CN102436066A - 一种可调空心光束内外径的方法与装置 - Google Patents

一种可调空心光束内外径的方法与装置 Download PDF

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Abstract

一种可调空心光束内外径的方法，主要包括一个负轴棱锥，一个凸透镜，一个凹透镜。其特征在于负轴棱锥的后面设一凹透镜和一凸透镜组成变焦折射系统，该变焦系统的物方焦点恰好位于负轴棱锥的负顶点上，使穿过负顶点的光线经过系统后近似平行射出其他光线向光轴中线偏折，在光学系统后一定距离形成空心光束。本发明的优点是改变各镜片之间的距离可定量地调节空心光束的内外径，可以固定外径，改变内径；固定内径，改变外径。本发明结构简单，调节方便，应用于激光打孔，激光冲击，生物工程等领域。

Description

一种可调空心光束内外径的方法与装置
技术领域
本发明一种可调空心光束内外径的方法与装置，在一定程度上实现了实心光束向空心光束的转换，并且空心光束的内外径可以定量调节，属于光学技术领域。
背景技术
目前，产生空心光束的几何光学系统，主要包括轴棱锥透镜系统，凹球面反射与透镜组合等，这些光学系统都不能产生内外径可调的空心光束。申请号为200410016728.X的一件中国发明专利申请公开了一项属于几何光学法的名称为单角锥准直空心激光束产生装置的技术方案，见图1，该方案中改变1,2的距离可以使内外径发生变化，但内外径是同时变化的，未能实现内外径单一变化。申请号为200410012697.0的名称为一种激光环切打孔方法与装置，见图2，该方案中提到被加工孔径的尺寸可根据被加工薄板与聚焦点之间的位置精确定量，事实上，它的精确定量是很有限的，它的内径和外径是一一对应的关系，改变内径，其外径必然变化，同样，改变外径，其内径也会随之改变。申请号为200810051203.8的名称为准双半高斯空心激光束形成装置，见图3，该方案形成的光束是近似平行光束，不能实现内外径变化。
发明内容
所述已知技术不足在于，所形成的空心光束不能定量地调节其内外径，因此，为了能够定量地调节空心光束内外径，我们发明了本发明之一种可调空心光束内外径的方法。
本发明是这样实现的，见图4所示，一种可调空心光束内外径的方法，依次由负轴棱锥1（图3）、凹透镜2、凸透镜3组成，三者光学同轴，负轴棱锥1与凹透镜2的间距                                                和凹透镜2与凸透镜3的间距
Figure 474293DEST_PATH_IMAGE002
以及d的参数匹配关系及位置关系符合下列公式要求：
Figure 211304DEST_PATH_IMAGE003
                           （1）
                 （2）
其中
Figure 852950DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 156892DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 432015DEST_PATH_IMAGE007
分别为凹透镜、凸透镜的焦距，
Figure 888536DEST_PATH_IMAGE008
为镜片的折射率，
Figure 286019DEST_PATH_IMAGE009
为负轴棱锥的锥角。
先根据所需光束的内径或外径根据公式（1）计算出凹透镜2与凸透镜3的间距
Figure 825060DEST_PATH_IMAGE002
，再根据公式（2）计算出负轴棱锥1与凹透镜2的间距
Figure 966192DEST_PATH_IMAGE001
，然后根据，
Figure 48865DEST_PATH_IMAGE002
调节各透镜之间的相对位置就可以得到所需要的空心光束。
本发明的技术要点在于凹透镜和凸透镜组成的变焦系统的物方焦点恰好位于负轴棱锥的负顶点上，通过轴线的光线经过系统后近似平行射出，其他光线折向光轴射出，在光学系统后一定距离形成空心光束。
本发明的技术效果在于从光源射出的平行光束或经过整形后的光平行束依次经过负轴棱锥，凹透镜，凸透镜，形成空心光束，改变各镜片之间的距离可定量地调节所需光束的内径或外径d，固定内径，移动平板位置，改变外径；固定外径，改变平板位置，改变内径，这是其他方法无法达到的。
附图说明
图1 为单角锥准直空心激光束产生装置示意图。
图2 为一种激光环切打孔方法与装置示意图。
图3 为准双半高斯空心激光束形成装置示意图。
图4 为负轴棱锥示意图。
图5 为本发明的方法与装置示意图。
图6 为a处（组1）和b处（组3）的光斑图，可以看出，空心光斑的内径基本不变，外径变化。
图7 为d处（组8）和e处（组11）的光斑图，可以看出，空心光斑的外径基本不变，内径变化。
具体实施方式
见图5所示，内外径可调的空心光束的光学系统依次由负轴棱锥1、凹透镜2、凸透镜3组成，三者光学同轴，其中由凹透镜2和凸透镜3组成的系统的物方焦点恰好位于负轴棱锥1的负顶点上，负轴棱锥1与凹透镜2的间距
Figure 874870DEST_PATH_IMAGE001
和凹透镜2与凸透镜3的间距
Figure 757375DEST_PATH_IMAGE002
以及所形成光束内径或外径d的参数匹配关系及位置关系符合下列公式要求：，
Figure 114724DEST_PATH_IMAGE004
，
其中
Figure 365708DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 848642DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 321212DEST_PATH_IMAGE007
分别为凹透镜、凸透镜的焦距，
Figure 244781DEST_PATH_IMAGE008
为镜片的折射率，
Figure 232328DEST_PATH_IMAGE009
为负轴棱锥的锥角。
装置按照图4摆放好后（其中4是接收光束的平板）调节4的位置，以水平线与折线的交点为分界点，分界点（位置c）左侧空心光束的内径基本不变，外径连续变化，分界点右侧外径基本不变，内径连续变化。首先根据所需要的内外径确定d的大小，再按公式计算，
Figure 331183DEST_PATH_IMAGE002
，按，
Figure 90377DEST_PATH_IMAGE002
确定透镜在导轨上的位置。
组
Figure 931425DEST_PATH_IMAGE001
Figure 175325DEST_PATH_IMAGE002
Figure 178047DEST_PATH_IMAGE010
 r R
1 60 62.5 50 11.106 17.2811
2 60 62.5 100 11.5668 15.8065
3 60 62.5 150 11.3825 14.5161
4 60 62.5 200 11.4747 13.0415
5 60 62.5 250 10.7373 12.212
6 60 62.5 300 9.35484 11.9355
7 60 62.5 350 7.88018 11.5668
8 60 62.5 400 6.58986 11.4747
9 60 62.5 450 5 11.1982
10 60 62.5 500 3.82448 11.1982
11 60 62.5 550 2.35023 11.0138
12 60 62.5 600 0.87556 11.0138
 表中给出了一种具体方案，所选参数如下：
Figure 77870DEST_PATH_IMAGE009
表示轴棱锥的锥角，165度，凹透镜2的焦距为-100mm，凸透镜的焦距为100mm，镜片材料选用BK7，对于波长为1064nm的光束，折射率n=1.05663，入射光斑直径大小为10mm。
Figure 706297DEST_PATH_IMAGE001
表示轴棱锥1负顶点与凹透镜2之间的距离，表示凹透镜2与凸透镜3之间的距离，
Figure 178660DEST_PATH_IMAGE010
表示负轴棱锥左端面到光束接受平板的距离，r表示空心光束的内半径，R表示空心光束的外半径。

Claims (6)

1.一种可调空心光束内外径的方法，从光源发出的光束依次经过负轴棱锥（1），凹透镜（2），凸透镜（3），其特征在于：凹透镜（2）和凸透镜（3）组成的变焦系统的物方焦点位于负轴棱锥（1）的负顶点上，入射光束从该负轴棱锥（1）前方射入，经过负轴棱锥（1）和透镜组成的变焦系统后形成空心光束，改变各镜片间的相对位置可实现内外径单一连续变化；负轴棱锥（1）与凹透镜（2）的间距                                                
Figure 139721DEST_PATH_IMAGE001
和凹透镜（2）与凸透镜（3）的间距
Figure 56862DEST_PATH_IMAGE002
以及d的参数匹配关系及位置关系为：
Figure 649648DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure 921546DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 557058DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 824091DEST_PATH_IMAGE007
分别为凹透镜（2）、凸透镜的焦距（3），
Figure 85309DEST_PATH_IMAGE008
为镜片的折射率，
Figure 567237DEST_PATH_IMAGE009
为负轴棱锥（1）的锥角，d为所形成光束的内径或外径。
2.根据权利要求1所述的一种可调空心光束内外径的方法，其特征在于：通过光轴的光线经过系统后近似平行射出，其他光线折向光轴射出；以平行线与折线的交点为分界点，分界点左侧空心光束的内径d基本不变，外径连续变化，分界点右侧外径d基本不变，内径连续变化。
3.根据权利要求1所述的一种可调空心光束内外径的方法，其特征在于：负轴棱锥为完全轴对称结构，锥角顶点完整无偏差。
4.根据权利要求1所述的一种可调空心光束内外径方法，其特征在于：负轴棱锥（1），凹透镜（2），凸透镜（3），依次安装在滑道或导轨（5）上，调节各镜片之间的相对距离，从而改变射出的光束的内外径。
5.根据权利要求1所述的一种可调空心光束内外径的方法，其特征在于：形成变焦系统的透镜的个数不限于两个，两个以上也能产生可调内外径的空心光束。
6.根据权利要求1所述的一种可调空心光束内外径的方法，其特征在于：只使用一个凸透镜时，外径不变，内径可连续变化，或者内径不变，外径可连续变化。
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