CN101788716B - 一种激光扩束系统 - Google Patents

Abstract

一种变倍激光扩束系统，包括：位于光束的入射方向依序排列的“正-负-正”的第一、二、三透镜，改变第一透镜和第二透镜在光轴上的间距为d2、以及第二透镜L2和第三透镜L3之间在光轴上的间距d4，可将最大直径为2.2mm的入射激光束经过本扩束系统后，扩束倍数达3-10倍后，仍是一束平行光射出。由于负的第二透镜的焦距较短，且由于整个激光扩束系统为变倍扩束系统，故需要在负的透镜前后各设置一个正透镜，该两个正透镜保证了进入负的透镜都能以平行光进入和射出，不仅改变了扩束倍数，而且保证了扩束出射光束的质量，可使得激光聚焦系统得到较大的像方孔径角，提高激光聚焦时焦点处的能量密度以提高激光的加工作用与效率。

Description

一种激光扩束系统

【技术领域】

本发明涉及一种应用于紫外激光的变倍扩束系统。

【背景技术】

激光加工过程中，通常要求激光在聚焦点的能量非常集中，保证激光加工过程聚焦点的能量密度，使得激光有效地工作，并提高激光的工作效率，但如何在工作时提高激光的聚焦能量密度呢？一般是通过尽可能获得小的聚焦点。

根据衍射极限理论：激光的发散角θ与光腰直径d₀的关系为 $\mathrm{\θ}\·d_0=\frac{4\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}},$ 其中对于使用一定的激光器，激光的波长λ是一定的，所以，激光的发散角θ与光腰直径d₀的乘积为常数。从激光器输出的激光光束直径一般较小，在通过一定焦距的会聚光学系统聚焦之前，要求扩大光束直径以减小发散角θ，同时获得较大的入射光束直径。

假设在激光器与焦距为f的会聚光学系统中加入一个激光扩束系统，根据要求选用适当的扩束倍数β，使激光光束扩大到直径为D＝β·d₀，此时激光的发散角θ_入仍满足衍射极限理论关系式

所以，

这样，理想的会聚激光光斑

所以，通过选用合适的倍数β获得合适的D值，便可得到理想的聚焦光斑δ以提高工作焦点处的能量密度。

本发明的变倍扩束系统，主要是为了解决紫外激光束的整形及扩大激光束直径以提高成像质量的需要，由于该系统的扩束倍数可以随时进行调节，可以针对不同激光器输出的不同激光参数而使用同一种光学应用系统进行加工；同时也可用于同一类型的激光输出参数应用于不同的激光应用光学系统对激光输入参数有不同要求。

【发明内容】

本发明提供一种可将入射激光束的直径扩束至3-10倍、以提高成像质量、且扩束后像质平衡得非常理想的激光扩束系统。

本发明所采用的技术方案是一种激光扩束系统，包括：位于光束的入射方向依序排列的第一、二、三透镜，所述第一透镜为凸平型的正透镜，所述第二透镜为双凹型的负透镜，所述第三透镜为平凸型的正透镜，改变第一透镜和第二透镜在光轴上的间距为d2，、以及第二透镜L2和第三透镜L3之间在光轴上的间距d4，且间距d2和间距d4满足关系式：2mm≤d2≤40mm，96mm≤d4≤100mm，间距d2和间距d4公差范围为±5％，可将最大直径为2.2mm入射激光束经过本扩束系统后，扩束倍数达3-10倍后，仍是一束平行光射出。

其中，当第一透镜和第二透镜在光轴上的间距为d2＝40mm，第二透镜L2和第三透镜L3之间在光轴上的间距d4＝96mm时，扩束倍数β为3，且间距d2和间距d4公差范围为±5％。

其中，当第一透镜和第二透镜在光轴上的间距为d2＝29mm，第二透镜L2和第三透镜L3之间在光轴上的间距d4＝98mm时，扩束倍数β为5，且间距d2和间距d4公差范围为±5％，。

其中，当第一透镜和第二透镜在光轴上的间距为d2＝2mm，第二透镜L2和第三透镜L3之间在光轴上的间距d4＝100mm时，扩束倍数β为10，且间距d2和间距d4公差范围为±5％。

其中，所述第一透镜在光轴上的中心厚度为3mm，且其公差范围为±5％。

其中，所述第二透镜在光轴上的中心厚度为1mm，且其公差范围为±5％。

其中，所述第三透镜在光轴上的中心厚度为4mm，且其公差范围为±5％。

其中，第一透镜的材料为Nd1∶Vd1为1.46/68，且其公差范围为±5％。

其中，第二透镜的材料为Nd3∶Vd3为1.46/68，且其公差范围为±5％。

其中，第三透镜的材料为Nd5∶Vd5为1.6/41，且其公差范围为±5％。

本激光扩束系统，通过设置以“正-负-正”依序排列的三片透镜，由于负的第二透镜的焦距较短，且由于整个激光扩束系统为变倍扩束系统，故需要在负的透镜前后各设置一个正透镜，该两个正透镜保证了进入负的透镜都能以平行光进入和射出，一方面为了保证改变扩束倍数，一方面保证了扩束出射光束的质量，利用该变倍扩束镜，可使得激光聚焦系统得到较大的像方孔径角，提高激光聚焦时焦点处的能量密度以提高激光的加工作用与效率。

【附图说明】

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明激光扩束系统的光学系统结构示意图；

图2为本发明扩束系统较佳实施例中的弥散斑图；

图3为本发明扩束系统较佳实施例中的能量集中度图；

图4为本发明扩束系统较佳实施例中的光学传递函数MTF图。

【具体实施方式】

随着激光加工的迅速发展，光学扩束镜在激光加工光学系统中，占有相当重要的地位。由于用于激光加工的激光束有发散角，所以要用光学扩束镜来调整激光束的不规整，可使得激光聚焦系统得到较大的像方孔径角，提高激光聚焦时焦点处的能量密度，从而提高激光的加工作用与效率。

根据拉氏不变量(Lagrange)定理：能量J＝nDθ＝n′D′θ′，其中，n和n′表示光学系统在介质中的折射率，当介质为空气时，n＝n′＝1；D和D′表示光学系统的入瞳直径和出瞳直径；θ和θ′表示光学系统的入射光的视场角和出射光的视场角，当视场角很小时，可以用弧度来表示。

由上式可见，当出射的激光束有发散角时，即θ较大时，通过扩束镜由D→D′，即放大倍数β＝D′/D倍，都可使激光束的发散角缩小β倍，从而达到整形激光束的目的。

另一方面，一般的激光束出光直径都很小(约Φ＝1mm左右)，为此，要直接聚焦这么细的光束，其瑞利斑就很大，据瑞利斑公式：瑞利斑直径δ＝2.44λf/D。

可见，入瞳直径D越小，直径δ就越大，就会大大地降低聚焦镜头的精度。

鉴于以上两个基本要求，激光加工的光学系统一般都要配用扩束镜。除此外，有的扩束镜能够可以单独与聚焦镜或f-θ镜头匹配使用，有些还必须与配合使用的光学系统联系在一起考虑像差的平衡，才能得到理想的结果。

本发明公开的就是一种紫外激光应用变倍扩束系统。

如图1所示，本发明公开的紫外激光应用变倍扩束系统，包括根据光线的入射光线方向依次排序为三个透镜，分别第一透镜L1、第二透镜L2、及第三透镜L3。该三个透镜L1、L2、L3采用光焦度分配形式为“正-负-正”的组合，负透镜的焦距较短，对像差影响不大，而正透镜是决定扩束镜出射光束质量的主要承担者。

所述第一透镜L1为凸平型正透镜，第二透镜L2为双凹型负透镜，第三透镜L3为平凸型正透镜。

它们的具体结构及参数为：透镜L1分别由曲率半径为R1、R2的两个曲面S1、S2构成，其光轴上的中心厚度d1，材料为Nd1∶Vd1；透镜L2分别由曲率半径为R3、R4的两个曲面S3、S4构成，其光轴上的中心厚度d3，材料为Nd3∶Vd3；透镜L3分别由曲率半径为R5，R6的两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d5，材料为Nd5∶Vd5；透镜L1与透镜L2在光轴上的间距为d2，透镜L2与透镜L3在光轴上的间距为d4。

结合以上的参数，我们设计了一个扩束系统，其具体数据分别如下所示：实例：

Φ_入＝2.2mm        β＝3-10X        λ＝355nm

其中Φ_入本扩束系统允许的最大入光直径，即：本扩束系统可接收的入射激光束的最大光束直接为2.2mm；β为扩束倍数，即：本扩束系统是将入射激光束的直径扩束3-10倍后，仍然是一束平行光，可解决紫外激光束的整形扩大激光束直径以提高成像质量的需求；λ为波长，即：入射光为波长355nm的紫外激光。

曲面S	曲率R(mm)	面间隔d(mm)	材料Nd/Vd
				1	33	3	1.46/68
2	0	d2
				3	-16	1	1.46/68
4	3.3	d4
				5	0	4	1.6/41
6	-70

d2与d4是可变的，通过调节d2与d4可使本扩束系统产生不同的扩束倍数，调节灵活方便，其对应关系如下表：

d2

d4

β

40	96	3
			29	98	5
2	100	10

通过上述实施例，参数范围如下：

1)R1-R6    ΔR1-6≤±5％(R1-R6)

2)d1-d5    Δd1-5≤±5％(d1-d5)

3)Nd1/Vd1-Nd5/Vd5 ΔNd1-5/ΔVd1-5≤±5％(Nd1/Vd1-Nd5/Vd5)

通过上述具体实验参数，可大概归纳本扩束系统的过程：最大光束直径为2.2mm的入射激光束，首先经过正的第一透镜L1将光束变成平行光束，然后经过负的第二透镜L2将平行光束发散，最后经第二透镜L2发散后的光束再经过第三透镜L3以平行光束射出。

整个扩束系统的效果就是将入射激光束的直径扩束3-10倍后，并仍以平行光束射出。其中该系统负的第二透镜L2的焦距较短，对像差影响不大，故通过在负的透镜前后各设置一个正透镜，既保证了整形的需要，还能使它达到最好成像质量，而且保证它的外形尺寸也是最小，即通过改变第一透镜L1和第二透镜L2之间在光轴上的间距d2、以及第二透镜L2和第三透镜L3之间在光轴上的间距d4产生不同的扩束倍数的光束输出。利用该变倍扩束镜，可使得激光聚焦系统得到较大的像方孔径角，提高激光聚焦时焦点处的能量密度以提高激光的加工作用与效率。

当d2＝40mm，d4＝96mm，扩束倍数β＝3；当d2＝29mm，d4＝98mm，扩束倍数β＝5；当d2＝2mm，d4＝100mm，扩束倍数β＝10。

即：2mm≤d2≤40mm，96mm≤d4≤100mm，可实现将入射激光束的直径扩束3-10倍。

上述距离d2、d4范围的公差范围为±5％。

本激光扩束系统，通过设置以“正-负-正”依序排列的三片透镜，由于负的第二透镜L1的焦距较短，且由于整个激光扩束系统为变倍扩束系统，故需要在负的透镜前后各设置一个正透镜，即第一透镜和第三透镜，该两个正透镜保证了进入负的透镜都能以平行光进入和射出，且一方面为了保证改变扩束倍数，一方面保证了扩束出射光束的质量，利用该变倍扩束镜，可使得激光聚焦系统得到较大的像方孔径角，提高激光聚焦时焦点处的能量密度以提高激光的加工作用与效率。

图2为本发明扩束系统较佳实施例中的弥散斑图，表明具有很高的成像质量；图3为本发明扩束系统较佳实施例中的能量集中度图，表明该系统的能量集中度很高；图4为本发明扩束系统较佳实施例中的综合像质评价的光学传递函数MTF图，可看出该系统的分辨率极高，达到理想状态。

Claims (5)

1.一种激光扩束系统，其特征在于，包括：位于光束的入射方向依序排列的第一、二、三透镜，所述第一透镜为凸平型的正透镜，所述第二透镜为双凹型的负透镜，所述第三透镜为平凸型的正透镜，改变第一透镜和第二透镜在光轴上的间距为d2，以及第二透镜和第三透镜之间在光轴上的间距d4，且间距d2和间距d4满足关系式：2mm≤d2≤40mm，96mm≤d4≤100mm，间距d2和间距d4公差范围为±5％，可将最大直径为2.2mm入射激光束经过本扩束系统后，扩束倍数达3-10倍后，仍是一束平行光射出。

2.如权利要求1所述的激光扩束系统，其特征在于：第一透镜分别由曲率半径为R1为33mm、R2为0mm的两个曲面构成，其光轴上的中心厚度d1为3mm，且其公差范围为±5％，材料为Nd1∶Vd1为1.46/68，且其公差范围为±5％；第二透镜分别由曲率半径为R3为-16mm、R4为3.3mm的两个曲面构成，其光轴上的中心厚度d3为1mm，且其公差范围为±5％，材料为Nd3∶Vd3为1.46/68，且其公差范围为±5％；第三透镜分别由曲率半径为R5为0mm，R6为-70mm的两个曲面构成，其光轴上的中心厚度d5为4mm，且其公差范围为±5％，材料为Nd5∶Vd5为16./41，且其公差范围为±5％；且入射光斑最大直径为2.2mm、波长为355nm的紫外光。

3.如权利要求2所述的激光扩束系统，其特征在于：当第一透镜和第二透镜在光轴上的间距为d2＝40mm，第二透镜L2和第三透镜L3之间在光轴上的间距d4＝96mm时，扩束倍数β为3，且间距d2和间距d4公差范围为±5％。

4.如权利要求2所述的激光扩束系统，其特征在于：当第一透镜和第二透镜在光轴上的间距为d2＝29mm，第二透镜L2和第三透镜L3之间在光轴上的间距d4＝98mm时，扩束倍数β为5，且间距d2和间距d4公差范围为±5％。

5.如权利要求2所述的激光扩束系统，其特征在于：当第一透镜和第二透镜在光轴上的间距为d2＝2mm，第二透镜L2和第三透镜L3之间在光轴上的间距d4＝100mm时，扩束倍数β为10，且间距d2和间距d4公差范围为±5％。

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