少一圈环形吸光槽；所述环形吸光槽向所述光路方向倾斜预设角度。
可选地，在所述环形吸光槽两侧的锥面上和/或所述空间光阑的内壁上，设置有内凹结构或消光螺纹，并敷设有吸光材料。
可选地，所述空间光阑还包括在所述光路上设置的第二渐扩孔；所述第二渐扩孔的小径端与所述第一渐扩孔的小径端重合；所述第二渐扩孔的内壁设置有内凹结构或消光螺纹，并敷设有吸光材料。
可选地，所述准直单元的入射光焦点与所述虚拟出光点重合；所述空间光阑与所述切割头连接器是一体成型结构。
可选地，在所述空间光阑的外壁设置有多水道翅片的散热结构。
可选地，本发明实施例提供的激光输出光缆，还包括连接筒，所述连接筒的为中空结构；所述空间光阑与所述连接筒通过紧定螺钉连接构成空间光阑单元；在所述连接筒表面设置有进出水口，并在所述进出水口设置有水冷接头；所述空间光阑单元与所述激光输出头可拆卸连接。
可选地，本发明实施例提供的激光输出光缆，还包括设置于所述切割头连接器的锁紧螺母；所述锁紧螺母内部设置有内螺纹，用于与所述激光输出头的外螺纹匹配连接；在所述激光输出头靠近所述切割头连接器的一端设置有卡销，在所述切割头连接器的主控件上设置有与所述卡销对应的插销孔。
本发明实施例提供的激光输出光缆，通过在位于切割头准直单元和激光输出头之间的激光切割头连接器中增设空间光阑，用于滤除大于通光孔径的部分光束，特别是光斑的拖尾部分，使得喷嘴受到的附带热效应大幅度下降，有效的改善了切割效果，保障了激光设备的安全运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图逐一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例内容。
图1是本发明实施例提供的各种光束的能量分布及有效光斑的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种激光输出光缆的工作原理示意图；
图3是本发明实施例提供的一种空间光阑内部结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种空间光阑的工作原理示意图；
图5是本发明实施例提供的一种激光器输出光束斑的不同能量百分比对应的发散角示意图；
图6是本发明实施例提供的一种集成空间光阑连接器的内部结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种空间光阑的水道结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种空间光阑单元的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的一种在连接器中集成了空间光阑的输出光缆的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的一种万瓦级高功率输出光缆的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的一种简化后的集成有空间光阑的输出光缆的结构示意图；
图12是本发明实施例提供的一种连接方式简化后的万瓦级高功率输出光缆的结构示意图；
图13是本发明实施例提供的一种切割头主体件的结构示意图；
图14是本发明实施例提供的一种锁紧螺母的结构示意图；
其中，201-激光切割头；202-切割头连接器；203-激光输出头；204-空间光阑；205-喷嘴；206-被加工板材；401-端帽；402-传能光纤；403-虚拟出光点；204-空间光阑；405-激光器输出原始光斑能量分布；406-经过空间光阑后的光斑能量分布；511-万瓦级高功率输出头；512-具有空间光阑功能的新型输出光缆；519-第一渐扩孔；516-卡销；517-激光输出头的外螺纹；520-环形吸光槽；521-空间光阑的小径端；522-第二渐扩孔；523-连接筒的外螺纹；524、525-密封件；527-空间光阑的水道结构；528-连接筒；529-空间光阑单元；530-水冷接头；531-锁紧螺母；533-激光切割头主体件；534-槽口；535-锁紧螺母的内螺纹；536-插销孔；537-连接器；538-集成空间光阑的连接器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
目前对于光纤激光器来说，板材切割是其重要应用市场，同时对万瓦激光需求最大。在实际应用中，尤其是高功率激光切割应用中，被切割的材质具有一定的损伤阈值，这就意味着只有能量密度达到一定强度才能实现较好的切割。
图1是本发明实施例提供的各种光束的能量分布及有效光斑的示意图，对于不同模式的光束，其能量密度与光斑直径之间的关系是不同的。例如：定义总能量的86.5％直径为a，总能量为100％的光斑直径为A，如图1中的(a)部分所示，对于高斯光束的光斑来说A≈2a，这表明其中心到边缘的能量强度是逐渐变化，但变化较为平缓；如图1中的(b)部分所示，平顶光束的光斑来说A≈a，这表明其中心到边缘的能量强度是突然下落、变化幅度大；如图1中的(c)部分所示，对于类高斯光束来说，其光斑强度变化趋势介于高斯光束和平顶光束之间，且不同的类高斯光束其A与a之间的比例不同，但均满足以下关系：a＜A＜2a。
故对于高斯光束来说，其中心区域能量密度较高，但由于中心到边缘的强度是逐渐变化的，能量具有一个较大的拖尾，而这部分能量不仅对切割作用不大，同时会导致额外的热效应，如图1中的(a)部分所示，黑色区域为有效区域，白色区域为拖尾区域，这就导致在高功率激光切割厚板时，切缝较窄，切割残渣不易被辅助气体吹走，同时切割面边缘产生较强的热效应。
而对于平顶光束来说，其中心区域能量到边缘的强度变化非常剧烈，光斑拖尾基本没有，光斑的有效区域较大，这就使得平顶光束比较适合厚板切割。但是相同总功率下，平顶光束中心区域的能量密度仅为高斯光斑的一半，即意味着，平顶光束的切割速度较慢。同时，平顶光束只在焦点处光斑能量分布为平顶分布，在远焦处仍为类高斯分布。
综上所述，对于厚板切割，作用在板材表面的光斑能量分布一般为类高斯光斑，其相对于平顶光束具有一个较高的中心能量分布，相对于高斯光束具有一个较小的拖尾。
进一步地，在切割头的底部有一个喷嘴，用于输出与激光光束同轴的切割辅助气体。由于辅助气体需要具有一个较大的流速，这就要求喷嘴的出气口径较小，一般是略大于该平面处的光束光斑直径。
由于类高斯光束的上述特性，其在对被加工板材进行切割时，仍然具有一个较小的拖尾，由于不同的激光器的能量分布不同，其类高斯光束的形貌也各不相同，拖尾也就不同。一般来说，在采用大离焦切割板材的时候，一旦某台激光器的100％能量光斑直径等于或大于喷嘴尺寸，就会导致喷嘴发热，影响切割效果；而采用较小离焦量，又因为切缝较窄，导致辅助气流作用有限，无法完成较高质量的切割，从而限制了该激光器的应用范围。
根据现有的激光切光过程中所存在的上述缺陷，本发明实施例提供了一种激光输出光缆。图2是本发明实施例提供的一种激光输出光缆的工作原理示意图，如图2所示，所述激光输出电缆主要包括：在光路上依次连接的传能光纤402，连接激光输出头203和激光切割头201的激光切割头连接器202；所述激光输出头203包含有端帽401；所述激光切割头201包含有准直单元。并且，在所述激光切割头连接器202中设置有至少一个空间光阑204；所述空间光阑204的通光孔径是基于虚拟出光点与所述空间光阑204之间的距离以及激光器输出光束通过所述端帽401后的发散角确定的；所述虚拟出光点是基于所述端帽401确定的。
本发明实施例提供的激光输出光缆，相较于传统的输出光缆结构，通过在激光输出头与所述准直单元之间的激光切割头连接器202中增设一个空间光阑204，由传能光纤204传输的激光器输出光束，由实际出光点经过激光输出头203中的端帽401折射后进行发散，生成能量光斑。在传统的激光输出光缆中，能量光斑将直接进入至切割头内的准直单元进行准直后再聚焦，直接对被加工板材206进行切割。
但按照上述实施例中所述的内容，一方面，由于端帽401折射后生成的能量光斑中存在较多的拖尾激光或者杂散激光，而这些拖尾激光或者杂散激光在进入至激光切割头201后会造成其发热，甚至直接烧毁所述激光切割头201。另一方面，由于激光器的能量光斑直径若等于或大于喷嘴205尺寸，就会导致喷嘴205发热，影响切割效果；而较小离焦量，切缝较窄，辅助气流作用有限，无法完成较高质量的切割。
由于上述技术需求的存在，本申请实施例通过在激光输出头203与激光切割头201之间的切割头连接器202中设置至少一个空间光阑204，并通过设置适当的通光孔径，不但可以有效的滤除能量光斑中存在的拖尾激光或者杂散激光，而且可以通过对所述空间光阑204的通光孔径的设置与调整，能够在一定程度上控制能量光斑的大小。
作为可选地，如果某台激光器，需求是滤掉所发射的激光器输出光束中98％-100％部分的光斑能量，则可以根据该光束中对应的光斑其98％总能量对应的发散角为θ、空间光阑204距虚拟出光点的距离L，确定出空间光阑204的通光孔径D。通过增设所述空间光阑204，则大于该通光孔径的光束部分被光阑挡住，无法传输到喷嘴处使得喷嘴发热；同时由于滤除了光斑的拖尾部分，使得材料受到的附带热效应大幅度下降。
进一步地，上述发散角θ是指该激光光束通过端帽401后的发散角，而虚拟出光点一般是由端帽401在光路上的长度以及其材质的有效折射率决定的。
需要说明的是，在本发明实施例中的各个实施例中均是以在激光输出头203与激光切割头201的准直单元之间的光路上设置一个空间光阑204为例进行说明，其不视为对本发明实施例的具体限定。
作为可选地，也可以设置多个不同通光孔径的空间光阑，所述不同通光孔径的空间光阑204，按照通过孔径的由大至小依次排布在激光输出头203与激光切割头201的准直单元之间的光路上。其中，最小通光孔径的空间光阑204，以上述实施例中所述的仅装设单个的空间光阑204的通光孔径相同。本发明实施例通过设置多个不同通光孔径的空间光阑，对激光光束中光斑的拖尾光、杂散光等进行分级滤除，克服对单个空间光阑的吸收及散热要求过于苛刻而导致难以实现的缺陷。
本发明实施例提供的激光输出光缆，通过在于切割头准直单元和激光输出头之间的切割头连接器中增设空间光阑，以滤除大于通光孔径的部分光束，特别是光斑的拖尾部分，使得喷嘴受到的附带热效应大幅度下降，有效的改善了切割效果，保障了激光设备的安全运行。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述空间光阑204中设置有贯穿的第一渐扩孔；所述激光器输出光束沿所述第一渐扩孔的径向线射入至所述第一渐扩孔的大径端，并由所述第一渐扩孔的小径端射出。
图3是本发明实施例提供的一种空间光阑内部结构示意图，如图3所示，本发明实施例所提供的激光输出光缆，为了避免空间光阑204对于拖尾光的单点吸收，从而造成光阑局部过热被破坏，在空间光阑的设计上采用了分级吸收结构。
如图3所示，通过将整个空间光阑设置为锥台型结构，在所述锥台型结构的内部设置有贯穿的第一渐扩孔。在激光器输出光束由第一渐扩孔的大径端射入的情况下，则第一渐扩孔的锥形孔壁逐渐收缩，逐步对所述激光器输出光束中远离光束焦点的拖尾光进行分级吸收。
作为可选地，可以在控件光阑的设计中引入水路或者气路，以利用冷却水或者冷却气体对所述控件光阑进行降温。
本发明实施例提供的激光输出光缆，通过设置一种立体式的空间光阑，以在所述空间光阑中设计贯穿的锥形渐扩孔，实现对圆环型的拖尾光的逐层吸收，有效的分散了由于对激光吸收所产生的热量，避免了空间光阑局部过热被破坏的情况发生，且有效的提高了对于拖尾光以及杂散光的吸收效率，改善了切割效果，保障了激光设备的安全运行。
基于上述实施例的内容，如图2所示，本发明实施例提供的激光输出光缆，还可以包括：切割头连接器202，所述空间光阑204固设于所述切割头连接器内；所述切割头连接器202设置于所述激光输出头203和所述激光切割头201之间，用于固接所述激光输出头202和所述激光切割头201。
其中，所述第一渐扩孔的小径端的通光孔径为：
D＝2×tanθ×L；
其中，D为所述第一渐扩孔的小径端的通光孔径；θ为激光器输出光束通过所述端帽后的发散角；L为所述虚拟出光点距离所述空间光阑的距离；所述第一渐扩孔的大径端的通光孔径小于所述切割头连接器的通光孔径。
由于不同厂家及不同激光器型号的输出光的发散角不一样，可以针对不同型号的激光器，在激光输出头203的端部配置带有光阑装置的切割头连接器202，在实现与激光输出头203配套或集成使用的同时，还可以实现空间光阑204的安装固定。相应地，在所述激光切割头201和同时设置于所述切割头连接器202进行配套连接的机械结构，本发明实施例不对采用何种连接方式实现激光输出头203、切割头连接器202与所述激光切割头201三者之间的连接做具体的限定，例如可以采用螺纹连接、卡扣连接等。
进一步地，在实现了激光输出光缆各装置的固定连接的同时，设计上要保证连接后，激光输出头203的虚拟出光点与激光切割头内的准直单元匹配，即需要保证准直单元的入射光焦点与所述虚拟出光点403重合。
图4是本发明实施例提供的一种空间光阑的工作原理示意图，在图4中示出了激光器输出原始光斑能量分布405和经过空间光阑后的光斑能量分布406。所使用的万瓦级别的激光器激光传输光缆，采用端帽401结合传能光纤402的形式，其出光点为传能光纤402的端面，但是由于端帽401为二氧化硅材料组成，其折射率大于空气，当输出光束从端帽401进入空气时，会受到折射作用，最终形成一个虚拟出光点403。
空间光阑204的通光孔径与激光器输出光的发散角以及虚拟出光点的距离两者都相关。其通光直径的计算公式可以是：
D＝2×tanθ×L；
其中，D为所述第一渐扩孔的小径端的通光孔径；θ为激光器输出光束通过所述端帽后的发散角；L为所述虚拟出光点距离所述空间光阑的距离。例如，针对某台激光器，需要滤掉98％-100％部分的光斑能量，设当这台激光器的输出光束对应的光斑其98％总能量对应的发散角为θ，此时根据整体结构需求，确定空间光阑204距虚拟出光点的距离为L(其中，虚拟出光点距离端帽镀膜面的长度L1＝端帽的长度/端帽材质的有效折射率，光阑距离端帽镀膜面的距离为L2，L＝L1+L2)，则大于通光孔径的光束部分被光阑挡住，无法传输到喷嘴205处使得喷嘴发热，同时由于滤除了光斑的拖尾部分，使得材料受到的附带热效应大幅度下降。
本发明实施例还提供了一种发散角θ的确定方法，对于同一输出光束对应的光斑，根据需要滤除的光斑能量的不同，其对应的发散角θ会存在较大的差异。
图5是本发明实施例提供的一种激光器输出光斑的不同能量百分比对应的发散角示意图，如图5所示，该激光器是总功率为12000W的激光器，其100％能量发散角θ1为0.12rad，99％能量发散角θ2为0.117rad，98％能量发散角θ3为0.112rad。如根据需求，需要使用空间光阑滤除98％-100％部分的光斑能量，即可以确定出θ＝θ3＝0.112rad。
由于不同型号的激光器其发散角θ不一样，且激光切割头201在位准直单元与激光输出头203之间是有光阑单元204的，但是同一款切割头的光阑单元204并不能较好的匹配各个厂家不同型号的激光器，因此有必要针对性的设计光阑装置假设。设空间光阑204的第一渐扩孔的小径端距虚拟出光点403的轴向距离是L＝34mm，此时根据第一渐扩孔的小径端的通光孔径计算公式，结合上述能量发散角θ的取值，则可以计算出小径端的通光孔径为D＝7.65mm。
进一步地，在使用激光器进行材料加工时，在材料表面会产生一些反射，其中碳钢，不锈钢反射率较低，铝、铜等材质的反射率较高。根据光路的可逆性，回返光会返回到激光输出头203部分，但是受材料表面平整度影响，回返光的发散角绝大部分会大于正向激光。对于激光切割头201上连接激光输出头203的切割头连接器202的接口，其通光孔径本身相当于一个光阑，但这个光阑具有一个较大的孔径，可以用来阻挡和吸收被加工材料反射的部分回返光，其对于正向光不起阻隔作用。在切割头连接器202中引入本申请实施例中所提供的空间光阑204后，该空间光阑204的通光孔径应小于切割头连接器202的接口内的通光孔径，则本发明实施例提供的空间光阑204既能阻挡部分正向激光，也可以有效的阻挡部分回返光。即可以根据切割头连接器202的接口的通光孔径确定出大径端的通光孔径。
在确定出空间光阑204的大径端的通光孔径以及小径端的通光孔径后，即可以实现整个空间光阑204的设计。作为可选，可以适当的增加空间光阑204的在光路方向的长度(以小于所述切割头连接器202的总长度，并不影响切割头连接器202的连接功能为准)，以有效的分散了由于对激光吸收所产生的热量。
本发明实施例提供了一种空间光阑的设计、安装方法，所提供的空间光阑能够有效的滤除大于通光孔径的部分光束，特别是光斑的拖尾部分，使得喷嘴受到的附带热效应大幅度下降，有效的改善了切割效果，保障了激光设备的安全运行。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在所述空间光阑的内壁中部设置有至少一圈环形吸光槽；所述环形吸光槽向所述光路方向倾斜预设角度。
图6是本发明实施例提供的一种集成空间光阑连接器的内部结构示意图，如图6所示，401为输出光缆的端帽，520是空间光阑的环形吸光槽，环形吸光槽520两侧锥面的螺纹在同一平面，表面加工有细牙消光螺纹，细牙消光螺纹经过喷砂毛化处理。
空间光阑的小径端521是空间光阑的最小口径，是根据本公式D＝2×tanθ×L计算出来的，大于发散角θ的光斑部分的能量，绝大部分被消光螺纹519及环形槽腔520吸收。
进一步地，可以根据需要挡光的最小发散角和最大发散角，可以计算出被挡光束的环形区间。为了尽可能避免被挡住的正向光打在挡光环形区间后回返至激光输出头203内，本发明所述将整个环形区间内的第一渐扩孔519的内壁设计为锥面，且锥口方向为出光方向。
进一步地，本发明实施例通过在空间光阑519的第一渐扩孔519的锥面内壁的中部，设计一段带有角度的环形吸光槽520。所述环形吸光槽520表面经过了毛化、发黑等吸光处理，且在设计的过程中，适当的将环形吸光槽520，向所述光路方向倾斜预设角度，能有效的保证被挡住的正向光一旦进入环形吸光槽520内，会在槽内多次散射而被吸收。其中，最小发散角对应的小径端可以被设计为R型，以较少尖端发热风险。
作为可选地，所述环形吸光槽可以仅仅设置一圈，也可以根据实际需要设置相互间隔的多圈，以提高对于被挡住的正向光的吸收效率。
本发明实施例提供的激光输出光缆，通过在空间光阑的第一渐扩孔的内壁上开设向光路方向倾斜的环形吸光槽，有效的提高了被挡住的正向光的吸收效率。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在所述环形吸光槽两侧的锥面上和/或所述空间光阑的内壁上，设置有内凹结构或消光螺纹，并敷设有吸光材料。
具体地，本发明实施例可以在空间光阑204的第一渐扩孔的内壁上设计内凹结构以及设置消光螺纹并涂覆吸光材料，如涂覆黑色耐温材料，来实现对于被挡正向光的充分吸收。
进一步地，在本发明实施例中还需要在环形吸光槽520两侧的锥面设计消光细牙螺纹，并对消光螺纹进行喷砂毛化或发黑处理后，能有效的吸收绝大部分被挡住的激光，而仅有少量没有被吸收的正向激光成为发散光，分散到激光切割头201的腔内，有效的实现了激光切割头201的温度控制。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述空间光阑204还包括在所述光路上设置的第二渐扩孔522；所述第二渐扩孔522的小径端与所述第一渐扩孔的小径端重合(统称为空间光阑的小径端521)；所述第二渐扩孔522的内壁设置有内凹结构或消光螺纹，并敷设有吸光材料。
如图6所示，在本发明实施例提供的空间光阑204单元除了可以增设对于正向激光进行吸收的环形吸光槽520，在第一渐扩孔519的另一侧也设置有反向锥面，以形成第二渐扩孔522，以实现对于回返光的有效吸收，同时也可以有效的降低对空间光阑204水冷能力的要求。
进一步地，可以对所述第二渐扩孔522进行毛化处理，以提高回返光的吸收效率。需要说明的是，由于回返光的能量密度相较正向光的能量较低，对回返光的消光要求没有正向光要求高，故本发明实施例中构成第二渐扩孔522的反向锥面，能一定程度上实现对绝大部分回返光的吸收，而未被吸收的散射光可以散到激光切割头201的腔内，也不会对其温升带来太多的影响。
作为可选地，为了有效的提升第二渐扩孔522对于回返光的吸收效率，可以在第二渐扩孔的内壁同样设置内凹结构或消光螺纹，并敷设有吸光材料。
本发明实施例提供的激光输出光缆，通过将空间光阑设置为由第一渐扩孔、圈环形吸光槽和第二渐扩孔等多层级结构，能有效的实现对于正向的拖尾光、正向散射光以及回返光的全方位、多层级的吸收，使得喷嘴受到的附带热效应大幅度下降，有效的改善了切割效果，保障了激光设备的安全运行。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述准直单元的入射光焦点与所述虚拟出光点重合；所述空间光阑与所述切割头连接器是一体成型结构。
如图3所示，是本发明实施例提供的一种空间光阑内部结构示意图，将空间光阑204与切割头连接器202一体成型，其中空间光阑204的通光孔即为所述切割头连接器202的通光孔。
由于不同厂家及不同激光器型号的输出光的发散角不一样，可以针对不同型号的激光器，在激光输出头端部配置带有空间光阑204的切割头连接器202，可以与激光输出头配套或集成使用。带有空间光阑的切割头连接器202能与主流切割头或焊接头匹配连接。
在具体的设计上，需要保证连接后，输出头的虚拟出光点与切割头内的准直单元匹配。
由于不同型号的激光器其发散角不一样，且激光切割头在位于连接器接口与准直单元之间是有光阑单元的，但是同一款切割头的空间光阑并不能较好的匹配各个厂家不同型号的激光器，因此有必要针对性的设计相应的空间光阑并与激光输出头集成，可以有效滤除给切割效果带来负面影响的拖尾能量。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在所述空间光阑的外壁设置有多水道翅片的散热结构。
图7是本发明实施例提供的一种空间光阑的水道结构示意图，图8是本发明实施例提供的一种空间光阑单元的结构示意图，如图7和图8所示，空间光阑204的外壁上设置有水道结构527。其上设置有用于水道的进出水的水冷接头530，在水道回流通道中带有翅片，以增加散热面积。需要说明的是，图8中所示的翅片的尺寸和数量不视为对本发明实施例保护范围的具体限定。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述激光输出光缆，还可以包括连接筒528，所述连接筒528的为中空结构；所述空间光阑204与所述连接筒528通过紧定螺钉连接构成空间光阑单元529；在所述连接筒528表面设置有进出水口，并在所述进出水口设置有水冷接头530；所述空间光阑单元529与所述激光输出头203可拆卸连接。
可选地，图7中所示的空间光阑204的水道结构527是通过密封件524、525与连接筒528之间形成机械密封。连接筒528端部设置有外螺纹523，用于与激光切割头201连接；空间光阑204与连接筒528之间通过定位销进行径向限位，与切割头连接器202的连接器537之间也通过定位销进行径向限位。
可选地，如图8所示，空间光阑单元529中的空间光阑204与连接筒528是通过紧定螺钉进行连接的，连接筒528表面设置有进出水口，并设置有水冷接头530。
整个空间光阑单元529是一个独立的组件，为了让客户使用更加方便，可以将空间光阑单元529与输出头连接器202集成，这样就解决了空间光阑单元529与激光输出头203之间连接的问题。
图9是本发明实施例提供的一种在连接器中集成了空间光阑的输出光缆的结构示意图，图10是本发明实施例提供的一种万瓦级高功率输出光缆的结构示意图。如图9所示的万瓦级高功率输出头511所匹配的一款常规连接器537与光阑单元529连接后，形成了集成空间光阑的连接器538，而所述集成空间光阑的连接器538与万瓦级高功率输出头511连接后，形成了具有空间光阑功能的新型输出光缆512，使常规万瓦级高功率输出头具备了滤除空间光的功能，实现了高质量切割光斑的控制。
进一步地，在如图10所示的万瓦级高功率输出头511中，是采用了常规连接器，其优势是装拆输出头快捷方便，
基于上述实施例的内容，为了克服如图10所示的万瓦级高功率输出头511成本较高的不足，作为一种可选实施例，本发明实施例提供了一种新的激光输出光缆，以降低集成空间光阑的新型输出光缆的成本，且结构上采用了更精简的结构，具体还包括设置于所述切割头连接器的锁紧螺母；所述锁紧螺母内部设置有内螺纹，用于与所述激光输出头的外螺纹匹配连接；在所述激光输出头靠近所述切割头连接器的一端设置有卡销；在所述切割头连接器的主控件上设置有与所述卡销对应的插销孔。
图11是本发明实施例提供的一种简化后的集成有空间光阑的输出光缆的结构示意图，图12是本发明实施例提供的一种连接方式简化后的万瓦级高功率输出光缆的结构示意图，图13是本发明实施例提供的一种切割头主体件的结构示意图，图14是本发明实施例提供的一种锁紧螺母的结构示意图。
如图12所示的万瓦级高功率输出头511，其结构的中部设置了外螺纹517，端面设计有卡销516，通过在图10所示的集成空间光阑的连接器538的激光切割头主体件533上，设计有更加精简的接口，如在如图13所示的激光切割头主体件533上设置有多个插销孔536，可以用于固定插销，用于在套上如图14所示的锁紧螺母531后再安装插销，对锁紧螺母531限位。锁紧螺母531的内部设置有内螺纹535，用于与万瓦级高功率输出头511上的外螺纹517匹配连接。
在安装万瓦级高功率输出头511时，找准与卡销516匹配的激光切割头主体件533的槽口534并进行卡位；然后，将万瓦级高功率输出头511完全伸入集成空间光阑的连接器538内部并贴合，最后旋紧锁紧螺母531，使万瓦级高功率输出头511与集成空间光阑的连接器538完成连接，构成了集成空间光阑功能的新型输出光缆515。
本发明实施例提供的采用集成空间光阑的激光输出光缆，可以针对特定激光器型号，设计挡光发散角阈值，可以控制输出光束，有效改善切割效果，同时避免了在客户现场装拆激光输出头的繁琐操作，只需要将光阑单元的接口部分与切割头匹配连接即可。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光输出光缆，包括在光路上依次连接的传能光纤，连接激光输出头和激光切割头的激光切割头连接器；所述激光输出头包含有端帽；
其特征在于：所述激光切割头连接器中至少设置有一个空间光阑；
所述空间光阑的通光孔径是基于虚拟出光点与所述空间光阑之间的距离以及激光器输出光束通过所述端帽后的发散角确定的；
所述虚拟出光点是基于所述端帽确定的。
2.根据权利要求1所述的激光输出光缆，其特征在于，所述空间光阑中设置有贯穿的第一渐扩孔；
所述激光器输出光束沿所述第一渐扩孔的径向线射入至所述第一渐扩孔的大径端，并由所述第一渐扩孔的小径端射出。
3.根据权利要求2所述的激光输出光缆，其特征在于，
所述第一渐扩孔的小径端的通光孔径的计算公式为：
D＝2×tanθ×L；
其中，D为所述第一渐扩孔的小径端的通光孔径；θ为激光器输出光束通过所述端帽后的发散角；L为所述虚拟出光点距离所述空间光阑的距离；
所述第一渐扩孔的大径端的通光孔径小于所述切割头连接器的通光孔径。
4.根据权利要求2所述的激光输出光缆，其特征在于，在所述空间光阑的内壁中部设置有至少一圈环形吸光槽；所述环形吸光槽向所述光路方向倾斜预设角度。
5.根据权利要求4所述的激光输出光缆，其特征在于，在所述环形吸光槽两侧的锥面上和/或所述空间光阑的内壁上，设置有内凹结构或消光螺纹，并敷设有吸光材料。
6.根据权利要求2所述的激光输出光缆，其特征在于，所述空间光阑还包括在所述光路上设置的第二渐扩孔；
所述第二渐扩孔的小径端与所述第一渐扩孔的小径端重合；
所述第二渐扩孔的内壁设置有内凹结构或消光螺纹，并敷设有吸光材料。
7.根据权利要求3所述的激光输出光缆，其特征在于，所述准直单元的入射光焦点与所述虚拟出光点重合；所述空间光阑与所述切割头连接器是一体成型结构。
8.根据权利要求1所述的激光输出光缆，其特征在于，在所述空间光阑的外壁设置有多水道翅片的散热结构。
9.根据权利要求1所述的激光输出光缆，其特征在于，还包括连接筒，所述连接筒的为中空结构；
所述空间光阑与所述连接筒通过紧定螺钉连接构成空间光阑单元；
在所述连接筒表面设置有进出水口，并在所述进出水口设置有水冷接头；
所述空间光阑单元与所述激光输出头可拆卸连接。
10.根据权利要求3所述的激光输出光缆，其特征在于，还包括设置于所述切割头连接器的锁紧螺母；
所述锁紧螺母内部设置有内螺纹，用于与所述激光输出头的外螺纹匹配连接；
在所述激光输出头靠近所述切割头连接器的一端设置有卡销；
在所述切割头连接器的主控件上设置有与所述卡销对应的插销孔。
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