CN101887173A - 紫外激光变倍扩束镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种紫外激光变倍扩束镜，其包括沿入射光线传输方向设置的第一透镜，第二透镜，以及第三透镜，其中所述的第一透镜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为凸型正透镜，该紫外激光变倍扩束镜能允许的最大入光直径Φ＝2-8mm，波长λ＝355nm。本发明的紫外激光变倍扩束镜整体结构非常紧凑，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，而极大地提高激光聚焦时焦点处的能量密度，并且提高激光的加工效率，由于激光光束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。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学元件，特别是关于一种紫外激光变倍扩束镜。
背景技术
光学扩束镜在激光加工光学系统中，占有相当重要的地位，根据拉氏不变量(Lagrange)定理：
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，D越小，δ就越大，这样会大大地降低了系统的加工精度。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。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种可以随意变化扩束镜倍率的紫外激光变倍扩束镜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种紫外激光变倍扩束镜，其包括沿入射光线传输方向设置的第一透镜，第二透镜，以及第三透镜，其中所述的第一透镜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为凸型正透镜，该紫外激光变倍扩束镜能允许的最大入光直径Φ＝2-8mm，波长λ＝355nm。
本发明解决进一步技术问题的方案是：第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为d2，d2的大小为：4mm≤d2≤17mm；第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为d4，d4的大小为：116mm≤d4≤133mm，且d2与d4的公差范围5％。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的d2为17mm，所述的d4＝116mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为2。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的d2为12.6mm，所述的d4＝128mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为4。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的d2为4mm，所述的d4＝133mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为8。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的第一透镜包括曲率半径分别为R1、R2的两个曲面S1、S2，其光轴上的中心厚度d1，其材料为Nd1(折射率):Vd1(阿贝数)，所述的R1为16mm，R2为0mm，Nd1:Vd1为1.46/68，d1为2mm，且d1与Nd1:Vd1的公差范围5％。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的第二透镜包括曲率半径分别为R3、R4的两个曲面S3、S4，其光轴上的中心厚度d3，其材料为Nd3(折射率):Vd3(阿贝数)，所述的R3为-49mm，R4为5mm，Nd3:Vd3为1.46/68，d3为1mm，，且d3与Nd3:Vd3的公差范围5％。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的第三透镜包括曲率半径分别为R5、R6的两个曲面S5、S6，其光轴上的中心厚度d5，其材料为Nd5(折射率):Vd5(阿贝数)，所述的R5为0mm，R6为-93mm，Nd5:Vd5为1.6/41，d5为4mm，且d5与Nd5:Vd5的公差范围5％。
本发明的紫外激光变倍扩束镜整体结构非常紧凑，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，而极大地提高激光聚焦时焦点处的能量密度，并且提高激光的加工效率；而且，由于激光光束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。
附图说明
图1是本发明的紫外激光变倍扩束镜的光学系统结构示意图。
图2为本发明的紫外激光变倍扩束镜一较佳实施例中的弥散斑图。
图3为本发明的紫外激光变倍扩束镜一较佳实施例中的能量集中度图。
图4为本发明的紫外激光变倍扩束镜一较佳实施例中的光学传递函数MTF图。
具体实施方式
以下内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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。如何在工作时提高激光的聚焦能量密度呢？一个答案是获得尽可能小的聚焦点。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
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。
为适应不同激光器光束直径和发散角整形的需要，本发明提供一种可以随意变化扩束镜倍率的紫外激光变倍扩束镜，这样使用起来适应性强，更容易满足光束整形的要求，选择了最常用激光束的直径和倍率作为设计的起点，当激光束最大的出射直径为Φmax＝4mm时，该扩束镜可用的倍率为2-8倍；当激光束的最大出射直径为Φmax＝8mm时，可用的倍率为2-4倍。
请参照图1，本发明提供一种紫外激光变倍扩束镜，其包括沿入射光线传输方向设置的第一透镜L1，第二透镜L2，以及第三透镜L3。其中所述的第一透镜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为凸型正透镜。
所述的第一透镜L1包括曲率半径分别为R1、R2的两个曲面S 1、S2，其光轴上的中心厚度d1，其材料为Nd1(折射率):Vd1(阿贝数)；第二透镜L2包括曲率半径分别为R3、R4的两个曲面S3、S4，其光轴上的中心厚度d3，材料为Nd3:Vd3；第三透镜L3包括曲率半径分别为R5，R6的两个曲面S5、S6，其光轴上的中心厚度d5，材料为Nd5:Vd5。
第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的间距为d2，第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间距为d4。
本发明的紫外激光变倍扩束镜的具体数据参数分别如下所示，其中：
Φ入＝2-8mm β＝2-8 λ＝355nm
其中Φ入为本发明的紫外激光变倍扩束镜能允许的最大入光直径，β为扩束倍数，λ为波长。
| 曲面 | 曲率半径R(mm) | 曲面间隔d(mm) | 材料Nd/Vd |
| S1 | 16 | d1＝2 | 1.46/68 |
| S2 | 0 | d2可调 | |
| S3 | -49 | d3＝1 | 1.46/68 |
| S4 | 5 | d4可调 | |
| S5 | 0 | d5＝4 | 1.6/41 |
| S6 | -93 |
当Φmax＝4mm时，扩束倍率可达到2-8倍；
当Φmax＝8mm时，扩束倍率可达到2-4倍；
d2与d4是可变的，通过调节d2与d4可使扩束镜产生不同的扩束倍数，调节灵活方便，其对应关系举例见下表：
| d2(mm) | d4(mm) | β |
| 17 | 116 | 2 |
| 12.6 | 128 | 4 |
| 4 | 133 | 8 |
上表中，本发明的紫外激光变倍扩束镜的曲面曲率半径，曲面间隔以及材料参数在±5％内均可以解决上述实施例要解决的技术问题，达到同样的技术效果，其具体描述如下：
1)曲面曲率半径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％ (Nd1-5/Vd1-5)
本发明的紫外激光变倍扩束镜的弥散斑图如图2所示，能量集中度图如图3所示，光学传递函数MTF图如图4所示。
本发明的紫外激光变倍扩束镜整体结构非常紧凑，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，而极大地提高激光聚焦时焦点处的能量密度，并且提高激光的加工效率；而且，由于激光光束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。
Claims (8)
1.一种紫外激光变倍扩束镜，其特征在于：其包括沿入射光线传输方向设置的第一透镜，第二透镜，以及第三透镜，其中所述的第一透镜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为凸型正透镜，该紫外激光变倍扩束镜能允许的最大入光直径Φ＝2-8mm，波长λ＝355nm。
2.根据权利要求1所述的紫外激光变倍扩束镜，其特征在于：第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为d2，d2的大小为：4mm≤d2≤17mm；第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为d4，d4的大小为：116mm≤d4≤133mm，且d2与d4的公差范围5％。
3.根据权利要求2所述的紫外激光变倍扩束镜，其特征在于：所述的d2为17mm，所述的d4＝116mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为2。
4.根据权利要求2所述的紫外激光变倍扩束镜，其特征在于：所述的d2为12.6mm，所述的d4＝128mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为4。
5.根据权利要求2所述的紫外激光变倍扩束镜，其特征在于：所述的d2为4mm，所述的d4＝133mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为8。
6.根据权利要求1所述的紫外激光变倍扩束镜，其特征在于：所述的第一透镜包括曲率半径分别为R1、R2的两个曲面S1、S2，其光轴上的中心厚度d1，其材料为Nd1(折射率):Vd1(阿贝数)，所述的R1为16mm，R2为0mm，Nd1:Vd1为1.46/68，d1为2mm，且d1与Nd1:Vd1的公差范围5％。
7.根据权利要求6所述的紫外激光变倍扩束镜，其特征在于：所述的第二透镜包括曲率半径分别为R3、R4的两个曲面S3、S4，其光轴上的中心厚度d3，其材料为Nd3(折射率):Vd3(阿贝数)，所述的R3为-49mm，R4为5mm，Nd3:Vd3为1.46/68，d3为1mm，，且d3与Nd3:Vd3的公差范围5％。
8.根据权利要求7所述的紫外激光变倍扩束镜，其特征在于：所述的第三透镜包括曲率半径分别为R5、R6的两个曲面S5、S6，其光轴上的中心厚度d5，其材料为Nd5(折射率):Vd5(阿贝数)，所述的R5为0mm，R6为-93mm，Nd5:Vd5为1.6/41，d5为4mm，且d5与Nd5:Vd5的公差范围5％。
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