CN101236303A - 激光光场分布整形光学镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光光场分布整形光学镜头，该光学镜头包括沿入光方向依次排列的第一、第二和第三透镜，其中第一透镜为曲面朝向入光侧的弯月型负透镜，第二透镜为双凸型正透镜，第三透镜为凸平型正透镜。此外，各透镜的光焦度与光学镜头的系统光焦度满足：－4＜f1/fw＜－3，1.5＜f2/fw＜2.0，1.2＜f3/fw＜2.0，其中f1为第一透镜的光焦度，f2为第二透镜的光焦度，f3为第三透镜的光焦度，fw为光学镜头的系统光焦度。通过采用上述结构，利用传统的光学系统将高斯分布的激光光场变换为均匀分布的“高帽型”激光光场，并且光透过率高，激光利用率高。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种激光光场分布整形光学镜头，特别涉及一种能够对高斯型激光光场进行整形的光学镜头。
【背景技术】
在激光划片中，作用于材料的激光的功率密度刚好达到破坏材料的阈值能量即可。当聚焦的光斑作用于材料表面时，将使材料产生熔化、气化甚至离子化。如图1所示，图1是激光脉冲波形与材料的作用关系的示意图。当激光能量处于Ic附近时，在激光的作用区内通过产生气化及等离子来去除材料。等离子区将对激光产生吸收与散射，在材料加工表面产生一层保护层进而防止激光进一步与材料作用，这样得出的划线边缘整齐光滑。但如果激光能量远大于Ic时，将造成划片质量的下降，例如，产生波纹状边缘、使划线的缝隙变宽以及所产生的熔融材料溅射于切缝边缘而产生杂质区，并还会影响到激光的加工效率。如果激光能量太低，例如低于或稍高于Ith时将产生熔化区而无法去除材料。
目前，一般激光束的光场分布多为高斯型分布。如图2所示，图2是典型高斯型激光光场光强分布示意图。在激光加工应用系统中，系统的高斯型光场可分为E1、E2、E3三个部分。其中，能量区E3能对材料进行有效地加工，而能量区E1的能量将大于材料的临界能量值Ic，而使划线时切缝边缘的质量下降。同样地，能量区E2经光学系统后将作用于缝的边缘而产生热熔区，进一步使划线的质量下降。特别在微加工领域，通过高斯光束划线出来的产品将对产品性能产生非常大影响。因此，需要将高斯型激光束变为如E3部分所示的分布均匀的“高帽型”的激光束。此外，“高帽型”激光束还将极大地提高激光的利用率，容易控制光强对加工深度的影响。
目前，许多研究都致力于利用二元光学元件(BOE)进行光束整形，该方法建立在衍射理论和惠更斯-菲涅尔衍射积分公式基础上，由光学和计算机技术及精细微加工、微电子技术和光刻技术相互交叉而成。在理论设计的基础上，根据要求输出的光束结构确定整形器件的复振幅反射率或复振幅透过率调制函数，进行材料选择，确定三维结构，用计算机进行微图形结构设计，使用光刻技术及微精细加工制造出二元光学器件。但由于一些加工技术条件的限制，例如激光损伤阈值低，目前二元光学元件还无法应用于强激光系统。
【发明内容】
为了解决现有技术的激光划片过程中高斯型激光束中能量的非均匀分布导致划线质量下降的技术问题，本发明提出了一种基于传统光学系统的激光光场分布整形光学镜头。
本发明解决现有技术的激光划片过程中高斯激光束中能量的非均匀分布导致划线质量下降的技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光光场分布整形光学镜头，其中该光学镜头包括沿入光方向依次排列的第一、第二和第三透镜，第一透镜为曲面朝向入光侧弯曲的弯月型负透镜，第二透镜为双凸型正透镜，第三透镜为凸平型正透镜。
根据本发明一优选实施例，第一、第二和第三透镜的光焦度与该光学镜头的系统光焦度满足以下公式：
-4＜f1/fw＜-3，
1.5＜f2/fw＜2.0，
1.2＜f3/fw＜2.0，
其中f1为第一透镜的光焦度，f2为第二透镜的光焦度，f3为第三透镜的光焦度，fw为整个系统的光焦度。
通过采用上述结构，利用传统的光学系统，使得高斯分布的激光光场变换为均匀分布的“高帽型”激光光场，使得光透过率高，激光利用率高。
【附图说明】
图1是激光脉冲波形与材料的作用关系的示意图；
图2是是典型高斯型激光光场光强分布示意图；
图3是本发明激光光场分布整形光学镜头的结构示意图；
图4是图3所示的激光光场分布整形光学镜头的横向像差曲线图；
图5是图3所示的激光光场分布整形光学镜头的边界响应曲线图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图3所示，图3是本发明激光光场分布整形光学镜头的结构示意图。在本发明中，基于“负-正-正”分离的光焦度系统设计出能够将高斯型激光光场整形成“高帽型”激光光场的光学镜头。在本实施例中，该光学镜头一共包括沿入光方向依次排列的三个透镜：光焦度f1为负的第一透镜L1、光焦度f2为正的第二透镜L2、光焦度f3为正的第三透镜L3。其中，透镜L1为曲面朝向入光侧的弯月型负透镜，透镜L2为双凸型正透镜，透镜L3为凸平型正透镜。在优选实施例中，三个透镜L1、L2、L3的光焦度与光学透镜的系统光焦度应满足以下关系：
-4＜f1/fw＜-3
1.5＜f2/fw＜2.0
1.2＜f3/fw＜2.0
根据以上要求，本申请进一步提供了一个焦距f＝50mm，应用于355nm紫外激光加工的整形镜头的设计实例：
再次参照图3，透镜L1分别由曲率半径为R1＝-26.36mm、R2＝-42.05mm的两个曲面S1、S2组成，其光轴上的中心厚度d1＝4mm，材料为Nd1∶Vd1(折射率/色散系数)＝1.46/68；透镜L2分别由曲率半径为R3＝69.01mm、R4＝-78.69mm的两个曲面S3、S4构成，其光轴上的中心厚度d3＝4mm，材料为Nd3∶Vd3＝1.46/68；透镜L3分别由曲率半径为R5＝40.24mm、R6＝0mm的两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d5＝4mm，材料为Nd5∶Vd5＝1.46/68；透镜L1与透镜L2在光轴上的间隔为d2＝1mm，透镜L2与透镜L3在光轴上的间隔为d4＝0.95mm，透镜L3与成像面(未图示)在光轴上的间距为46.6mm。具体参数如下表所示：
在本实施例中，其它设计参数如下：
fw＝50.4mm 数值孔径D/fw＝1∶2.5
f1/fw＝-3.23 f2/fw＝1.55 f3/fw＝1.68
根据上述设计方案，通过计算机模拟可以得到图4和图5，其中图4是采用上述设计参数的激光光场分布整形光学镜头的横向像差曲线图，图5是采用上述设计参数的激光光场分布整形光学镜头的边界响应曲线图。
从图4可以看出，整个孔径中约50％左右的光线分布于边缘20％左右的范围；从图5可以看出，在边缘的光得到了加强。由此入射为高斯型分布的光场在此焦点位置上进行了重新分配，达到均匀的“高帽型”分布。从实际中的使用效果来看，本实施方式确实达到了预期的效果。
本发明将直接利用传统的光学设计方法，利用光学系统的像差手段，有意地引入球差，使得高斯光束中间的光分布至聚焦点的边缘，以降低中间部分的光强，同时提高边缘部分的光强，从而使得光场为高斯分布的光束变为“高帽型”光束分布。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在不脱离本发明所保护的范围和精神的情况下，可根据不同的实际需要设计出各种实施方式。
Claims (2)
1. 一种激光光场分布整形光学镜头，其特征在于：所述光学镜头包括沿入光方向依次排列的第一、第二和第三透镜，其中所述第一透镜为曲面朝向入光侧的弯月型负透镜，第二透镜为双凸型正透镜，第三透镜为凸平型正透镜。
2. 如权利要求1所述的激光光场分布整形光学镜头，其特征在于：所述第一、第二和第三透镜的光焦度与所述光学镜头的系统光焦度满足以下公式：
-4＜f1/fw＜-3，
1.5＜f2/fw＜2.0，
1.2＜f3/fw＜2.0，
其中f1为所述第一透镜的光焦度，f2为所述第二透镜的光焦度，f3为所述第三透镜的光焦度，fw为所述光学镜头的系统光焦度。
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